Жидкостные приборы для измерения давления

 

Исторически первыми, используемыми для измерения давления, были жидкостные приборы, в основу которых положен принцип уравновешивания измеряемого давления или разности давлений гидростатическим давлением столба жидкости в приборе. Величина измеряемого давления определяется из основного уравнения гидростатики:

                                            

Р_а^абс = Р₀ + gh,  (1.1)

 

где Р_а^абс – абсолютное давление в точке А; Р₀- внешнее давление (над свободной поверхностью); h – высота столба жидкости с плотностью  (между уровнями т. А и свободной поверхностью).

Если точка А и свободная поверхность разделены несколькими столбами (слоями) жидкости с различными плотностями, то абсолютное давление находится суммированием давлений всех i столбов жидкости с внешним давлением

  (1.2)

       1.2.2. Пьезометр

           

       Пьезометр (рис. 1.1.) применяется для измерения превышения давления над атмосферным, т.е. избыточного (манометрического) давления. Пьезометр представляет собой открытую прозрачную (стеклянную) трубку с измерительной шкалой, которая подключается к сосуду в точке, расположенной на одном уровне с точкой искомого давления. Уровень жидкости в пьезометре определяет величину гидростатического напора (h + h₁) (или пьезометрическую высоту):

 

    откуда   (1.3)

где h₁ – поправка на положение прибора, определяемая глубиной точки А от нулевого уровня шкалы прибора.

       При определении давления пьезометром вводится поправка на капиллярность мм, если трубка имеет малый диаметр (обычно d 5 мм), и поправка на температурное расширение (изменение плотности) жидкости.

       Погрешности при измерении связаны обычно с неточным определением плотности, неточностью установки и градуирования шкалы и визуальным снятием показаний.

Рис. 1.1. Пьезометр:

1 – открытая трубка; 2 – сосуд (трубопровод) под давлением; 3 – место измерения давления в произвольно выбранной т. А; 4 – кран для удаления воздуха из трубки; 5 – кран для отключения прибора.

 

       1.2.3. Обратный пьезометр

 

       Вакуум в закрытом сосуде можно измерить с помощью обратного пьезометра (рис. 1.2.), представляющего собой стеклянную трубку, опущенную в открытую емкость с жидкостью. Второй конец трубки присоединен к сосуду. Трубка снабжена шкалой. Жидкость в пьезометрической трубке поднимается на некоторую высоту (ваккуметрическую) h_вак. Уравнение равновесия записывается в виде

(1.4)

откуда

Обратным пьезометром можно также определить избыточное или манометрическое давление в закрытом сосуде (рис. 1.3.)

(1.5)

 

 

Рис. 1.2. Обратный пьезометр при измерении вакуума: 1- пьезометрическая трубка; 2 – сосуд с вакуумом; 3 – кран для отключения прибора; 4 – емкость с жидкостью.

Рис. 1.3. Обратный пьезометр при измерении избыточного давления: 1 - пьезометрическая трубка; 2 – сосуд с избыточным давлением; 3 – кран для отключения прибора; 4 – емкость с жидкостью.

       В качестве рабочей жидкости в обратном пьезометре используется вода, ртуть, трансформаторное масло и т.д.

       Диапазон измерения определяется только плотностью жидкости и длиной пьезометрической трубки.

 

       1.2.4. Чашечные (однотрубные) мановакууметры.

 

       Близки по конструкции к обратному пьезометру чашечные однотрубные мановакууметры (рис. 1.4.). На рис. 1.4а показано применение мановакууметра для измерения избыточного давления, а на рис. 1.4б – вакуума.

       Объем жидкости, вытесненной из чашки, равен объему жидкости, поступившей в измерительную трубку

или (1.6)

где f и F – площади поперечного сечения измерительной трубки и чашки. Если f<<F, то h₁<<h₂.

Рис. 1.4. Чашечный мановакууметр при измерении избыточного давления (а) и вакуума (б):

1 – чашка; 2 – трубка измерительная; 3 – шкала на основании.

 

Если  400, то изменением уровня в чашке пренебрегают и при измерении учитывается только изменение уровня в измерительной трубке.

       Предел измерения прибором с чашкой, заполненной водой, поставляет 160 кПа.

 

       1.2.5. Микроманометры

 

       Для измерения давления и его разности до 3 кПа используются микроманометры, являющиеся однотрубными (чашечными) манометрами со шкалами повышенной точности, заполняемые рабочей жидкостью с относительно малым удельным весом (например, спиртом). На рис. 1.5. показан микроманометр ЛТА = 4 с наклонными измерительной трубкой и шкалой.

       Из условия равенства объемов рабочей жидкости в сосуде 2 и трубке 1 имеем

(1.7)

где h₁ – изменение уровня в широком сосуде; f и F – соответственно площади поперечного сечения трубки и сосуда, а n – длина столба жидкости в трубке.

       Так как

(1.8)

то

(1.9)

Рис. 1.5. Наклонный микроманометр 1- измерительная трубка; 2 – чашка; 3 – шкала с кронштейном; 4 – сектор с фиксированными положениями К = 0,25; 0,5; 0,8; 1,0.

Рис. 1.6. Схема измерения избыточного давления (а) и вакуума (б) наклонным микроманометром.

 

где - угол наклона трубки к горизонту, определяемой положением кронштейна с трубкой на секторе. Изменение h₁ мы не наблюдаем визуально и не вычисляем, причем h₁<< h₂

       Схема работы с наклонным микроманометром при измерении избыточного давления показана на рис. 1.6а, вакуума - 1.6б.

       Если  400, то с достаточной точностью  Этой разности давлений соответствует гидростатический напор в единицах водяного столба

  (1.10)

       Значение коэффициента,  , соотвествующее определенным углам установки наклонной шкалы, иногда указывается на кронштейне прибора, наряду с плотностью рабочей жидкости в приборе. Наклоняя трубку, мы искусственно растягиваем шкалу и за счет этого повышаем точность измерения. Такой прибор служит для измерения в какой - либо точке воздушного потока одновременно трех давлений: полного, статического и динамического. Для этого в нем применяется три измерительных трубки, закрепленные на одной плоскости с тремя шкалами.

           

       1.2.6. Двухтрубные жидкостные манометры (U – образные манометры) и дифманометры

 

       В двухтрубных жидкостных манометрах используется принцип сообщающихся сосудов, в которых уровни рабочей жидкости совпадают при равновесии давлений над ними, а при

 

 

Рис. 1.7. U – образный манометр: 1,2 – стеклянные трубки; 3 – деревянное основание; 4 – шкала на пластине.

неравенстве занимает такое положение, в котором избыточное давление в одном из сосудов уравновешивается гидростатическим давлением избыточного столба жидкости в другом. В группе жидкостных дифманометров уровень рабочей жидкости непосредственно не наблюдается. Изменение уровня вызывает изменение характеристик другого устройства, обеспечивающее непосредственное показание измеренной величины с помощью отсчетного устройства или преобразования и передачу его значения на расстоянии. Схема U – образного манометра показана на рис. 1.7. В трубке 1 – измеряемое давление, трубка 2 сообщается с атмосферой

При измерении разности давлений к обеим трубкам подаются измеряемые давления. Столб жидкости высотой уравновешивает разность давлений. В качестве рабочих жидкостей, чувствительных элементов, используется вода, ртуть, спирт, трансформаторное масло. Диаметр трубок выбирается обычно 8-10 мм для уменьшения влияния капиллярных сил. При наполнении манометра ртутью измеряемой средой могут быть вода, неагрессивные жидкости и газы. Если плотность среды над рабочей жидкостью  cоизмерима с плотностью последней, то перепад давлений определяется как

(1.11)

 

Рис. 1.8. Схемы применения U – образных манометров (а,б) и дифманометров (в,г):

а,б – при измерении избыточного давления и вакуума в газе, соответственно;

в,г - при измерении перепада давлений в потоках газа и жидкости.

 

        Схемы использования U – образных манометров в качестве мановакууметров и дифференциального манометра при измерении, например, перепада давлений на шайбе расходомерного устройства показаны на рис. 1.8.

 

       1.2.7. Барометры

           

Барометры применяются для измерения атмосферного давления. В качестве рабочей жидкости обычно используются ртуть. При вертикальном положении шкалы барометра расчетное соотношение для определения атмосферного давления по показанию прибора имеет вид

 

(1.12)

Где   - давление насыщенных паров ртути в трубке;  - поправка на капиллярность;  - поправка на опускание ртути в чашке; h- высота подъема ртути в трубке; D- диаметр чашки; d- диаметр трубки.

       Шкала барометра обычно градуирована в единицах давления с учетом поправок                     . Первая поправка учитывается смещением нуля шкалы выше относительно уровня в чашке на  , вторая- изменением масштаба шкалы, а именно, увеличением цены ее деления в раза. Барометры обычно снабжают термометрами.

       Погрешности барометра:

· Основная – из-за неточности градуировки шкалы поправка на нее определяется по таблице проверочного свидетельства прибора;

· Дополнительная – из-за несовпадения температуры t при измерениях с температурой t, при которой градуировалась шкала. Поправка учитывает изменение плотности ртути и длины шкалы прибора и равна

 

 

Где В – показания прибора; - линейный коэффициент расширения шкалы; - разность температур при отсчете показаний прибора и при градуировке шкалы; - коэффициент теплового расширения ртути;

· Дополнительная из-за различия в географическом положении места измерения и места градуировки шкалы. Она компенсируется поправкой, учитывающей изменение высоты столбика ртути в результате изменения ускорения свободного падения при изменении географической ширины и равна

где g и g₁ - ускорение свободного падения в месте градуировки шкалы и в месте измерения.

           

       1.2.10 Колокольный дифманометр- расходомер

           

Колокольный дифманометр устроен следующим образом. К чашке 1 присоединена трубка 4 для подачи газовой среды. В чашке находится «Замыкающая жидкость» 3 (ртуть). В жидкости плавает колокол 2. Под колокол подается давление Р₁ через трубку 4. С внешней стороны колокола существует давление Р₂.

       Этот прибор применяется только для измерения разности давлений двух газовых сред с рабочим избыточным давлением до 0,25 МПа, а также как расходомер.

       Разность уровней так называемой «замыкающей» жидкости плотностью , вызываемая перепадом давлений Р₁-Р₂, определяется по высоте положения колокола. В таком дифманометре изменение перепада давлений уравновешивается гидростатически за счет изменения глубины  погружения колокола, определяемого формулой:

 

где F и f – площади днища и сечения стенок колокола. Из уравнений перемещения колокола можно сделать вывод, что и что размер Ф не влияет на показания. Такой дифманометр не имеет отсчетных устройств и работает в комплекте со вторичными приборами, с передачей показаний к ним с помощью электрических и пневматических телеметрических систем. Номинальный перепад давлений находится в интервале от 40 Па до 1 кПа. Для расходомера номинальные перепады давления находятся в интервале от 100 Па до 1000 Па. Класс точности прибора с перепадом давления 250 Па и более составляет 1,0 и 1,5.

Рис. 1.12 Колокольный дифманометр:

1 – чашка; 2- колокол; 3- замыкающая жидкость плотностью ; 4-трубка для подачи газовой среды.