Лабораторная работа №1

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЙ

Цель работы: 1. Ознакомиться с устройством механических и жидкостных приборов для измерения давлений. 2. Измерить давление и вакуум пьезометром, U - образным манометром, манометром абсолютного давления. 3. Определить плотность второй жидкости, считая, что в левом дифференциальном пьезометре вода. 4. Определить цену деления стрелочного манометра в атмосферах и Н/м2.

Время – 2 часа.

Основные положения

Определение гидростатического давления.

Все жидкости на Земле находятся под давлением поверхностных и массовых сил.

К поверхностным относятся силы, действующую на поверхность, отделяющую рассматриваемый объём жидкости от газовой или твёрдой фазы. Например, сила давления атмосферного воздуха или поршня на поверхность жидкости.

К массовым относятся силы, направления и величина которых обусловлена массой самой жидкости. Например, сила тяжести, силы инерции, центробежная, центростремительная и т.п.

В результате действия этих сил внутри жидкости возникает давление, которое в любой точке определяется по формуле:

где: Р_абс - . абсолютное гидростатическое давление в точке жидкости. Н/м²;

F - суммарная сила от давления на свободную поверхность жидкости над рассматриваемой точкой, и сила численно равная весу жидкости над рассматриваемой точкой, Н;

S - площадь поверхности, на которую действуют силы, м².

Напряжения сжатия в жидкости называют абсолютным давлением, оно всегда положительно, т.е. больше нуля. Отрицательные напряжения, т.е. напряжения растяжения, в жидкости существовать не могут, поскольку жидкость не сопротивляется растяжению.

Абсолютное давление определяется основным уравнением гидростатики:

где Р₀ - давление на поверхности жидкости;

ρ - плотность жидкости (отношение массы жидкости к её объёму), кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с².

h - расстояние от точки в объёме жидкости до свободной поверхности, м.

Таким образом, абсолютное давление изменяется от нуля до плюс бесконечности, начало отсчета расположено в начале числовой оси. Однако на практике более удобно смещать начало отсчета в точку, соответствующую атмосферному давлению Ратм или 10,1352∙104 Па. При смещении нуля отсчета на числовой оси появляются положительные значения и отрицательные. Отрицательные значения называют вакуумом Рвак, они изменяются от нуля до Ратм или от нуля до 10,1352∙104 Па. Положительные значения называют избыточным давлением Ризб, они изменяются от нуля до плюс бесконечности при условии, что смещенный ноль отсчета находится в точке абсолютной шкалы, соответствующей Ратм, или манометрическим давлением,

Гидростатическое давление обладает тремя основными свойствами: давление в точке по всем направлениям действует с одинаковой силой, эта сила направлена всегда по внутренней нормали (перпендикуляру) к площадке и не зависит от ориентации выбранной площадки.

Гидростатическое давление в СИ измеряется в паскалях: 1 Па=1 Н/м2. Внесистемные единицы давления изучить по электронному калькулятору и отразить в отчете.

Избыточное давление измеряется манометром. Наиболее распространены стрелочные манометры мембранного и сильфонного типов.

Другим прибором для измерения избыточного давления является жидкостной манометр (пьезометр), представляющий собой стеклянную вертикальную трубку, одним концом присоединённую к ёмкости с жидкостью. Другой конец соединён с атмосферой. Пьезометр даёт показание избыточного давления, выраженного в метрах столба жидкости, заполняющей пьезометр. Из уравнения (1.2) высота жидкости в пьезометре:

Для определения разности давлений в двух произвольно взятых точках применяют жидкостной дифференциальный (разностный) манометр, который представляет собой U-образную вертикальную трубку, заполненную жидкостью (чаще всего водой или ртутью). Жидкостной дифманометр дает показания разности (перепада) давлений, выраженной в метрах столба налитой в него жидкости.

Механические (пружинные) манометры используют для измерения больших давлений. Они получили наибольшее распространение. Принцип их работы основан на зависимости деформации чувствительного элемента (мембраны, трубчатой пружины, сильфона) от измеряемого давления. Класс точности приборов должен выбираться из ряда: 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. (ГОСТ 2405-88. Манометры, вакуумметры, мановакуумметры: Общие технические условия). Погрешность измерения, как правило, соответствует классу точности в процентах.

Вакуумметры служат для измерения вакуумметрического давления. В качестве вакуумметров на практике применяются обратные пьезометры и механические (пружинные) вакуумметры

Порядок выполнения виртуальной части лабораторной работы №1.

Для начала работы воздушного насоса достаточно нажать кнопку "Пуск" или клавишу "р", остановить его можно в любой момент кнопкой "Стоп" или клавишей "s". Замеры высот столбиков жидкостей в дифференциальных пьезометрах проводятся при помощи горизонтальной линии плоскости АВ и измерительной линейки. И плоскость, и линейка перемещаются по экрану с помощью левой кнопки мыши, кроме того, линейка может перемещаться клавишами со стрелками, расположенными на клавиатуре.

Обратите внимание на размерность делений измерительной линейки - х 2 метра, это означает, что общая длина её составляет 6x2 = 12 метров.

В процессе работы, для повышения точности отсчёта показаний линейки и стрелки манометра Вы свободно можете увеличивать масштаб экрана и перемещать его содержимое при помощи левой кнопки мыши, для этого на любом месте экрана правой кнопкой мыши вызовите соответствующее меню и выберите пункт "Zoom in". Вернуться в обычный режим можно снова вызвав то же меню и выбрав пункт "Show All".

Для повышения точности расчетов опыт следует повторить не мене трёх раз и вывести среднее значение цены деления и плотности. Приводить работу в исходное состояние нужно при помощи кнопки "сброс".

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Схема установки представлена на рис. 1.

С помощью насоса 1 в ограниченном объёме (ресивере) 2 создаётся соответствующее давление, которое фиксируется манометром 3, а также двумя дифференциальными пьезометрами 4, заполненными: левый - водой, правый жидкостью неизвестной плотности.

По манометру 3 устанавливают давление, далее снимают показания дифференциальных пьезометров и манометра. Подставляя эти значения в уравнение (1.3), находим избыточное давление по показаниям пьезометра с водой. Определяем цену деления манометра 3. Используя уравнение 1.3, подставляя в него найденное избыточное давление Ризб, и высоту столба неизвестной жидкости, находим ее плотность ρ.

Плотность воды примем =1000 кг/м3.

Схему установки, результаты расчетов и выводы по виртуальной части работы заносим в отчет о лабораторной работе.

Контрольные вопросы

1. Понятие гидростатического давления в точке и среднего гидростатического давления.
2. Физический смысл гидростатического давления.
3. Свойства гидростатического давления.
4. Основное уравнение гидростатики, его составляющие.
5. Понятие плоскости сравнения.
6. Понятие высоты положения, пьезометрической высоты, гидростатического напора.
7. Геометрический и физический смысл основного уравнения гидростатики.
8. Закон Паскаля и его демонстрация на установке.
9. Принцип работы гидравлического пресса, расчет силы прессования.
10. Понятие абсолютного избыточного, манометрического и вакуумметрического давлений, их предельное значения, графическая интерпретация этих понятий на числовой оси.
11. Жидкостные приборы для измерения давлений.
12. Механические приборы для измерения давлений, их классификация.
13. Класс точности манометров. Определение класса точности манометра.
14. Соотношение между высотой столба жидкости и давлением, которое он создает.
15. Соотношение между единицами давления в технической системе единиц и системе СИ.
16. Устройство лабораторной установки.