Методические указания к лабораторной работе №1 Самара 2007

ч. 1



Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования
САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ



Кафедра «Теоретические основы теплотехники и гидромеханика»


Измерение гидростатического


давления с помощью жидкостных
и механических приборов
Методические указания к

лабораторной работе № 1

Самара 2007
УДК 532.11.(0765)
Составители: Е.В. СТЕФАНЮК, Л.И. БАБЕНКОВА, Б.В. АВЕРИН.

Измерение гидростатического давления с помощью жидкостных и механических приборов: Метод. указ. к лаб. работе № 1./ Самар. гос. техн. ун-т; Сост. Е.В. Стефанюк, Л.И. Бабенкова, Б.В. Аверин. Самара, 2008. 12 с.

Методические указания предназначены для студентов спец. 130501, 130503, 130504, 130602, 130603, 140101, 151001, 151002, 151003, 150204, 150205, 190601, 190603, 220301, 280103 при выполнении ими лабораторных работ по курсу «Гидравлика», «Гидромеханика», «Гидравлика и гидравлические приводы».


Ил. 4. Табл. 2.
В работе приводятся краткие сведения из курсов гидравлического профиля по разделу «Гидростатика». Дается описание лабораторного стенда «Гидростатика ГС», позволяющего выполнить лабораторную работу: «Измерение гидростатических давлений с помощью жидкостных и механических приборов». Изложена методика проведения лабораторной работы, порядок выполнения расчетов исследуемых величин, форма таблицы для записи результатов экспериментов, а также вопросы для самопроверки учащихся.

Печатается по решению редакционно-издательского совета СамГТУ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Цель работы: освоение способов измерения гидростатического давления.

При подготовке к работе, в процессе выполнения работы и при обработке результатов опытов необходимо:



  • ознакомиться с различными приборами для измерения давления

  • определить давление под крышкой бака по показаниям пьезометра, U- образного мановакууметра и батарейного мановакуумметра и сравнить их с показаниями механического прибора.

  • Рассчитать абсолютное давление в баке.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.


1. Основные понятия гидростатики.

Гидростатика - это раздел Гидромеханики, в котором изучаются условия и закономерности равновесия жидкостей под действием приложенных к ним сил, а также воздействия покоящихся жидкостей на погруженные в них тела и на стенки сосудов. Гидростатика рассматривает распределение давления в покоящейся жидкости, определение величины, направления и точки приложения силы давления жидкости на плоские и криволинейные стенки.

Если на элементарную площадку действует сила , то является напряжением поверхностных сил в точке, к которой стягивается площадка , имеющая нормаль n. Единицей измерения давления (нормального сжимающего напряжения) в системе СИ является Па ().

Давление в точке является функцией координат точки и не зависит от ориентации площадки, на которую оно действует.

В гидростатике рассматривают абсолютное давление , избыточное (манометрическое) давление (), вакуумметрическое давление , а также атмосферное давление ().

Если покоящаяся жидкость находится в ненапряженном состоянии, то есть в ней отсутствуют напряжения сжатия, то гидростатическое давление равно нулю: = 0. Значения давлений, отсчитываемых от этого нуля, называются абсолютными.



Избыточным (манометрическим) давлением в т. А называется превышение абсолютного давления над атмосферным:

== (1)

Вакуумметрическое давление в т. В образуется как недостаток абсолютного давления до атмосферного:

= (2)

Если в какой-либо точке 0 покоящейся жидкости известно давление , то давление в другой точке 1 этой жидкости можно определить по основной формуле гидростатики:



(3)

где - расстояние по вертикали от исследуемой точки до точки 0 при условии, что точка 0 расположена выше точки 1, или, что то же, - заглубление точки 1 относительно точки 0; - плотность жидкости; - ускорение свободного падения. Слагаемое представляет собой дополнительное весовое давление столба жидкости высотой . В случае если точка 0 находится на свободной поверхности жидкости, то равно давлению газовой фазы, находящейся над поверхностью жидкости (внешнее давление). В частном случае - атмосферному давлению над свободной поверхностью:

Из формулы гидростатики 3 следует, что всякое изменение внешнего давления вызывает изменение давления во всех точках покоящейся жидкости на то же значение. Это вывод известен как закон Паскаля.

Из формулы (3), записанной в виде , следует, что величины избыточного, вакуумметрического и абсолютного давлений могут быть выражены через линейные величины:



, (4)

, (5)

. (6)

В формулах (4) – (6) обозначено:



– пьезометрическая высота;

– вакууметрическая высота;

– приведенная высота.

При замере давлений жидкостными приборами вследствие расширения



2. Приборы для измерения давления.

Жидкостные приборы получили широкое распространение благодаря простоте исполнения и высокой точности. Величина измеряемого давления находится по формулам гидростатики (3), а соответствующие высоты - по формулам (4) - (6).




Рис. 1. Измерение избыточного и вакуумметрического давлений с помощью пьезометра


Простейшим жидкостным прибором является пьезометр - прозрачная трубка, одним концом опущенная в исследуемую точку, другим - открытая в атмосферу (рис. 1). Избыточное давление в точке А определяется пьезометрической высотой , вакуумметрическое давление в точке В - вакуумметрической высотой :

; (7)

Абсолютное давление в точке А может быть определено по приведенной высоте - высоте столба жидкости в запаянной трубке, из которой удален воздух, так что давление на свободной поверхности в ней близко к нулю: .

Для измерения разности (перепада) давлений служит U- образный мановакуумметр (рис. 2). Величина давления также определяется формулами (7).

Рис. 2. U - образный мановакуумметр


Существенным недостатком жидкостных приборов является узость диапазона измеряемых давлений. Расширить этот диапазон можно, используя несколько последовательно соединенных U - образных манометров. Такой прибор называется батарейным мановакуумметром (рис. 3).

Рис. 3. Батарейный мановакуумметр.


Давление воздуха в баке уравновешивается перепадами уровней жидкости в трубках манометра. Для показаний батарейного мановакуумметра на рис. 3 расчет манометрического давления в баке определяется суммированием всех перепадов уровней от открытого конца до присоединения его к резервуару:

(8)

(9)

Весовым давлением воздуха в левом конце батарейного манометра ввиду его малости пренебрегают.


ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
Стенд состоит из рабочего стола 1 (рис. 4), закрепленных на нем бака 2 и щита 3 с батарейным мановакуумметром ПЗ. Рядом со столом закреплен щит настенных пьезометров 4. Бак на заполнен рабочей жидкостью (водой). С помощью насоса-компрессора 5, установленного на нижней полке стола, под крышкой бака может быть создано избыточное или вакуумметрическое давление. Необходимый режим обеспечивается с помощью панели управления 7 и кранов В1, В2 и ВЗ, В4. Давление воздуха в баке регистрируется механическими приборами - манометром МН1 и вакуумметром ВН. Колена батарейного мановакуумметра ПЗ заполнены жидкостью - водой (в общем случае жидкости могут быть различными). Левый конец батарейного мановакуумметра соединен с верхней частью бака, заполненной воздухом, правый открыт в атмосферу.

На настенном щите пьезометров 4 размещены пьезометр П1, подключенный к заполненной рабочей жидкостью части бака, и U-образный мановакуумметр П2, заполненный водой. Один конец мановакуумметра П2 подсоединен к верхней (воздушной) части бака, а второй выведен на механический прибор - манометр МН2.


Рис. 4.Лабораторный стенд ”Гидростатика ГС”


ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Режим избыточного давления (опыт№1)

Записать показания пьезометра П1, соответствующие уровню свободной поверхности жидкости в баке при атмосферном давлении в табл. 1.

С помощью насоса-компрессора установить в баке режим избыточного давления. Для этого необходимо проделать следующие операции:

1 Открыть краны В1, В4, В5, В7, В8 и В9;

2. Закрыть краны В2, В3 и В6;

3. Включить тумблер «Сеть»;

4. Нажать кнопку «Пуск» и установить необходимое давление (не >0,05 кгс/см2 по механическому прибору МН1);

5. Отпустить кнопку "Пуск" и перекрыть краны Bl и В4.



Внимание! Не допускать, чтобы рабочая жидкость под действием избыточного давления выплеснулась через открытый конец П1. Учитывая инерционность жидкости и медленное заполнение ею пьезометра, необходимо перед снятием показаний сделать паузу 5 мин., дожидаясь стабилизации уровня жидкости в П1, П2, П3.

6. Зафиксировать показания пьезометра П1, U- образного мановакуумметра П2, показания , , , батарейного манометра ПЗ и показания механического прибора МН1; записать эти показания в табл. 2

7. Сбросить избыточное давление в баке, для чего открыть краны В1, В2, В3, В4.

Режим вакууметрического давления (опыт №2)

Записать показания пьезометра П1, соответствующие уровню свободной поверхности жидкости в баке при атмосферном давлении;

С помощью насоса-компрессора установить в баке режим вакуумметрического давления. Для этого необходимо:

1. Открыть краны В2, В3, В5, В6, В8, В9;

2. Закрыть краны В1, В4 и В7;

3. Включить тумблер «Сеть»;

4. Нажать кнопку «Пуск» и установить необходимое давление (не >0,04 по механическому прибору ВН);

Внимание! Необходимо следить, чтобы жидкость под действием вакуумметрического давления не опустилась до нижнего края пьезометра П1;

5. Отпустить кнопку «Пуск» и перекрыть краны В2 и В3.

6. Зафиксировать показания пьезометра П1, U- образного мановакуумметра П2, показания , , , батарейного манометра ПЗ и показания механического прибора ВН; записать эти показания в табл. 2

7. Сбросить давление в баке, для чего открыть краны В1, В2, В3, В4.


Обработка результатов экспериментов
По данным, записанным в таблицу в результате проделанных опытов, выполнить следующие вычисления:

для режима избыточного давления

1. Рассчитать показаний пьезометра П1 и избыточное давление по пьезометру.



, мм. вод. ст.

, Па

2. Рассчитать избыточное давление по U-образному манометру.



, Па

3. Рассчитать показаний батарейного манометра П3 и избыточное давление по батарейному манометру.



, мм. вод. ст.

, Па

4. Сравнить рассчитанные значения , , с показаниями механического прибора и вычислить погрешность.



5. Занести результаты расчетов в таблицу.

6. Снять показания атмосферного давления с барометра. Рассчитать значения [Па] по показаниям механического прибора МН1 (ВН).

, Па

, Па
для режима вакууметрического давления

Повторить пункты 1-6 с исходными данными 2-го опыта.

7. Сделать выводы по результатам работы.
Таблица 1. Перевод размерностей.





Паскаль

Па

(Н/м2)



Миллиметры
ртутного столба,

мм рт. ст.

Миллиметры
водяного столба,

мм вод.ст.

Техническая атмосфера

ат.

1ат( кгс/см2)

98 100

735,6

10 000

1

1 мм рт. ст.

133,3

1

13,6

0,00136

1 мм вод. ст.(1 кг/м2)

9,81

0,0736

1

10-4


Таблица 2. Результаты опытов и вычислений.

Наименов.

прибора 





Режим

Избыточное давление

рабс > ратм



Вакуумметрическое давление

рабс < ратм



Пьезометр П1

H0, мм.вод.ст.







H1, мм.вод.ст.







ΔHП1,мм.вод.ст.







РП1, Па







погрешность δ, %







U-образный манометр 

ΔHП2,мм.вод.ст.







РП2, Па







погрешность δ, %







Батарейный манометр П3

Δh1, мм.вод.ст.







Δh2, мм.вод.ст.







Δh3, мм.вод.ст.







Δh4, мм.вод.ст.







ΔHП3,мм.вод.ст.







РП3, Па







погрешность δ, %







Механи-ческие приборы МН1, ВН

РМН1, РВН кгс/см2







РМН1, РВН Па







КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте определение абсолютного значения гидростатического давления.
2. Что называется избыточным (манометрическим) давлением, как оно выражается через абсолютное?
3. Что называется вакууметрическим давлением, как оно выражается через абсолютное?
4. Перечислите наиболее распространенные единицы измерения давления и укажите какая связь существует между ними.
5. Какие принципы действия приборов для измерения давления вам известны?
6. В чем заключается принцип действия жидкостных приборов? Их достоинства и недостатки.
7. Запишите основную формулу гидростатики и дайте объяснение ее составляющим.
8. Сформулируйте закон Паскаля.
9. Как определяется гидростатическое давление по батарейному манометру?
10. Какой прибор для определения давление в настоящей работе считается более точным и берется за эталон при расчете погрешности?


Правила техники безопасности

при выполнении лабораторной работы № 1


«Измерение гидростатического давления с помощью жидкостных и механических приборов» в учебной лаборатории гидравлики.


  1. Перед началом работы необходимо привести в порядок рабочее место, не загромождать его предметами, не имеющими отношения к выполненной работе.

  2. Студент обязан выполнять только ту работу, которая ему поручена.

  3. Не допускается работа студента в лаборатории без преподавателя или лаборанта.

  4. Произвести тщательный осмотр оборудования и приборов для определения их пригодности к работе. Электрические шнуры, вилки, розетки и выключатели не должны иметь видимых повреждений. Включать установку при наличии неисправностей запрещается.

  5. Включать установку в работу необходимо под наблюдением преподавателя или лаборанта.

  6. Во время выполнения задания студент не должен заниматься посторонними делами, не относящимися к выполнению данной работе.

  7. Запрещается оставлять без наблюдения действующую установку.

  8. Запрещается работать в лаборатории одному. Обязательно присутствие второго лица для оказания первой помощи в случае необходимости.

  9. Во избежание возможного поражения электрическим током, запрещается касаться при включенной установке:

а) одновременно к проводам измерительного прибора и к трубопроводу отопления, водопровода или замыкающему контуру;

б) одновременно к корпусу измерительного прибора и к трубопроводу отопления, водопровода или замыкающему контуру;



  1. Во всех случаях при наличии признаков аварийной ситуации необходимо немедленно отключить установку и сообщить о случившимся преподавателю или лаборанту. Студентам запрещается устранение неисправностей лабораторных установок.

  2. Установка должна быть немедленно отключена, если обнаружено повреждение заземления, защитного ограждения при внезапном прекращении подачи энергии.

  3. По окончании работы установка должна быть отключена в строгом соответствии с указаниями, приведенными в методической разработке к ней.

  4. Перед уходом студенты обязаны привести в порядок свое рабочее место и поставить в известность преподавателя об окончании работы.




ч. 1