Гідравлічні прилади, що застосовуються для вимірювання тиску, вакууму, перепаду тисків

Визначення показів гідравлічних приладів (тиску, вакууму, перепаду тисків) основується на складанні рівнянь рівноваги частинок рідини в цих приладах (сполучених посудинах) в характерних точках.

Найпростішим приладом для вимірювання тиску або вакууму, вираженого стовпом тієї ж самої рідини, що знаходиться в місткості є п’єзометр.

П’єзометр являє собою тонку скляну вертикальну трубку приєднану до місткості в точці де треба виміряти напір (тиск), а другий кінець трубки відкритий в атмосферу.

З метою визначення величин показів п’єзометра „Н” необхідно скласти рівняння рівноваги рідини для характерної точки (рис. 7). Такою точкою є точка „ А ”, на яку діють тиски з боку місткості (р₁) і з боку п’єзометричної трубки (р₂). Оскільки рідина знаходиться в рівновазі, тиски р₁=р₂ (частинка рідини в точці А врівноважена). Тоді, використовуючи основне рівняння гідростатики, запишемо рівняння рівноваги частинки рідини в точці А

. (30)

Звідки,

, (31)

тобто Н вимірює надлишковий напір (тиск) в точці А.

Для випадку р₀<р_ат (див. рис. 8) вакуум знаходиться з рівняння рівноваги, складеного для точки А. , звідки , м.ст.рід., тобто вакуум над вільною поверхнею рідини визначається розміром z.

z – різниця між глибиною занурення h (точка А) під рівень вільної поверхні в місткості і глибиною занурення цієї точки в п’єзометрі під рівень вільної поверхні в ньому (Н).

Мікроманометри застосовують для замірів невеликих напорів (50-100 мм ст. р.). Також ці прилади можна застосовувати як диференціальні мікроманометри (див. рис. 9а і 9б).

Мікрометри представляють собою (як правило) металеву коробку невеликих розмірів (d = 100 - 150 мм, h = 75 - 100 мм), в яку налита вода, або інша рідина з меншою густиною. В певній точці на коробці приєднана тонка (d ≈ 5 мм) скляна трубка, другий кінець якої відкритий в атмосферу (рис. 9а). Скляна трубка розташована під кутом 15 градусів. Також є конструкції, де кут нахилу (α) можна змінювати. Заміри напору проводять за довжиною l (для більшої точності заміру). Тоді h =l·sin α.

Тут рівняння рівноваги для точки «0» (див. рис. 9а) запишеться

, або , звідки

, м ст.р. (32)

Тобто висота h вимірює надлишковий напір (тиск).

На рис. 9б представлений той же самий мікроманометр, що і на рис. 9а, але на верхньому вільному кінці трубки діє тиск (р’), який менший за р. Тоді рівняння рівноваги для точки «0» запишеться так:

звідки

, м.ст.р. (33)

Тобто, h показує перепад напорів (тисків) , які діють на вільну поверхню рідини в коробці р, а р' – на вільну поверхню рідини в трубці.

Ртутний манометр представляє собою U- подібну трубку, в якій налита ртуть, одним кінцем приєднана до точки в місткості, де необхідно визначити тиск, а другий кінець відкритий в атмосферу (рис.10).

При р>р_ат, в правому коліні стовпчик ртуті підніметься, а в лівому – понизиться.

Напишемо рівняння рівноваги для частинки рідини, що знаходиться в характерній точці «А». Ліворуч і праворуч тиски на цю точку однакові (друга властивість гідростатичного тиску). Тоді

(34)

Як видно з рівняння 34 і рис. 10 висота стовпчиків ртуті (а-А) ліворуч і (б-А) праворуч дорівнюють «z» врівноважені і випадають з рівняння (34). Таким чином в точках а і б тиск однаковий. Тобто р_а=р_б.

Тоді .

Звідки , м рт.ст., (35)

де h – висота між вільними поверхнями ртуті в U подібній трубці, яка вимірює надлишковий тиск повітря над вільною поверхнею в місткості.

Вакуумметр – це рідинній прилад для вимірювання вакууму. Вакуумом в гідравліці називають величину тиску, яка не дістає до атмосферного тиску. Тобто, вакуум існує там, де абсолютний тиск менший атмосферного.

Рідинний вакуумметр представляє собою U- подібну скляну трубку діаметром біля 5 мм, яка одним кінцем приєднана до місткості де є вакуум, а другий кінець відкритий в атмосферу (див. рис. 11). Оскільки р<р_ат, то в лівому коліні трубки рівень вільної поверхні ртуті буде вищий за рівень у правому коліні.

Як відомо з попереднього, тиски в точці а і б однакові (р_а= р_б), тобто рівняння рівноваги для ціх точок буде мати такий вигляд:

Рис. 11

звідки

, м.рт.ст.,

де (р_ат -р) – величина, що не дістає до атмосферного тиску, тобто – вакуум.

Тоді , м рт.ст. (36)

Диференціальний манометр служить для вимірювання різниці тисків в будь - яких місткостях або з різних боків витратомірної діафрагми та ін. і представляє собою U- подібну скляну трубку, яка приєднана своїми кінцями до різних місткостей, або перед і за витратомірною діафрагмою (рис.12).

Розглянемо рух рідини в трубі, в якій встановлена витратомірна діафрагма.

Витратомірна діафрагма представляє собою тонкий сталевий диск, виконаний за ГОСТом, з отвором всередині, діаметр якого d менший за діаметр труби D. Потік рідини на підході до діафрагми звужується і протискається крізь отвір діафрагми. Далі знову потік розширюється з діаметра d до діаметра (D). При цьому тиск р₁ до діафрагми знижується до р₂ після діафрагми. Диференціальний манометр приєднується одним кінцем до точки 1 в трубі до діафрагми де тиск (р₁), а другим – до точки 2 в трубі після діафрагми, де тиск р₂. В U- подібній трубці знаходиться ртуть, вільні поверхні якої розташуються певним чином: вільна поверхня ртуті в лівому коліні буде нижча ніж вільна поверхня в правому коліні трубки, так як р₁>р₂. Різниця між цими вільними поверхнями ртуті Δz буде залежати від р₁ і р₂, які в свою чергу, залежать від витрати рідини Q в трубі. Тобто у даному прикладі за величиною Δz визначають витрату рідини в трубі. Тому ця діафрагма називається витратомірною.

Далі, запишемо рівняння рівноваги частинок рідини, що знаходяться в одній горизонтальній площині, проведеної через нижню вільну поверхню ртуті в лівому коліні.