Жидкостные приборы для измерения давления

.

Вакуумом (вакуумметрическим давлением) называется разность между атмосферным и абсолютным давлением, характеризующая недостаток давления до окружающего атмосферного:

.

Для измерения давления применяют различные приборы, которые можно подразделить на две основные группы: жидкостные и механические.

Простейшим прибором является пьезометр, измеряющий давление в жидкости высотой столба той же жидкости. Он представляет собой стеклянную трубку, открытую с одного конца (трубка на рис. 14а). Пьезометр – очень чувствительный и точный прибор, однако он удобен только при измерении небольших давлений, в противном случае трубка получается очень длинной, что осложняет его применение.

в) дифференциальный манометр

Рисунок 14 – Жидкостные приборы для измерения давления

Для уменьшения длины измерительной трубки применяют приборы с жидкостью большей плотностью (например, ртутью). Ртутный манометр представляет собой У-образную трубку, изогнутое колено которого заполняется ртутью (рис. 14б). Под действием давления в сосуде уровень ртути в левом колене манометра понижается, а в правом – повышается.

Дифференциальный манометр применяют в тех случаях, когда необходимо измерить не давление в сосуде, а разность давлений в двух сосудах или в двух точках одного сосуда (рис. 14 в).

Применение жидкостных приборов ограничивается областью сравнительно небольших давлений. Если необходимо измерять высокие давления, применяют приборы второго типа -механические.

Пружинный манометр является наиболее распространенным из механических приборов. Он состоит (рис.15а) из полой тонкостенной изогнутой латунной или стальной трубки (пружины) 1, один конец которой запаян и соединен приводным устройством 2 с зубчатым механизмом 3. На оси зубчатого механизма располагается стрелка 4. Второй конец трубки открыт и соединен с сосудом, в котором замеряется давление. Под действием давления пружина деформируется (распрямляется) и через приводное устройство приводит в действие стрелку, по отклонению которой определяют значение давления по шкале 5.

а) пружинный манометр б) мембранный манометр

Рисунок 15 – Механические приборы для измерения давления.

Мембранные манометры также относятся к механическим (рис. 15б). В них вместо пружины устанавливается тонкая пластина-мембрана 1 (металлическая или из прорезиненной материи). Деформация мембраны посредством приводного устройства передается стрелке, указывающей значение давления.

Механические манометры имеют по сравнению с жидкостными некоторые преимущества: портативность, универсальность, простоту устройства и эксплуатации, большой диапазон измеряемых давлений.

Для измерения давлений меньше атмосферного применяют жидкостные и механические вакуумметры, принцип работы которых тот же, что и у манометров.

По принципу действия приборы для измерения давлений по ГОСТ 15115-69 подразделяются на следующие основные группы:

жидкостные- в которых измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости соответствующей высоты;

деформационные – в которых измеряемое давление определяется по величине деформации различных упругих чувствительных элементов или по развиваемой ими силе;

грузопоршневые – в которых измеряемое или воспроизводимое давление уравновешивается давлением, создаваемым массой поршня и грузов;

электрические – действие которых основано на зависимости электрических параметров манометрического преобразователя от измеряемого давления.

Иногда для измерения давлений применяют радиоизотопные методы измерения, чаще используемые при измерениях уровней или плотностей.

По наименованию различают следующие основные устройства (приборы) для измерения давления:

манометры – устройства для измерения давления или разности давлений (общее наименование);

барометры – для измерения барометрического (абсолютного) давления атмосферного воздуха;

манометры избыточного давления – для измерения избыточного давления (выше атмосферного – барометрического), равного разности между абсолютным и барометрическим (атмосферным) давлением;

вакуумметры – для измерения вакуумметрического давления (ниже атмосферного), равного разности между барометрическим и абсолютным давлением или для измерения абсолютного давления ниже 100 кгс/м?;

мановакуумметры – для измерения избыточного и вакуумметрического давлений;

дифференциальные манометры – для измерения разности двух давлений (в пределах, по ГОСТ 3720-66, до 6,3 кгс/см?), ни одно из которых не является давлением окружающей среды.

Манометры, вакуумметры и дифференциальные манометры, предназначаемые для измерений небольших избыточных и вакуумметрических давлений или разности давлений (до 4000 мм вод. ст.) газовых сред, называют напоромерами, тягомерами или дифференциальными тягонапоромерами.

Стеклянные жидкостные приборы широко применяются в лабораториях и в промышленности при эпизодических измерениях. Как стационарные приборы в промышленности они используются редко.

Приборы U-образные (двухтрубные) и чашечные (однотрубные) относятся к группе жидкостных приборов с видимым уровнем. Они применяются в качестве манометров (напоромеров) для измерения избыточного давления воздуха и неагрессивных газов до 700 мм вод. ст. (7000 Па) и 735 мм рт. ст. (0,1 МПа), тягомеров для измерения разрежения газовых сред до 700 мм вод. ст. (7000 Па), вакуумметров для измерения вакуума (разрежения) до 760 мм рт. ст. (0,101 МПа) и дифференциальных манометров для измерения разности давлений неагрессивных газов, находящихся под давлением, близким к атмосферному, до 700 мм вод. ст. (7000 Па) и неагрессивных жидкостей, газов и паров, находящихся под давлением более 1 кгс/см? (0,1 МПа), до 700 мм рт. ст. (0,09 МПа).

Приборы U-образные и чашечные используются в промышленности как местные приборы, т.е. они устанавливаются на площадках обслуживания или на отдельных элементах технологического оборудования. Приборы этого типа применяют в качестве контрольных и образцовых манометров и вакуумметров для поверки рабочих приборов, рассчитанных на те же диапазоны измерения давления, разрежения или разности давлений.

На рис. 3.1 показана схема U-образного (двухтрубного) манометра. Он состоит из U-образной стеклянной трубки, заполняемой примерно до половины своей высоты рабочей жидкостью, и шкалы, позволяющей производить отсчет уровней в обоих коленах. Измеряемое давление, разрежение или разность давлений уравновешивается и измеряется столбом h рабочей жидкости, определяемым как сумма столбов ht и h2 в обоих коленах. При этом устраняется погрешность из-за некоторого возможного различия сечений обоих колен U-образной трубки.

В качестве рабочей жидкости обычно применяют воду или ртуть, а иногда и другие жидкости. Внутренний диаметр стеклянной трубки для изготовления U-образного прибора должен быть не менее 8-10 мм и по возможности одинаков по всей ее длине. При малом диаметре трубки капиллярные свойства воды не позволяют применять ее в качестве рабочей жидкости в приборах этого типа. В этом случае в качестве рабочей жидкости рекомендуется применять спирт.

При применении U-образный манометр должен устанавливаться вертикально по отвесу.

Для измерения избыточного давления в объекте правое колено трубки прибора соединяют с объектом, а левое оставляют открытым (сообщенным с атмосферой); при измерении разрежения – левое колено прибора соединяют с объектом, а правое – оставляют открытым. При измерении разности давлений большее давление подводится к правому, а меньшее – к левому колену трубки прибора.

Если отсчет высоты столба h рабочей жидкости по U-образному прибору производят невооруженным глазом, то при цене деления шкалы в 1 мм при отсчете в двух коленах пределы допускаемой основной погрешности измерения давления, разрежения или разности давлений не превышают ± 2 мм столба рабочей жидкости (при этом учитывается и погрешность самой шкалы). Значения плотности рабочих жидкостей, наиболее часто применяемых в этих приборах (вода, ртуть), могут быть взяты из таблиц с погрешностью, не превышающей 0,005%. При этом необходимо быть уверенным в чистоте взятых жидкостей. Таким образом, практически погрешность определения плотности рабочей жидкости настолько мала, что на точность измерения она влиять не может и относительная погрешность при измерении давления, разрежения или разности давлений U-образным прибором зависит в основном от высоты столба рабочей жидкости и точности его отсчета.

Для увеличения точности отсчета высоты столба рабочей жидкости U-образные приборы повышенной точности и образцовые снабжают зеркальной шкалой. Для приборов такого типа пределы допускаемой основной погрешности показаний не превышают ±1 мм столба рабочей жидкости.

Чашечный (однотрубный) манометр, показанный на рис. 3.2, состоит из цилиндрического сосуда и сообщающейся с ним измерительной стеклянной трубки. При этом площадь сечения сосуда значительно больше, чем измерительной трубки. Рабочую жидкость (воду, ртуть или другую Жидкость) заливают в широкий сосуд настолько, чтобы уровень. ее в измерительной трубке находился против нулевой отметки шкалы. При измерении давления в объекте его соединяют с помощью трубки с сосудом прибора, а при измерении разрежения – с измерительной трубкой. При измерении разности давлений большее давление подается в сосуд, а меньшее – в измерительную трубку.

Основным достоинством чашечного прибора перед U-образным является то, что он позволяет производить только один отсчет. В этом случае при цене деления шкалы в 1 мм отсчет высоты столба в измерительной трубке может быть произведен с погрешностью, не превышающей ±1 мм столба рабочей жидкости. Так как при измерении давления, разрежения или разности давлений однотрубным прибором уровень жидкости в широком сосуде понижается, то необходимо вводить поправку в его показания или предварительно градуировать прибор в единицах давления с учетом этой поправки. Погрешностями самой шкалы и определения плотности рабочей жидкости можно пренебречь.

При измерении малых давлений, разрежений или разностей давлений, выражающихся высотой столба рабочей жидкости в не сколько десятков миллиметров, U-образные и чашечные приборы заменяют более точными приборами, называемыми микроманометрами.

Микроманометры являются переносными приборами, их применяют в лабораторной практике и в промышленных условиях при проведении испытаний теплосиловых и других установок для измерения малых давлений, разрежений или разностей давлений воздуха и неагрессивных газов. Приборы этого типа в зависимости от их назначения подразделяются на рабочие и образцовые микроманометры. Рабочие микроманометры в свою очередь подразделяются на приборы технические и повышенной точности.

На рис. 3.3 показана схема микроманометра с наклонной стеклянной измерительной трубкой. Наклон измерительной трубки в этом приборе сделан с целью уменьшения погрешности измерений. В качестве рабочей жидкости в микроманометрах этого типа применяют этиловый спирт, который заливают в широкий сосуд настолько, чтобы уровень его в наклонной трубке находился против нулевой отметки шкалы. Длина шкалы у микроманометров с наклонной трубкой выполняется обычно равной 250 мм.

При измерении давления в каком-либо объекте к нему присоединяют с помощью трубки широкий сосуд прибора, а при измерении разрежения – наклонную трубку. В случае измерения разности давлений большее давление подается в сосуд, а меньшее – в измерительную трубку.

Пусть под действием измеряемого давления, разрежения или разности давлений воздуха уровень жидкости в трубке, наклоненной на угол а к горизонтальной плоскости, поднимется по вертикали на высоту h1, в широком сосуде опустится на h2, тогда разность высот уровней рабочей жидкости в приборе, уравновешивающая измеряемую величину, будет равна:

где n – длина столба жидкости в наклонной трубке.

Давление можно определить как:

где с – плотность рабочей жидкости;

g – ускорение свободного падения тела;

S₁ – площадь сечения наклонной трубки;

S₂ – площадь сечения сосуда.

По схеме, показанной на рис. 3.4, выполняют микроманометры с переменным углом наклона измерительной трубки. Благодаря этому прибор может иметь несколько диапазонов измерения В качестве примера рассмотрим устройство микроманометра типа ММН с пятью диапазонами измерения (0-50, 0-75, 0-100, 0-150 и 0-200 кгс/м?). Схема этого прибора представлена на рис. 9-2-2. Прибор состоит из широкого сосуда 7, измерительной трубки /, закрепленной на поворотном кронштейне, и приспособления 8 для фиксации угла наклона а измерительной трубки. Сосуд и все другие детали прибора укреплены на общем основании 4. Микроманометр имеет шкалу 0-250 кгс/м?. Прибор снабжен двумя уровнями 3 с цилиндрическими ампулами. Для установки прибора по уровням служат два винта (2 и 5). Для установки в измерительной трубке уровня жидкости против нулевой отметки шкалы служит вытеснитель 6.

Схема микроманометра типа ММН

Для изменения диапазона измерения кронштейн с измерительной трубкой может быть установлен под пятью различными фиксированными углами наклона к горизонтальной плоскости. Каждому фиксированному углу наклона измерительной трубки, а следовательно, и заданному диапазону измерения соответствует определенное значение постоянной прибора.

Для фиксации кронштейна с измерительной трубкой при заданном значении постоянной прибора служит установочная дуга 8 с отверстиями. Кронштейн соединяется с дугой в нужном рабочем положении с помощью конического штифта, который на схеме прибора не показан. Значения постоянных микроманометра (0,2; 0,3; 0,4; 0,6 и 0,8) для указанных выше пяти диапазонов измерения и при заполнении его этиловым спиртом плотностью 0,8095 г./см? обозначены против отверстий на установочной дуге. Приборы этого типа выпускаются классов точности 0,5 и 1.

Для более точного измерения малых давлений, разрежений или разностей давлений применяют микроманометры, снабженные оптическим устройством и двумя шкалами или нониусом, и микроманометры компенсационного типа.