Архив рубрики: ЖИДКОСТНЫЕ МАНОМЕТРЫ

2.4. Жидкостно-поршневые манометры

Добавить комментарий

Очень часто к жидкостным манометрам относят приборы, измери­тельная система которых хотя и содержит в качестве одного из элемен­тов жидкость, но по принципу действия в корне отличается от жидкост­ных манометров. К таким приборам относится дифференциальный мано­метр типа „кольцевые весы" (рис. 12), состоящий из тороидального кор­пуса 1, внутренняя полость которого в верхней части разделена перего­родкой 2, а нижняя часть до половины заполнена жидкостью 4. Таким образом, корпус имеет две измерительные камеры А и Б, в которые че­рез гибкие шланги подаются измеряемые давления Р\ и рг- Корпус мо­жет поворачиваться относительно опоры 3, расположенной в его геомет­рическом центре. К нижней части корпуса прикреплен противовес 5.

При равенстве давлений в камерах Л и Б корпус прибора располага­ется в соответствии с рис. 12, а. Если одно из давлений больше другого, например, р\ ~> Рг, то под действием разности давлений Ар — Pi ~ Рг, воздействующей на перегородку, корпус повернется на определенный угол а, а уровни жидкости внутри корпуса займут положения, соответ­ствующие рис. 12, б. При этом уравнения равновесия измерительной сис­темы принимают вид

Ар • F • /?i = m • g • R2 • sin a, 1   (2 23)

Ap=H-p-g,        f

2.4. Жидкостно-поршневые манометры

J

 тд

Рис. 12. Дифференциальный манометр типа „Кольцевые весы"

где F — площадь перегородки (внутренняя площадь поперечного сечения тороида); R\ — средний радиус тороида; Л 2 — расстояние от оси враще­ния до центра тяжести противовеса; т — масса противовеса; g — ускоре­ние свободного падения; а — угол поворота корпуса.

Принимая во внимание, что на стенки корпуса давление действует перпендикулярно к поверхности, т. е. вызываемые этим силы направле­ны к оси вращения корпуса и не могут создать момента вращения, урав­нение измерений принимает вид

sin a.

(2.24)

Таким образом, давление определяется массой противовеса, геомет­рическими параметрами прибора и углом поворота корпуса, а роль за­полняющей измерительную систему жидкости сводится к созданию жид­костного затвора между камерами А и Б. Поэтому по виду первичного преобразования — давления в силу, действующую на перегородку, — прибор аналогичен поршневым манометрам.

Еще в большей мере сказанное относится к колокольным маномет рам, применяемым в качестве образцовых и эталонных приборов. Основ­ные элементы измерительной системы манометра (рис. 13) : наполовину заполненный водой сосуд 5, цилиндрический колокол 3, подвеска 2 с чашкой б для наложения грузов 7, рычаг 1 весового компаратора с ука­зателем положения равновесия 8 и подвески 9 с тарировочным грузом 10. Измеряемое давление подводится под колокол трубкой 4.

Измерительной камерой прибора является внутренняя полость коло­кола, ограниченная дном и внутренней поверхностью цилиндрической

2.4. Жидкостно-поршневые манометры

Рис. 13. Измерительная система манометра

части колокола и свободной поверхностью жидкости в его нижней части. При проведении измерений камера предварительно сообщается с атмо­сферным давлением и вес частично погруженного в жидкость колокола уравновешивается тарировочным грузом 10. Тогда при подаче в камеру измеряемого давления для сохранения положения равновесия на чашку б необходимо наложить грузы 7, вес которых и является мерой измеря­емого давления. При этом давление в камере будет уравновешиваться противодавлением столба жидкости в кольцевом зазоре между наруж­ной поверхностью колокола и внутренней поверхностью сосуда 5. Таким образом, роль жидкости так же, как и в вышеописанном приборе, огра­ничивается созданием жидкостного затвора для удержания давления в измерительной камере, так как составляющими сил давления на боко­вую поверхность колокола в вертикальном направлении при условии со­блюдения технологии его изготовления можно пренебречь. Уравнение измерений колокольного манометра имеет вид

=    т’ 8 F

(2.25)

где ри — избыточное давление внутри камеры; т — масса грузов, необ­ходимая для уравновешивания давления; g — ускорение свободного па­дения; F — площадь дна колокола; рв и р — плотность воздуха и мате­риала грузов, соответственно.

Уравнение (2.25) по своей структуре полностью соответствует урав­нению измерений грузопоршневых манометров. Указанное нашло отра­жение в наименовании рассматриваемой группы приборов — „жидкост-но-поршневые манометры". С другой стороны, согласно (2.25) коло­кольный манометр может быть аттестован поэлементным фундаменталь­ным методом. Поэтому в нашей стране и за рубежом на их основе созда­ны государственные эталоны в области микроманометрии, которые ат­тестуются по результатам измерения массы, ускорения и площади, т. е. в конечном итоге сводятся к единицам основных физических величин — массе, длине, времени.

Контрольный вопрос № 3

Влияют ли изменения плотности затворной жидкости, за-»  полняющей манометр типа „кольцевые весы", на их показания при измерении давления?

Если „да" — см. с. 39. если „нет" — см. с. 41.

2.3. Конструктивные особенности жидкостных манометров

Добавить комментарий

В зависимости от вида измеряемого давления, диапазона и точности измерений существенно отличаются конструкции жидкостных маномет­ров. К числу простейших жидкостных манометров относятся U-образ-ные манометры, выпускаемые в нашей стране по ГОСТ 9933—75.

Двухтрубный мановакуумметр типа MB (рис. 8) состоит из стеклян­ной U-образной трубки 2, закрепленной на основании 1- скобами 3 и 6. Уровни жидкости 5 (дистиллированная вода или ртуть) отсчитываются по шкале 4, отградуированной в мм. При отсутствии разности давлений в обеих трубках уровни жидкости располагаются вблизи нулевой отмет­ки. Высота столба жидкости, соответствующая измеряемому давлению по формуле (1.6), определяется по отсчетам положения уровней в труб­ках по шкале. Манометр достаточно универсален и позволяет измерять как положительное и отрицательное избыточные давления, так и раз­ность давлений. Мановакуумметры типа MB при их заполнении водой вы­пускаются на диапазоны измерений от 0-10 гПа (0—100 мм вод. ст.) до 0—100 гПа (0—1000 мм вод. ст.). Погрешность измерений при температу­ре (20±5) °С составляет ±0,2 гПа (±2 мм
вод. ст.).

В двухтрубном манометре абсолютного давления типа AM Хрис- 9) в отличие от предыдущего левое колено стеклянной трубки б запаяно, а правое стеклянным краном 4 подключается к ниппелям 5 для соедине-

2.3. Конструктивные особенности жидкостных манометров

 

Рис. 8. Двухтрубный ма­нометр типа MB

Рис. 9. Двухтрубный манометр типа AM

ния с откачивающим устройством и измеряемым абсолютным давлением. Стеклянная трубка, заполненная ртутью 3, с краном и присоединитель­ными ниппелями скобами 2 закреплена на основании 1, а шкала 7 смон­тирована на держателе 8, который может смещаться относительно осно­вания при регулировке нулевого положения. U-образная трубка перед за­полнением ртутью откачивается, что обеспечивает в ее запаянном конце достаточно полный вакуум. Манометры типа AM выпускаются с диапазо­нами измерений 0-130 гПа (0-100 мм
рт.ст.) и 0-210 гПа (0-160 мм
ртхт.) при погрешности измерений ±2 гПа (± 1,5 мм рт. ст.).

При измерении атмосферного давления требования к точности изме­рений существенно повышаются. Для указанных целей в нашей стране Клинским ПО „Термоприбор" серийно выпускаются контрольный ртут­ный барометр типа КР, инспекторский ртутный барометр типа ИР, стан­ционные ртутные барометры типа СР-А и СР-Б и ртутные манометры аб-

солютного давления типа МБП и МЧР-3, которые нашли широкое приме­нение в метеорологической службе, в авиационной технике, при проведе-ниигеологоразведочных и геофизических работ.

Контрольный ртутный барометр типа КР — модификация U-образно-го манометра, в которой для регулирования уровня ртути в трубках ис­пользуется заполненный ртутью резервуар (чашка). Данный тип жид­костных приборов называют сифонно-чашечными манометрами, хотя наименование „чашечный" имеет чисто условный характер, так как ре­зервуар заполнен ртутью полностью и в нем отсутствует свободная по­верхность ртути.

2.3. Конструктивные особенности жидкостных манометров

Прибор (рис. 10) состоит из двух соосных стеклянных трубок 1 и 7, разделенных друг от друга стеклянной перегородкой. Трубка 1, соеди­ненная с чашкой 8 с помощью капилляра 4, откачана; _ труб­ка 10, непосредственно соеди­ненная с чашкой,, имеет в верхней части ниппель 5 для сообщения с атмосферным давлением. Стеклянные труб­ки защищены метачлической оправой с продольными про­резями для наблюдения ме­нисков ртути, на которой нанесена шкала. Во время измерений мениск ртути в нижней короткой трубке вин­том 10 нажимающего на дно лайкового мешочка 9 чашки, устанавливается на нулевой отметке шкалы по нулевому индексу 6. Положение относи­тельно шкалы мениска ртути в запаянной верхней трубке, являющееся мерой атмосфер­ного давления, определяется нониусом 2, закрепленным на подвижной муфте 3. Баро­метр предназначен для повер­ки инспекторских и станцион­ных барометров.

Инспекторский ртутный
барометр типа ИР состоит из
двух параллельных стеклян­
ных трубок, сообщенных ниж­
ними концами с заполненным
ртутью резервуаром (чаш­
кой), который предназначен
Рис. 10. Сифонно-чашечный прибор  для совмещения уровня ртути

в открытой трубке с нулевой отметкой шкалы. Благодаря наличию вто­рого нулевого индекса, инспекторский барометр имеет более широкий диапазон измерений, чем контрольный. Барометр предназначен для по­верки рабочих барометрических приборов.

В ртутном манометре абсолютного давления, который также явля­ется U-образным манометром, в отличие от предыдущего нулевая отмет­ка расположена в "верхней части запаянной откачанной трубки, а отсчет по ■ шкале производится сверху вниз. При измерениях мениск ртути в запаянной трубке совмещается с нулевой отметкой шкалы перемеще­нием в вертикальном направлении заполненного ртутью резервуара, со­единенного с трубками шлангом. Положение мениска ртути в трубке, сообщенной с измеряемым абсолютным давлением, отсчитывается ви­зирным кольцом и нониусом. Манометр предназначендля поверки рабо­чих метеорологических приборов.

Станционные ртутные барометры типов СР-А и СР-Б по принципу действия являются чашечными (см. рис. 4, б) и отличаются друг от друга лишь диапазонами измерений. Барометр СР-А предназначен для поверки апероидных барометров и барографов, а также для измерения атмосфер­ного давления на равнинных метеорологических станциях, в то время как барометр СР-Б — на горных метеорологических станциях (высота от уровня моря до 2000 м). В отличие от вышеуказанных приборов при из­мерениях атмосферного давления барометрами СР требуется людь один отсчет.

Ртутные манометры абсолютного давления типа МЧР-3 также отно­сятся к чашечным манометрам и предназначены для поверки барометри­ческих высотомеров и других авиационных приборов. Для повышения производительности поверочных работ приборы снабжены пятью ви­зирными кольцами, которые фиксируются на требуемых отметках шка­лы. При проведении поверки давление регулируется так, чтобы мениск ртути в трубке последовательно совмещался с нижней кромкой визир­ных колец, т. е. манометр МЧР-3 предназначен для работы в режиме за-датчика давления.

Технические характеристики приборов данной группы приведены в табл. 6. •

Таблица 6

 

 

 

 

Прибор

Диапазон измере­ний, гПа

По­греш­ность, гПа

1

Цена деления, гПа

Габаритные размеры, мм и масса, кг

 

шка­лы

нониу­са

Барометр типа КР

950-1090

±0,2

1

0,05

ф 56X1150 5

Барометр типа ИР

650-1070

±0,3

1

0,05

54X1076 4

Барометр типа СР-А

810-1070

±0,5

1

0,10

70X920 3

Продолжение

 

 

Прибор

Диапазон

измере­ний, гПа

По­греш­ность, гПа

Цена деления, гПа

Габаритные размеры, мм и масса, кг

шка­пы

ноняу-

са

Барометр типа СР-Б

680-1070

±0,5

1

0,10

70X920 3

Манометр абсолютного дав­ления типа МБП

2-1070

±0,5

1

0,05

140X285X1310 12,5

Манометр абсолютного дав­ления типа МЧР-3

5-1070

±1,0

1

0,10

—

В показаниях указанных выше приборов вводятся поправки на (см. разд. 2.2): неточности изготовления приборов и градуировки шкалы (инструментальная поправка); отклонение местного ускорения свобод­ного падения от нормального (9,80665 м/с); отклонение температуры шкалы и ртути от их нормальных значений (20 и 0°С соответственно).

Ртутные барометры и манометры предназначены для работы в за­крытых помещениях при температуре окружающего воздуха от 10 до 40°С при относительной влажности 80 %. Приборы должны быть защище­ны от прямого воздействия солнечных лучей и не располагаться вблизи источников тепла.

При дальнейшем увеличении точности измерений должны быть по­вышены точность отсчета уровней жидкости и сведены к минимуму ка­пиллярные погрешности. Последнее легко достигается в двухчашечных манометрах, в которых за счет достаточно большого внутреннего диамет­ра чашек капиллярные погрешности практически исключены.

Наиболее распространенным манометром данного типа является компенсационный жидкостный микроманометр типа МКВ-250. Прибор (рис. 11) состоит из двух заполненных наполовину дистиллированной водой чашек 3 к 8, сообщающихся между собой посредством резиновой трубки 5. Чашка 3, выполненная в виде цилиндра с горизонтально распо­ложенной осью, жестко закреплена относительно корпуса 6 прибора с прорезью 10. Чашка 8, представляющая собой цилиндрический сосуд с вертикальной осью, через которую проходит микрометрический винт 9, перемещается по высоте при вращении микрометрического винта с по­мощью головки 13.

Принцип действия микроманометра заключается в следующем. При равенстве давлений воздуха в обеих чашках по закону сообщающихся сосудов уровни свободных поверхностей воды в чашках располагаются в одной горизонтальной плоскости. В этом положении уровень воды в чашке 3 смещением чашки в вертикальном направлении устанавливается так, чтобы просвет между острием конуса 4 и его видимым отражением от внутренней поверхности воды был минимально возможным (на глаз).

2.3. Конструктивные особенности жидкостных манометровВзаимное расположение ко­нуса и его отражение на­блюдаются в наклонное зеркало и линзу, закреп­ленных на торце чашки 3. Одновременно указатель, смонтированный на штуце­ре чашки 8, совмещаемся с нулевой отметкой основ­ной шкалы 1.

 

Рис.  11. Компенсационный жидкостный микро­манометр типа МКВ-20

Если после этого в чаш­ку 3 через штуцер 2 будет подано избыточное давле­ние Pi, большее чем давле­ние р2 в чашке 8, то уро­вень воды в чашке 3 опус­тится, и при этом конус 4 и его отражение сольются. Для достижения прежнего положения уровня чашка 8 вращением микрометри­ческого винта поднимается вверх до тех пор, пока столб воды не уравновесит разность давлений pi — р2. Высота столба воды опре­деляется отсчетами: по по­ложению указателя 7 отно­сительно основной шкалы 1 и взаимному расположе­нию указателя 11 и дополнительной круговой шкалы 12, цена деления которой равна одной сотой цены деления основной шкалы (за один обо­рот микрометрического винта чашка смещается на 1 мм). Прибор позво­ляет измерять как положительную, так и отрицательную разность давле­ний и избыточное давление.

Технические характеристики микроманометра МКВ-250: диапазон измерений 0-2500 Па (0-250 мм вод.ст.); класс точности 0,02; погреш­ность измерений 0,5 Па (0,05 мм вод.ст.); габаритные размеры ф 150X300 мм; масса 3 кг.

На том же принципе двухчашечного манометра основан образцовый компенсационный микроманометр (типа МКМ) 1-го разряда, в котором в отличие от предыдущего с целью повьппения точности измерений высо­та столба воды определяется концевыми мерами длины и стрелочным индикатором часового типа, что позволяет исключить погрешности изго­товления микрометрического винта. Микроманометр позволяет изме­рять разность давлений в диапазоне 100-4000 Па (10-400 мм вод.ст.) с погрешностью, не превышающей ±0,2 Па (0,02 мм вод.ст.). Еще более

высокая точность измерении достигнута в эталонных микроманометрах данного типа.

Помимо указанного, двухчашечные манометры нашли применение в качестве портативных переносных приборов. Так, серийно выпускает­ся переносной мановакуумметр типа ППР-2М, предназначенный для по­верки дифманометров — расходомеров, манометров, вакуумметров, тя­гомеров и напоромеров. Прибор содержит две пары соединенных дюрри-товыми шлангами чашек, одна из которых заполнена водой, а другая ртутью. Неподвижные чашки смонтированы на основании прибора, а одна из подвижных, в зависимости от требуемого диапазона измерений — на каретке с нониусом, перемещающейся вдоль металлической шкалы. Уровень жидкости в подвижной чашке фиксируется конусным наконеч­ником микрометрического винта, что позволяет определять отклонения высоты столба жидкости от целых делений шкалы, т. е. по способу отсче­та прибор близок микроманометру МКВ. Шкала прибора выполнена разборной, что делает возможной его транспортировку в двух компакт­ных футлярах.

Прибор ППР-2М имеет следующие технические характеристики: диа­пазон измерений 0—1,33 • 103 гПа для ртути, 0—98 гПа для воды или от 0 до 1000 мм столба жидкости; относительная погрешность измерений 0,3 %; габаритные размеры прибора в собранном виде 250X200X1135; масса не более 9 кг.

2.1. Основные типы жидкостных манометров и принципы их действия

Добавить комментарий

Принцип действия жидкостных манометров можно проиллюстриро­вать на примере U-образного жидкостного манометра (рис. 4, а), состоя­щего из двух соединенных между собой вертикальных трубок 1 и 2,

2.1. Основные типы жидкостных манометров и принципы их действия

п                 (Г

Рис. 4. Основные типы жидкостных манометров

наполовину заполненных жидкостью. В соответствии с законами гидро­статики при равенстве давлений pi ир2 свободные поверхности жидкос­ти (мениски) в обеих трубках установятся на уровне I—I. Если одно из давлений превышает другое (pi > p2), то разность давлений вызовет опускание уровня жидкости в трубке 1 и, соответственно, подъем в труб­ке 2, вплоть до достижения состояния равновесия. При этом на уровне II—П уравнение равновесия примет вид

Др=р, -р2=#- р —g,                (2.1)

т. е. разность давлений определяется давлением столба жидкости высо­той Н с плотностью р.

Уравнение (1.6) с точки зрения измерения давления является фун­даментальным, так как давление, в конечном итоге, определяется основ­ными физическими величинами — массой, длиной и временем. Это урав­нение справедливо для всех без исключения типов жидкостных маномет­ров. Отсюда следует определение, что жидкостный манометр — мано­метр, в котором измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, образующегося под действием этого давления. Важно подчеркнуть, что мерой давления в жидкостных манометрах является

высота стол а жидкости, менно это обстоятельство привело к появле­нию единиц измерений давления мм вод. ст., мм рт. ст. и других которые естественным образом вытекают из принципа действия жид­костных манометров.

Чашечный жидкостный манометр (рис. 4, б) состоит из соединенных между собой чашки 1 и вертикальной трубки 2, причем площадь попереч­ного сечения чашки существенно больше, чем трубки. Поэтому под воз­действием разности давлений Ар изменение уровня жидкости в чашке гораздо меньше, чем подъем уровня жидкости в трубке: Hi = H2 • f/F, где Их — изменение уровня жидкости в чашке; Н2 — изменение уровня жидкости в трубке; / — площадь сечения трубки; F — площадь сечения чашки.

Отсюда высота столба жидкости, уравновешивающей измеряемое давление Н — Hi + #2
= #2 (1 + f/F), а измеряемая разность давлений

р, — р2 = #2 ‘ Р • #(1 +//*) —       (2-2)

Поэтому при известном коэффициенте к = Г + f/F разность давлений может быть определена по изменению уровня жидкости в одной трубке, что упрощает процесс измерений.

Двухчашечный манометр (рис. 4, в) состоит из двух соединенных при помощи гибкого шланга чашек 1 и 2, одна из которых жестко за­креплена, а вторая может перемещаться в вертикальном направлении. При равенстве давлений pi и р2 чашки, а следовательно, свободные по­верхности жидкости находятся на одном уровне I—I. Если Pi > р2, то чашка 2 поднимается вплоть до достижения равновесия в соответствии с уравнением (2.1).

Единство принципа действия жидкостных манометров всех типов обусловливает их универсальность с точки зрения возможности изме­рения давления любого вида — абсолютного и избыточного и разности давлений.

Абсолютное давление будет измерено, если р2
= 0, т. е. когда прос­транство над уровнем жидкости в трубке 2 откачано. Тогда столб жид­кости в манометре будет уравновешивать абсолютное давление в трубке 4т.е.рабс=Я*р —g.

При измерении избыточного давления одна из трубок сообщается с атмосферным давлением, например, р2 = Рагм. Если при этом абсолют­ное давление в трубке 1 больше чем атмосферное давление (р% >ратм)> то в соответствии с (1.6) столб жидкости в трубке 2 уравновесит избы­точное давление в трубке 1}т. е. ри = # • р • g: Если, наоборот, pi <Рам» то столб жидкости в трубке 1 будет мерой отрицательного избыточного давления ри = —Н • р • g.

При измерении разности двух давлений, каждое из которых не равно атмосферному давлению, уравнение измерений имеет вид Др = pi — Рг = = Н • р ‘ g Так же, как и в предыдущем случае, разность может прини­мать как положительные, так и отрицательные значения.

К важной метрологической характеристике средств измерения дав­ления   относится   чувствительность   измерительной  системы,  которая

во многом определяет точность отсчета при измерениях и инерционность. Для манометрических приборов под чувствительностью понимается от­ношение изменения показаний прибора к вызвавшему его изменению давления (и = АН/Ар). В общем случае, когда чувствительность непосто­янна в диапазоне измерений

п = ton -^ при Ар -* 0,            (2.3)

где АН — изменение показаний жидкостного манометра; Ар — соответ­ствующее изменение давления.

Принимая во внимание уравнения измерений, получим: чувствительность U- образного или двухчашечного манометра (см. рис. 4, аи 4, в)

"-—р.                                   (2.4,*)

чувствительность чашечного манометра (см. рис. 4, б)

2.1. Основные типы жидкостных манометров и принципы их действияКак правило, для чашечных манометров F »/, поэтому уменьше­ние их чувствительности по сравнению с U- образными манометрами незначительно.

Из уравнений (2.4, а) и (2.4, б) следует, что чувствительность цели­ком определяется плотностью жидкости р, заполняющей измерительную систему прибора. Но, с другой стороны, значение плотности жидкости со­гласно (J.6) определяет диапазон измерений манометра: чем она больше, тем больше верхний предел измерений. Таким образом, относительное значение погрешности отсчета от значения плотности не зависит. Поэтому для увеличения чувствительности, а следовательно, и точности, разрабо­тано большое количество отсчетных устройств, основанных на различных принципах действия, начиная от фиксации положения уровня жидкости относительно шкапы манометра на глаз (погрешность отсчета около 1 мм) и кончая применением точнейших интерференционных методов (погрешность отсчета 0,1-0,2 мкм). С некоторыми из этих методов можно познакомиться ниже.

Диапазоны измерений жидкостных манометров в соответствии с (1.6) определяются высотой столба жидкости, т. е. размерами маномет­ра и плотностью жидкости. Наиболее тяжелой жидкостью в настоящее время является ртуть, плотность-которой р = 1,35951 • 104 кг/м3. Столб ртути высотой 1 м развивает давление около 136 кПа, т. е. давле­ние, не на много превышающее атмосферное давление. Поэтому при из­мерении давлений порядка 1 МПа размеры манометра по высоте соизме­римы с высотой трехэтажного дома, что представляет существенные экс­плуатационные неудобства, не говоря о чрезмерной громоздкости кон­струкции. Тем не менее, попытки создания сверхвысоких ртутных ма­нометров предпринимались. Мировой рекорд был установлен в Париже,

где на базе конструкций знаменитой Эйфелевой башни был смонтирован манометр высотой ртутного столба около 250 м, что соответствует 34 МПа. В настоящее время этот манометр разобран в связи с его бес­перспективностью. Однако в строю действующих продолжает оставаться уникальный по своим метрологическим характеристикам ртутный мано­метр Физико-технического института ФРГ. Этот манометр, смонтирован­ный в 10-этажной башне, имеет верхний предел измерений 10 МПа с по­грешностью менее 0,005 %. Подавляющее большинство ртутных мано­метров имеют верхние пределы порядка 120 кПа и лишь изредка до 350 кПа. При измерении относительно небольших давлений (до 10-20 кПа) измерительная система жидкостных манометров заполняется водой, спиртом и другими легкими жидкостями. При этом диапазоны измерений обычно составляют до 1-2,5 кПа (микроманометры). Для еще более низких давлений разработаны способы увеличения чувстви­тельности без применения сложных отсчетных устройств.

Микроманометр (рис. 5), состоит из чашки /, которая соединена с трубкой 2, установленной под углом а к горизонтальному уровню

2.1. Основные типы жидкостных манометров и принципы их действия

Рис. 5- Чашечный микроманометр с наклонной труб­кой

I-I. Если при равенстве давлений р, и р2
поверхности жидкости в чашке и трубке находились на уровне I-I, то увеличение давления в чашке (Pi > Рг) вызовет опускание уровня жидкости в чашке и ее подъем в трубке. При этом высота столба жидкости Н2 и его длина по оси труб­ки L2 будут связаны соотношением Я2 = L2 sin a.

Учитывая уравнение неразрывности жидкости Н, F = L2 • /, нетруд­но получить уравнение измерений микроманометра

Pi ~Рг -H’P -g = L2 ‘p ‘g (sina + —),      (2.5)

где L2 — перемещение уровня жидкости в трубке вдоль ее оси; а — угол наклона трубки к горизонтали; остальные обозначения прежние.

Из уравнения (2.5) следует, что при sin a « 1 h//F« 1 перемеще­ние уровня жидкости в трубке во много раз превысит высоту столба жидкости, необходимую для уравновешивания измеряемого давления.

Чувствительность микроманометра с наклонной трубкой в соответ­ствии с (2.5)

п = -^- =—— 1——— .                   (2.6)

Ар      р- g (sin a +//F)

Как видно из (2.6), максимальная чувствительность микроманомет­ра при горизонтальном расположении трубки (а = О)

F    #      1 "max~   /      "" P-g ‘

т. е. в отношении площадей чашки и трубки больше, чем у U- образного манометра.

Второй способ увеличения чувствительности состоит в уравновеши­вании давления столбом двух несмешивающихся жидкостей. Двухчашеч-ный манометр (рис. 6) заполняется жидкостями так, чтобы граница их

2.1. Основные типы жидкостных манометров и принципы их действия

Рис. 6. Двухчашечный микроманометр с двумя жидкостями (р, >р2)

раздела находилась в пределах вертикального участка трубки, примыка­ющей к чашке 2. Прир! = р2 давление на уровне I—I

Я, pi =H2 9г (Pi

Тогда при повышении давления в чашке 1 уравнение равновесия бу­дет иметь вид

&P=Pi -Рг =АЯ[(Р1
-р2) +//F0»! +р2)] g,   (2.7)

где рл  — плотность жидкости в чашке 1; р2
— плотность жидкости в чашке 2

Кажущаяся плотность столба двух жидкостей

‘      Рк = (Pi — Рг) +//F (Pi + Рг) •  (2.8)

Если плотности Pi и р2 имеют близкие друг другу значения, af/F«. 1, то кажущаяся или эффективная плотность может быть снижена до вели­чины pmin =//F(Pl + p2) а 2рх f/F.

При этом, соответственно, увеличивается чувствительность

н = ^-= 1— ,                           (2.9)

ДР      Рк-8

где рк — кажущаяся плотность в соответствии с (2.8).

Так же, как и ранее, увеличение чувствительности указанными спо­собами автоматически уменьшает диапазоны измерений жидкостного манометра, что ограничивает их применение областью микроманометрии. Учитывая также большую чувствительность рассматриваемых способов к влиянию температуры при точных измерениях, как правило, находят применение способы, основанные на точных измерениях высоты столба жидкости, хотя это и усложняет конструкции жидкостных манометров.

2.2. Поправки к показаниям и погрешности жидкостных манометров

Добавить комментарий

В уравнения измерений жидкостных манометров в зависимости от их точности необходимо вводить поправки, учитывающие отклонения условий эксплуатации от условий градуировки, вид измеряемого давле­ния и особенности принципиальной схемы конкретных манометров.

Условия эксплуатации определяются температурой и ускорением свободного падения в месте измерений. Под влиянием температуры из­меняются как плотность жидкости, применяемой при уравновешивании давления, так и длина шкалы. Ускорение свободного падения в месте измерений, как правило, не соответствует его нормальному значению, принятому при градуировке. Поэтому давление

p=Pn-[l+a(t-O+p^-t)+^~^-],                       (2.10)

где рп = Н • ри • gH — показания манометра; t — температура шкалы и жидкости во время измерений; /„ = 20° С — температура, при которой отградуирована шкала; t^ — температура, соответствующая принятой при градуировке плотности жидкости; а — температурный коэффициент линейного расширения шкалы; (5 — температурный коэффициент объем­ного расширения жидкости; рн
— плотность жидкости при температуре ?н! S — ускорение свободного падения в месте измерений; gH = — 9,80665 м/с2 — нормальное ускорение свободного падения.

В условиях эксплуатации жидкостных манометров температура в по­мещении, как правило, не выходит из диапазона t= 15—30°С. При этом коэффициент а практически постоянен, а температура ?Ё = 20°С. Поэто­му соответствующая поправка

‘       Apm=pn-a(t-20).                        (2.11)

В зависимости от материала шкалы а в "(Г1
равна для: латуни — 19 • КГ6; стали- 11 • КГ6; стекла-8,5 • 10~6. В лабораторных усло­виях при t = (20+5)°С поправка не превышает ±0,01 %.

Температурный коэффициент /3 в общем случае зависит от темпера­туры измерений. Так, для воды в диапазоне t = 15—30 °С он изменяет­ся в 4 раза, а для ртути он менее 1 %. Поразличному определяется и на­чальное значение плотности жидкости: для ртути рн = 1,35951 • 104 кг/м3 при Гц’ = 0°С, для воды рн = 1000 кг/м3 при Г„ — 4° С. Поэтому поправ­ку на изменение плотности жидкости целесообразно представить в виде

— t) = pn •

f>t~ Рн Рн

(2.12)

где pt — плотность жидкости при температуре t (табл. 3, 4); рн
= = 13,5951 • 103 кг/м3 для ртути; рн
= 1 • 103 кг/м3 для воды.

Эта поправка в диапазоне комнатных температур (от 15 до 25°С) составляет: для ртути от -0,27 до -0,54% и для воды от -0,09 до —0,44 % от измеряемого давления, что необходимо учитывать практичес­ки во всех случаях.

Поправка на местное ускорение свободного падения

bpg=Pn’-^1^— ,                        (2.13)

где gH = 9,80665 м/с2 — нормальное ускорение свободного падения.

В нашей стране ускорение свободного падения изменяется в диапазо­не от 9,79 до 9,82 м/с2 и, соответственно, значение поправки составляет ±0,15 % измеряемого давления, чем во многих случаях пренебрегать нельзя.

Указанные выше поправки относятся ко всем типам жидкостных манометров. Их относительные значения приведены в табл. 2—5.

В табл. 2 приведена поправка на температурное расширение шкалы &Рш/Рп ‘ Ю4 (латунь, а =• 19 • 10"6°СГ1); в табл. 3 — поправка на тем­пературное изменение плотности ртути Дрр/р„ " Ю4
(поправка отрица­тельная) ; в табл. 4 — поправка на температурное изменение плотности воды Lpplpn • 104 (поправка отрицательная); в табл. 5 — поправка на местное ускорение свободного падения Арр/р„ • 104.

Таблица   2

ее"

ДРш/Ри

Темпер ату]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-1,90

-1,71

-1,52

-1,33

-1,14

-0,95

-0,76

-0,57

-0,38

-0,19

20

0

0,19

0,38

0,57

0,76

0,95

1,14

1,33

1,52

1,71

30

1,90

2,09

2,28

2,47

2,66

2,85

3,04

3,23

2,43

3,61

Табл иц а 3

 

кфатура,

дРр/Ри

0

1

■     2

3

4

5

6

7

8

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

18,2

20,0

21,8

23,6

25,4

27,2

29,0

30,8

32,6

34,4

20

36,2

38,0

39,8

41,6

43,4

45,2

47,0

48,8

50,6

52,4

30

54,2

56,0

57,8

59,6

61,4

63,2

65,0

66,8

68,6

70,4

Таблица 4

 

 

Арр/рп
. 104

«

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10 20 30

3,00 17,95 43,53

20,08

22,20

24,62

27,04

9,01 29,55

10,57 32,17

12,25 34,87

14,05 37,67

15,95 40,55

Таблица 5

 

Ускорение свобод­ного падения, м/с

Лрр/р„ .   10*

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004

9,790 9,800 9,810 9,820

-16,9 ^-6,8 +3,4 +13,6

-15,9 -5,8 +4,4 +14,6

-14,9 -4,7 +5,5 +15,6

-13,9 -3,7 +6,5 +16,6

-12,9 -2,7 +7,5 +17,7

Продолжение

 

Ускорение свобод­ного падения, м/с

ЬРр/РгГ   10*

0,005

0,006

0,007

0,008

0,009

9,790 9,800 9,810 9,820

-11,9

-1:1

+8,5 +18,7

-10,9 -0,7 +9,5 +19,7

-9,8 +0,4 +10,5 +20,7

-8,8 +1,4 +16,6 +21,8

-7,8 +2,4 +17,7 +22,8

Еще одна общая для всех жидкостных манометров поправка, учиты­вающая влияние столба газа, давление которого измеряется маномет­ром, должна приниматься во внимание при точных измерениях.

Для сопоставимости результатов измерений давления газа pi и р2 приводят к одному горизонтальному уровню. Тогда, с учетом давле­ния столба газа, уравнение равновесия на уровне И—II принимает вид (см. рис. 4, я)

р, + Н • pi -g = p2+H • р ■ g,

где pi vi Рг — давления газа на уровне Щ-ПТ; Pi — плотность газа при давлении pi; р — плотность жидкости.

При этом измеряемая разность давлений, в отличие от (1.6), на уров­не Ш-Ш будет

Р! -р2 =Я-р-g(l—£.).              (2.14)

Плотность газа при давлении pt определяется из соотношения pi = = Poi   * Pi/Ратм* гДе Poi — плотность газа при атмосферном давлении

Ратм-

Учитывая изложенное, поправка на давление столба газа будет

^^^^        (2.15)

Здесь принимается, что плотность жидкости, которая при средних давлениях практически несжимаема, не зависит от давления. Относительное значение поправки соответственно равно

Pi — Рг

 (216)

т. е. прямо пропорционально абсолютному давлению газа в трубке 1.

В отличие от предыдущих рассматриваемая поправка существенно зависит от вида измеряемого давления. На рис. 7 приведены значения поправок для наиболее распространенных на практике манометров, заполненных ртутью: 1 — измеряемая газовая среда — воздух; 2 — со­ответственно, вода и воздух.

При измерениях абсолютного и избыточного давлений поправка про­порциональна измеряемому давлению, а при измерении разности давле­ний, она, кроме того, зависит от статического (рабочего) давления р2. Например, если при измерении абсолютного давления, положительного и отрицательного давлений, равных 100 кПа, поправки, соответственно, равны: для ртути: -0,009, -0,018 и 0 %; для воды: -0,11, -0,28 и 0%, то при измерении той же разности давлений прирг = 1000 кПа поправки составляют: для ртути -0,097 %; для воды —1,32%.

Таким образом, вопрос об учете рассматриваемой поправки должен решаться в зависимости от требуемой точности измерений и вида изме­ряемого давления.

Вторая группа поправок зависит от качества изготовления жидкост­ных манометров и их конструктивных особенностей, т. е. относится к инструментальным поправкам.

ДРг

Ри

Арг PrPz

0,10 0,05 п

,      ,      ,     ,

 

 

 

 

 

 

 

f

WO ZOO U300

1       1       1

500   …WO’…WO  9

1     m     1        1

PrPz

mo zoo w m 5oo’ i    i    i    i    i

1.5

1,0

0.5

 

2.2. Поправки к показаниям и погрешности жидкостных манометров0   100

 300

 500

 700       SOU

 1100        1300       1500

Рис. 7. Поправки на влияние столба воздуха

В первую очередь, здесь следует отметить поправки, связанные с неточностью шкал и непостоянством площадей поперечного сечения тру­бок и чашек по- их высоте, если высота столба жидкости определяется путем измерения положения одного из уровней, например, уровня жид­кости в трубке чашечного манометра. Значения этих поправок определя­ются путем сличения показаний жидкостного манометра с показаниями образцового манометра высшего разряда или косвенным, поэлементным методом.

Контрольный вопрос № 2

Вам необходимо с помощью U-образного манометра изме­рить давление воздуха на уровне менисков жидкости в маномет­рических трубках при отсутствии давления (уровень I—I, рис. 4,с).

Каков знак поправки к показаниям U-образного маномет­ра, связанной с отклонением менисков от нулевого уровня I-I: „+" или „-"?

Если „+" — см. с. 28,   если „—" — см. с. 29.

Суммарная относительная погрешность жидкостного манометра в соответствии с уравнением измерений (1.6)  в общем случае имеет

вид                                         «

6р
= 6„ + 6Р + 6^ + £ 6f,              (2.17)

где 6Н, др и 6^ — относительные погрешности определения, соответст­венно, высоты столба жидкости, ее плотности и ускорения свободного падения; 2 6,- — дополнительные погрешности.

Основные погрешности измерения 6Н, 6р и 6^ обусловлены прин­ципом действия жидкостных манометров.

Погрешность определения высоты столба жидкости зависит от ме­тодов и средств отсчета положения уровня жидкости относительно шкалы и.измерения разности уровней жидкости в коленах жидкостного манометра.

Отсчетные устройства, применяемые в жидкостных манометрах, отличаются в зависимости от их точности как по конструкции, так и по принципу действия. В простейших устройствах положение мениска от­носительно шкалы манометра видно невооруженным глазом. Погреш­ность отсчета при этом составляет 0,5—1 мм. Применение визирного кольца с нониусом позволяет снизить погрешность отсчета до 0,05—0,1 мм. В жидкостных манометрах высокой точности нашли применение опти­ческие методы (катетометры и отсчетные микроскопы) с погрешностью 0,01—0,02 мм, а в эталонных манометрах — интерференционные и ем­костные методы, погрешность которых составляет 0,1-=-1 мкм. Характер­ная особенность этих погрешностей — их постоянство по абсолютному значению во всем диапазоне измерений.

Для измерения высота столба — разности уровней жидкости приме­няются: шкалы в сочетании с указанными выше отсчетными устройства­ми; концевые плоскопараллельные меры длины; точные ходовые винты с определением высоты по числу оборотов.

Здесь погрешности измерений определяются точностью нанесения шкал, изготовления концевых мер и ходовых винтов, а также темпера­турными погрешностями.

Суммарная погрешность определения высоты столба жидкости по абсолютному значению

dH = dH’ + dH"+H-a-dt,               (2.18)

где dH’ — погрешность отсчета уровня жидкости; Ш" — погрешность на­несения шкалы (концевой меры, ходового винта); а — коэффициент температурного расширения; dt — погрешность измерения температуры Шкалы.

Относительная погрешность определения высоты столба жидкости соответственно

 (2.19)

При измерениях относительно небольших давлений с невысокой точ­ностью определяющей является точность отсчета уровня 6// = dH /H.

Например, при Я = 100 мм
и <Ш’ = 1 мм
6Я’ = 1 %, что существенно больше остальных составляющих погрешности. При Я = 1000 мм
и dH’ = — 0,1 мм 6// = 0,01 %, что сопоставимо с величиной 5//"- Температурная погрешность при dt = 0,5еС иа= 19 • 10~6 К"1 (шкалаиэ латуни) отно­сительно невелика а • dt a- 0,001 %.

К контрольному вопросу № 2

Ответ ошибочен, Вам необходимо еще раз просмотреть со­ответствующий материал разд. 2.2. При ответе Вам следует учесть давление столба воздуха в манометрической трубке.

Плотность жидкости определяется ее физическими свойствами и температурой. Погрешность определения плотности

— «р = «ря + О • dt + (fH — f) • dp,    (2.20)

где ЪРН — погрешность определения плотности жидкости при стандарт­ных условиях; (3 — температурный коэффициент объемного расшире­ния; с?Р — погрешность определения коэффициента Р; Гн — нормальная температура, при которой определено значение Рн’, t — температура жид­кости в момент измерений.

Плотность жидкости при условии, что она не загрязнена различными примесями определяется ее значением при стандартных условиях (t = ~ *н, Р — ЮО кПа). При относительно небольших давлениях (р < 1 МПа) сжимаемостью жидкости можно пренебречь.

Для наибол"ее часто применяемой в барометрии ртути составляющие погрешности равны’ (0 = 1,818 • 1(Г4 °С"Х; Гн = ОС; dp = 0,2 • Ю"6^"1; dt = 0,5°С; t = 25°С): 6Рн < 0,0001 %; /3 • dt = 0,01 %; (tH -t) • dp = = 0,0005 %, т. е. наибольшее влияние оказывает точность измерения тем­пературы ртути и отклонения температуры от стандартной (tH — t).

Ускорение свободного падения g в месте измерений всегда может быть определено с необходимой точностью (6^ < 0,001 %). Табличные значения ускорения для областных центров приводятся с округлением до 2,5 • 10~s м/с2
(0,0025 %), что в большинстве случаев достаточно.

Дополнительные погрешности обусловлены различными причинами: как общими для жидкостных манометров (капиллярные явления в сво­бодных поверхностях жидкости, точность установки столба жидкости по вертикали), так и особенностями различных типов и конструкций.

Абсолютное значение погрешности, связанной с капиллярными яв­лениями, может быть определено по формуле

Фк =Рк («с + 6Г) +  2аг*Ы0        • <Ю,  (2.21)

где рк — капиллярное давление в трубке манометра; 6СТ
и 6Г — неопреде­ленности значений коэффициента поверхностного натяжения и радиуса трубки; в — угол смачивания; а — коэффициент поверхностного натя­жения; г — радиус трубки; d8 — неопределенность значения угла смачи­вания.

При заполнении стеклянной трубки ртутью при г — 3 мм, в = 140° и а — 0,47 Н/м получимрк = 2,3 гПа; 2а — smd/r = 2,0 гПа.

Принимая 8а = 0,2,&V = 0,1 (приdr = 0,3 мм) и d6 = 0,175-0,35 рад, получим значение погрешности фк = 1,0 гПа, т. е. около 40% значения капиллярного давления. Поэтому введение поправки на капиллярные яв­ления теряет смысл, а для исключения указанных погрешностей при точ­ных измерениях применяют трубки диаметром 10—20 мм и более.

При отклонении оси манометрической трубки от вертикали давление столба жидкости, соответствующее отсчету по шкале, отличается от дей­ствительного значения на

Ар=Н’р-g (l-cosa),                   (2.22)

где а — угол отклонения оси трубки от вертикали.

При относительно небольших углах наклона относительную погреш­ность можно приближенно принять равной 8Ра
= а2/2. Например, при уг­ле наклона а = 1° = 1,74 • 10"2 рад соответствующая погрешность 5Ра
=1,51 • Ю-4 (0,015 %), а при а = 0,5° = 0,87 • 10"2 рад., дРа а = 0,38 • 10~4 (0,004 %). Указанное необходимо учитывать в требовани­ях на точность установки манометра.

К контрольному вопросу № 2

Вы правы, давление воздуха на уровне I—I в соответствии с законом Паскаля меньше, чем давление на уровне II—II (рис. А,а).