Благодаря высокой точности и стабильности поршневые манометры находят преимущественное применение в качестве образцовых и эталон­ных приборов. При этом, как правило, давление, действующее на пор­шень, уравновешивается весом грузов, который всегда можно опреде­лить с необходимой для данных целей точностью.

При измерениях избыточного давления наиболее широко применя­ются простые одноступенчатые поршневые пары (см. рис. 17, а). На этом принципе основаны образцовые и эталонные манометры с верхни­ми диапазонами измерений от 40 кПа до 250 МПа, а в некоторых случаях до 600 МПа.

Типы и основные характеристики образцовых грузопоршневых ма­
нометров избыточного давления, применяемых в нашей стране, приве­
дены в табл. 8.                      

Таблица 8

Тип манометра	Диапазон измерений,	Класс точности	Измеряемая среда
	МПа
МП-0,4	0,006-0,04	0,2	Воздух
МП-2,5	0-0,25	0,02	Тоже
МП-6	0,04-0,6	0,02 и 0,05	Трансформа-
			торное масло
МП-60	0,1-6	0,02 и 0,05	Тоже
МПП-60	0,1-6	0,05	Трансформа-
			торное масло
МП-600	1-60	0,05	Касторовое
			масло
МП-2500	5-250	0,05	Тоже

Погрешности манометров нормируются раздельно для основного диапазона измерений р = с • ртах — ртах и дополнительного диапазона измерений р = pmin — сртах, где с = 0,1; pmin — нижний предел измере­ний; Ртах — верхний предел измерений.

В основном диапазоне измерений нормируется относительная по­грешность 6 в % от значения измеряемого давления, численно равная классу точности (см. табл. 8). В дополнительном диапазоне измерений нормируется абсолютная погрешность в Па, равная Др = б Фтах-

Конструкции измерительных поршневых систем зависят от измеря­емого давления. При давлениях до 0,6 МПа типична конструкция изме­рительной поршневой системы манометра МП-6 (рис. 19, а).

Поршневая система состоит из стального закаленного поршня 1 и ци­линдра 2. В целях уменьшения сил жидкостного трения при вращении поршень притерт к цилиндру по двум узким пояскам, расположенным в верхней и нижней частях цилиндра. К верхней части цилиндра прикреп­лена ограничительная рамка 3 с указателем положения равновесия порш­ня 4 и ограничителем б, а нижняя часть цилиндра выполнена в виде шту­цера для присоединения к поверочной установке. На верхней части порш­ня укреплена грузоприемная тарелка 5 для наложения уравновешиваю­щих грузов. Эффективная площадь поршня манометров этого типа обыч­но равна 1 см2, так что общая масса грузов не превышает 6 кг.

При давлениях до 6 МПа в манометрах типа МП-60 с целью уменьше­ния утечек рабочей жидкости поршень притирается к цилиндру по всей длине поверхности их соприкосновения (рис. 19, б). Кроме того, в связи с существенным увеличением массы уравновешивающих грузов (т = = 30 кг при F = 0,5 см2) применяется более прочный ограничитель пере­мещения поршня, который выполнен в виде втулки с эксцентрическим отверстием для обеспечения сборки поршневой системы.

Рис. 19. Грузопоршневые манометры с непосредственным наложением гру­зов на поршень

При давлениях до 60 и 250 МПа в манометрах МП-600 и МП-2500 масса грузов, несмотря на уменьшение эффективной площади поршня до F = 0,05 см2, доходит до т = 75 кг, что для поршня диаметром 2,5 см
недопустимо по соображениям его прочности. Поэтому в конструкциях манометров данного типа применяют промежуточные грузоприемные устройства (рис. 20). Измерительная система манометров состоит из поршневой пары, включающей поршень 1 с эффективной площадью F — = 0,05 см2, который воспринимает измеряемое давление, и поршень 2, и грузоприемного устройства, посредством которого вес грузов 8 пере­дается на поршень 1 для уравновешивания давления. Наложение грузов производится на колоколообразную грузоприемную тарелку 7, жестко связанную с опорной штангой 4, которая центрируется и вращается от­носительно корпуса 5 двумя шариковыми подшипниками б. Влияние биений, которые могут возникнуть вследствие несоосности поршня 1 и штанги 4 при вращении, устраняется шарнирно соединенной с ними рас­поркой 3. Устройство эффективно устраняет поперечные нагрузки на из­мерительный поршень.

При измерении высоких (до 1000 МПа) и сверхвысоких (до 2500 МПа) избыточных давлений применение одноступенчатых поршневых систем нецелесообразно. В этих случаях наиболее эффективно примене­ние измерительных систем, содержащих двухступенчатые поршневые пары (мультипликаторы) по типу показанных на рис. 18, б.

При измерениях избыточного давления воздуха или инертных газов, близкого по значению к атмосферному давлению (100 кПа), а также от­рицательного избыточного давления (разрежения), наиболее часто при-

 

Рис. 20. Поршневой манометр с про­межуточным грузоприемным устрой­ством

Рис. 21. Образцовый грузопоршневой манометр МА-2,5 класса 0,02   ■

меняют измерительные системы с уравновешенным поршнем. Например, в образцовом грузопоршневом манометре МП-2,5 класса 0,02 собствен­ный вес поршня уравновешен давлением столба жидкости. Поршневая колонка манометра (рис. 21) состоит из поршня 1 и цилиндра 2, внут­ренний канал которого выполнен в виде двух узких поясков. На грузо-приемную тарелку поршня при измерении давления накладываются гру­зы 5. Вращение поршня вокруг его оси осуществляется от электродвига­теля с помощью шкива 3 и роликового поводкового механизма 4. Ниж­няя часть цилиндра посредством трубки с вентилем сообщается с ци­линдрическим сосудом 6, заполненным рабочей жидкостью (смесь транс­форматорного масла с керосином), давление которой уравновешивает собственный вес поршня с грузоприемной тарелкой. В верхнюю часть сосуда 6 по трубке 7 подается измеряемое давление воздуха или инерт­ного газа. Для регулировки высоты столба жидкости в сосуде, необходи­мой для уравновешивания веса поршня, измерительная система снабже­на регулировочным прессом 8 и воронкой. Уравновешивание веса порш­ня при атмосферном давлении может производиться также наложением на поршень мелких баластных грузиков.

hcnw. вес поршня при атмос ерном давлении уравновешен, то изме­ряемое избыточное давление на уровне поверхности жидкости в сосуде II—II определяется весом наложенных на поршень грузов

 

т. е. в отличие от манометров с неуравновешенным поршнем нижний предел измерений становится равным нулю. Давление на уровне нижне­го торца поршня I—I, учитывая пропорциональность изменения давления столба воздуха в трубке 7 измеряемому избыточному давлению, равно

р, = _^!_ (1 —fS-) +HpBg- —             (3.24)

или          *

mg      р„         Н р-а • е

* = —о-г* —тг-)-                               (з-25>

Указанное справедливо при приведении измеряемого давления и к любому другому уровню. Если этот уровень находится ниже уровня II—II на 1,3 м, то для манометра МП-2,5 поправки на потерю веса грузов в воздухе и на приведение к измеряемому уровню взаимно компенси­руются, т. е. pi = mg/F.

При измерении отрицательного избыточного давления (разрежения) в нашей стране нашли применение образцовые грузопоршневые манова-куумметр МВЦ-2,5 класса 0,05 и вакуумметр ВП-1 класса 0,02.

Принципиальная схема мановакуумметра МВП-2,5 (рис. 22) основа­на на взаимном уравновешивании простой и дифференциальной порш­невых пар. Простая поршневая пара, состоящая из притертых друг к дру­гу поршня 1 и цилиндра 2, с помощью трубки сообщается с дифференци­альной поршневой парой, состоящей из двухступенчатого поршня 3 и ци­линдра 4, которые притерты друг к другу по большему и меньшему диа­метрам поршня. Нижняя узкая ступень поршня 3 сообщается посредст­вом трубки с резервуаром 5. Все полости поршневых пар, соединитель­ные трубки и, частично, резервуар заполнены маловязким минеральным маслом, обычно трансформаторным. Для заполнения измерительной сис­темы маслом манометр снабжен сильфонным прессом 7 и воронкой 10, подключенных вентилями б, 8 и 9.

При сообщении резервуара с атмосферным давлением простой и дифференциальный поршни и столб жидкости в резервуаре взаимно урав­новешиваются, причем расположение поршней относительно соответству­ющих цилиндров отсчитывается указателями положения, закрепленными на цилиндрах. Поэтому нижний предел измерений, как и манометра МП-2,5, не зависит от собственного веса поршней.

При измерении избыточного давления, действующего на поверхность жидкости в резервуаре, для его уравновешивания грузы накладываются на грузоприемную тарелку поршня. 3. Давление определяется по фор­муле

Рис. 22. Образцовый грузопоршневой мановакуумметр МВП-2,5 класса 0,05

Рис. 23. Образцовый грузопоршневой вакуумметр ВП-1 класса 0,02

*-=£^ (I—*-).                         (3.26)

где т3
— масса грузов, наложенных на поршень J; F2 — эффективная площадь нижней части поршня 3. Остальные обозначения прежние.

При измерении отрицательного избыточного давления (разрежения), когда давление в резервуаре 5 меньше атмосферного, для сохранения равновесия поршневой системы грузы накладываются на поршень 1, раз­режение

F=J^_.j3__^(1 _^_}                                                     (3.27)

ИЛИ                 .                                          -v ■

V = K-    m’‘8  (1—?°-),                    (3.28)

Fi           р

Р — F

где /И! — масса грузов, наложенных на поршень 1; К = —*-=—~ — от-

/-,

ношение разности эффективных площадей верхней и нижней частей диф­ференциального поршня 3 к эффективной площади простого поршня 1.

Мановакуумметр МВП-2,5 имеет следующие.метрологические харак­теристики: диапазон измерения от —100 кПа до +250 кПа; допускаемая основная погрешность ±5 Па при давлении до 10 кПа и ±0,05 % от изме­ряемого значения при давлении свыше 10 кПа.

Принципиальная схема вакуумметра ВП-1 (рис. 23) основана на уравновешивании веса простого поршня пружинным механизмом. Изме­рительная система состоит из поршня 3 (с наконечником 9 для наложе­ния грузов 10 и указателем положения равновесия 2), вращающегося вокруг своей оси в цилиндре 5; установленного на втулку б от электро­двигателя посредством шкива 7 и поводка 8. Вес поршня уравновешен усилием растяжения двух пружин 14, расположенных в трубках 15 и со­единенных между собой коромыслом 11, на среднюю часть которого опирается наконечник поршня. К нижней части цилиндра присоединена заполненная маслом воронка 13, что предохраняет от попадания в зазор между поршнем и цилиндром атмосферного воздуха (жидкостный за­твор) . Измеряемое разрежение подается в верхнюю часть прибора под колпачок 1 с помощью штуцера 16. Вентиль 4 предназначен для слива жидкости. Положение равновесия поршня регулируется гайками 17 и оп­ределяется по шкале отсчетной оптической системы (на схеме не пока­зана).

В отличие от грузопоршневых манометров для измерения давления жидкости, которая практически несжимаема, и потому для замкнутого объема инерционность измерительной системы, несмотря на необходи­мость применения массивных грузов, достаточно мала, динамические характеристики грузопоршневых манометров для измерения давления воздуха или газа имеют существенное значение.

Одним из важнейших параметров, определяющих динамические ха­
рактеристики грузопоршневого манометра является жесткость его изме­
рительной системы             т

с = -^-,’                            (3.29)

где АХ — отклонение поршня от положения р’авновесия;  АР — сила, вы­зывающая указанное отклонение.

Для измерительной системы со свободно плавающим в воздухе пор­шнем единственной силой, возникающей при отклонении поршня от по­ложения равновесия, является изменение давления столба воздуха, ко­торая весьма мала, что приводит к относительно большой инерционнос­ти показаний.

В измерительных системах манометра МП-2,5 (см. рис. 21) и мано­вакуумметра МВП-2,5 (см. рис. 22) при отклонении поршня от положе­ния равновесия изменяется давление на его площадь столба жидкости, а так как плотность жидкости (трансформаторное масло) в сотни раз больше, чем плотность воздуха, то соответственно увеличивается и жест­кость измерительной системы с, равная в данном случае 0,8 Н/м, что со­ответствует жесткости измерительной системы жидкостного манометра с масляным заполнением.

Дальнейшие возможности увеличения жесткости, а следовательно, и уменьшения инерционности, предоставляет измерительная система ва­куумметра (см. рис. 23), в котором поршень уравновешен пружинами с любой, оптимальным образом выбранной жесткостью. Исходя из тре­буемых габаритных размеров прибора и точности отсчетного устройства, жесткость измерительной системы вакуумметра с принята равной 10 Н/м, что существенно увеличивает его быстродействие. Однако при этом тре­буется отсчетный микроскоп. По инерционности данный прибор аналоги­чен ртутному мановакууммегру.

Следует подчеркнуть еще одну отличительную особенность конст­рукции вакуумметра ВП-1: наличие жидкостного затвора. При давлении воздуха в пространстве над верхним торцем поршня, меньшим, чем ат­мосферное давление, в зазор между поршнем 3 и цилиндром 5 посту­пает не воздух, а масло из воронки 13. Поэтому в отличие от манометра МП-2,5 и мановакуумметра МВП-2,5 отпадает необходимость включения в измерительную систему промежуточного жидкостного столба. Измеря­емая разность давлений воздуха действует непосредственно на верхний и нижний торцы поршня.

Измеряемое разрежение (отрицательное избыточное давление) опре­деляется по формуле

где рв — атмосферное давление окружающего воздуха; рабс — абсолют­ное давление над верхним торцом поршня; т — масса грузов 10, накла­дываемых на наконечник 9. Остальные обозначения прежние.

10

КфорВакуцмному я насосу

Рис. 24. Образцовый грузопоршневой      Рис.   25.   Образцовый   грузопоршневой
барометр БП-ly класса 0,01  манометр абсолютного давления МПА-15

класса 0,01

Аналогичная принципиальная схема положена в основу грузопоршне-вого барометра БП-ly (рис. 24). В отличие от вакуумметра грузопорш­невой барометр предназначен для измерения атмосферного давления, по­этому пространство над верхним торцом поршня 1, притертого к цилин­дру 2, откачивается до рост < 0,05 гПа, которое измеряется термопар­ным вакуумметром 10. В целях обеспечения более высокой точности из­мерений для уравновешивания собственного веса поршня взамен пружин применено рычажное устройство 5 с противовесом 7. Ось рычага 8 по­коится на ленточной подвеске 9, необходимая жесткость измерительной системы обеспечивается пружиной б. Комбинированное уравновешива­ние веса поршня с помощью противовеса и пружины дает возможность более гибко сочетать чувствительность, а следовательно, и точность от­счета с требуемыми динамическими характеристиками прибора и его га­баритными размерами. В барометре БП-ly жесткость измерительной сис­темы с = 4 Н/м, что обеспечивает более высокую, чем у вакуумметра ВП-1 чувствительность при одних и тех же габаритных размерах прибора.

Измеряемое атмосферное давление при установке поршня с помощью отсчетного микроскопа 4 в положение равновесия определяется весом грузов 3 и разновесов 11

Рв   =-^(1—£*)+Рост.             31)

где т — масса грузов 3 и разновесов; рОСТ — остаточное давление над верхним торцом поршня, определяемое вакуумметром 10.

Помимо измерения атмосферного давления, барометр может быть использован в качестве образцового вакуумметра. В этом случае разре­жение определяется по формуле (3.30).

Метрологические характеристики барометра: верхний предел изме­рений 110—120 кПа (в зависимости от массы комплекта грузов); по­грешность измерений — 4 или 10 Па (в зависимости от точности аттес­тации барометра).

Для измерения абсолютного давления воздуха (газа) в нашей стране серийно выпускаются грузопоршневые манометры МПА-15 класса 0,01 (рис. 25). Поршневая система манометра состоит из трех шарнирно со­члененных, соосных поршневых пар, которые образуют, в отличие от поршневых вакуумметров и барометров, две измерительные камеры. В нижнюю измерительную камеру 1 подается измеряемое абсолютное давление РабС> а верхняя измерительная камера II откачивается. Порш­нем 2, притертого к цилиндру 3, вес грузов 1, который уравновешива­ет силу, возникающую под действием абсолютного давления на средний измерительный поршень 5, передается на последний, а поршень 7, притер­тый к цилиндру 8, опирается на коромысло 10 рычажного механизма (на схеме не показан), уравновешивающего собственный вес поршневой системы манометра. С целью компенсации влияния атмосферного давле­ния поршни 2 и 7 имеют одинаковые эффективные площади. Положение равновесия поршневой системы фиксируется проекционным отсчетным устройством (на схеме не показано) по шкале 11, а остаточное давление в камере II определяется термопарным вакуумметром 12.

Абсолютное, а также и атмосферное давления, определяются по фор­муле

Рабе = -^7- (1 — ~) + Росг,        (3-32)

r—J       Р

где m — масса грузов, накладываемых на поршневую систему для до­стижения равновесия; F — эффективная площадь измерительного порш­ня 5; f — эффективные площади вспомогательных поршней 2 и 7; рОС1 — остаточное давление в камере П.

Помимо измерения абсолютного давления манометром МПА-15 можно измерять избыточное давление (положительное и отрицательное) и разность давлений.

При измерении избыточного давления камера II сообщается с атмо-

mg     ,.       рв ч

сферным давлением, а избыточное давление ри —- U)»подается в камеру I.

При измерении разрежения (отрицательного избыточного давления) с атмосферным давлением сообщается камера I, а разрежение в камере

II определяется по формуле V —        ‘— (1         —).

Разность давлений определяется по формуле. Ap=pi — р2 =    mg   X

(F—f)

X (1—— ), где р! — давление в камере \\ р2 — давление в камере II,

причем Pi >Рг-

Метрологические характеристики манометра МПА-15

Диапазон измерений      0-400 кПа (0-3000 мм
рт.ст.)

Погрешность измерений:

в диапазоне от 0 до 20 кПа

(0-150 мм рт.ст.)..        5 Па (0,05 мм рт.ст.)

в диапазоне свыше 20 до 100 кПа

(150-1000 мм рт.ст.)                     10 Па (0,1 мм рт.ст.)

в диапазоне от 100 кПа до

400 кПа (1000-3000 мм
рт.ст.)   .   0,01 % измеряемой величины

Для измерения абсолютного давления применяют также поршневые системы с одним простым поршнем и двумя цилиндрами, каждый из ко­торых содержит измерительные камеры: нижнюю — для сообщения с из­меряемым абсолютным давлением, верхнюю — для подключения отка­чанной вакуумной системы. Вес грузов, необходимых для уравновеши­вания абсолютного давления, посредством нагрузочного устройства дей­ствует на среднюю часть поршня, к которой обеспечен доступ со стороны окружающей манометр среды. Приборы этого типа, например, грузо-поршневой манометр МАД-3, применяются как в государственных пове­рочных, так и в ведомственных метрологических службах.

Наименее разработаны грузопоршневые манометры для измерения разности давлений, особенно при больших статических давлениях. В на­шей стране используются отдельные опытные образцы таких приборов.

Наиболее доступен для реализации способ измерения разности двух относительно больших давлений, основанный на применении двух стан­дартных грузопоршневых манометров (рис. 26). Установка содержит од­нотипные грузопоршневые манометры 2 и 7, которые подключены к ми­нусовой и плюсовой камерам поверяемого дифманометра 4. При откры­том вентиле 3 грузами 1 и 8 поршни манометров уравновешиваются в положении, в котором их торцы устанавливаются на уровне /-/. При этом давление в камерах поверяемого дифманометра одинаково и соот­ветствует заданному статическому давлению

Рст-Pl -Pi

где т01 — масса грузов 8; т02 — масса грузов 1.

Затем вентиль 3 закрывается, и с помощью вентилей 5 и б достига­ется требуемая разность давлений плюсовой и минусовой камерах

Рис. 26. Образцовый грузопоршневой дифманометр для поверки при статическом

давлении

mm- g

(3.33)

где Дт — масса груза 9, дополнительно наложенная на поршень маномет­ра 7 для приведения обоих поршней в начальное положение равновесия. Верхние пределы измерений обоих манометров выбираются в зави­симости от статического давления и измеряемой разности давлений. При этом необходимо соблюдение условия

 = Ар+р2

 (3.34)

где р^ — верхний предел измерений применяемых грузопоршневых ма­нометров; Pi —Рст

Суммарная погрешность измерения разности давлений с помощью двух грузопоршневых манометров

6др=«ур + «.                    С3-35)

где бур = ta о

Рг

— погрешность предварительного уравновешивания

поршневых манометров;  6 — относительная погрешность образцового поршневого манометра при измерении разности давлений; о — среднее квадратическое  отклонение  при  предварительном  уравновешивании; ta = 2 — квантиль распределения случайных погрешностей.

Относительная   погрешность   при   измерении   разности   давлений

6         0,1 • Рпр ‘б.
—————- при Др < 0,1 Рпр,

Из (3.33) следует, что чем меньше измеряемая разность давлений Ар по сравнению со статическим давлением р2, тем больше погрешность измерений разности давлений.

Например, при измерении разности давлений Ар = 0,1 МПа при рст =16 МПа для соблюдения условия (1-33) необходимо применение образцовых грузопоршневых манометров МП-600 с верхним пределом измерений 60 МПа, так как при применении манометра МП-60 верхний предел измерений рщ, <рст. В этом случае даже при применении рабочих эталонов, относительная погрешность которых составляет б0 =5 • 10"s (0,005 %), а среднее квадратическое отклонение показаний а = 1 • 10~s (0,001 %), суммарная погрешность измерения разности давлений 6др = = 6 • 10"3 (0,6 %), что позволяет проводить поверку дифманометров класса 2,5 и хуже. Однако, при увеличении разности давлений до Ар = = 0,63 МПа при прочих равных условиях погрешность снижается до 6Др = 1 • 10~3 (0,1 %), что приемлемо при поверке бол ее точных дифма­нометров (классов 0,4; 0,6; 1,0; 1,6). При уменьшении статического давления требования к точности образцовых грузопоршневых маномет­ров соответственно снижаются.

Более широкие возможности повышения точности измерения отно­сительно статического давления разности давлений обеспечивает принцип действия, положенный в основу образцовых грузопоршневых дифмано­метров ДМП-0,25-160 и ДМП-6,3-320.

Измерительная система дифманометра (рис. 27) содержит трехсту­пенчатый поршень, состоящий из простого поршня 2, на который в его средней части напрессован измерительный поршень 4; цилиндра 6 и двух втулок 3 и 7. Поршень 2 в верхней части притерт к втулке 3, в нижней — к втулке 7, измерительный поршень 4 — к средней части цилиндра 6. Поршневая система опирается на коромысло 8, которое двумя винто­выми пружинами уравновешивает собственный вес поршневой системы. Между измерительным поршнем и втулками находятся две измеритель­ные камеры, в которые подаются давления pi ирг. Разность давлений уравновешивается грузами 1. Разность давлений

где т — масса грузов 1; F — эффективная площадь поршня 4; f — эф­фективная площадь поршня 2

Очевидное преимущество трехступенчатой измерительной поршне­вой системы по сравнению с предыдущей системой, основанной на при­менении двух поршневых манометров, состоит в том, что отпадает не­обходимость уравновешивания больших статических давлений, которые взаимно компенсируют друг друга. Поэтому, в принципе, погрешность измерений разности давлений не зависит от статического давления:

С другой стороны, существенное уменьшение массы грузов резко снижает инерционность дифмано-метра. Немаловажным является и то, что намного увеличиваются возможности автоматизации про-, цесса измерений. Однако, к сожа­лению, приборы этого типа в нашей" стране   серийно   не  выпускаются.