Основные типы жидкостных манометров и принципы их действия

ОСНОВНЫЕ  ТИПЫ ЖИДКОСТНЫХ МАНОМЕТРОВ И ПРИНЦИПЫ ИХ ДЕЙСТВИЯ

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

 

 

Рисунок 1 –  Основные типы жидкостных манометров

В соответствии с законами гидростатики при равенстве  давлений р₁ и р₂ свободные поверхности жидкости (мениски) в обеих трубках установятся на уровне I — I.

Если одно из давлений превышает другое (р₁ > р₂), 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 — II уравнение равновесия примет вид

                                                  Δр = р₁ — р₂ = Н * р * g,                                              (1)

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

Уравнение (1) 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 столба жидкости. Именно 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. 1, 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 Δр изменение уровня жидкости в чашке гораздо меньше, чем подъем уровня жидкости в трубке:

Н₁ = Н₂ • f/F,

где Н₁ - изменение уровня жидкости в чашке;

Н₂ - изменение уровня жидкости в трубке;

f - площадь сечения трубки;

F - площадь сечения чашки.

Отсюда высота столба жидкости, уравновешивающей измеряемое давление

 

                                            Н = Н₁ + Н₂ = Н₂ (1 + f/F),                                                  (2)

 

 а измеряемая  разность давлений

                                                  р₁-p₂=Н₂•g(1+f/ F),                                                       (3)

 Поэтому  при известном коэффициенте k = 1 + f/F разность давлений может быть определена по изменению уровня жидкости в одной трубке, что упрощает процесс измерений.

Двухчашечный  манометр (рис. 1, 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 p_l и р₂ чашки, а следовательно, свободные поверхности жидкости находятся на одном уровне I-I. Если р₁> р₂, то чашка 2 поднимается вплоть до достижения равновесия в соответствии с уравнением (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.

 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 (n=ΔН/Δр).

 Диапазоны измерений  жидкостных манометров 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/м . Столб ртути высотой 1 м развивает давление около 136 кПа, т. е. давление, не из 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.

Дальнейшее развитие науки  и техники привело к появлению  большого количества жидкостных манометров различных типов, применяемых до настоящего времени во многих отраслях: метеорологии, авиационной и электровакуумной технике, геодезии и геологоразведке, физике и метрологии и пр. Однако, в силу ряда специфических особенностей принципа действия жидкостных манометров их удельный вес по сравнению с манометрами других типов относительно невелик и, вероятно, будет уменьшаться и в дальнейшем. Тем не менее при измерениях особо высокой точности в области давлений, близких к атмосферному давлению, они пока незаменимы. Не потеряли своего значения жидкостные манометры и в ряде других областей (микроманометрии, барометрии, метеорологии, при физико-технических исследованиях).

 

U-образные манометры

    U-образный  манометр – это жидкостный  манометр, состоящий из сообщающихся  сосудов, в которых измеряемое  давление определяют по одному или нескольким уровням жидкости.

В U-образных стеклянных манометрах свободный конец трубки сообщается с атмосферой, а к другому концу  подводится измеряемое давление. Простейшая схема измерения давления жидкостным стеклянным манометром показана на рис. 2.

Рисунок 2 - Схема функционирования  стеклянного   жидкостного манометра

 

Атмосферное давление р_атм воздействует на один конец U-образной трубки, частично заполненной рабочей жидкостью. Другой конец трубки с помощью различного рода подводящих устройств соединен с областью измеряемого давления р_абс. При р_абс > р_атм жидкость, находящаяся в части подведенного измеряемого давления, будет вытесняться в часть, соединенную с атмосферой. В результате между уровнями жидкостей, находящимися в разных частях U-образной трубки, образуется столб жидкости, высота h которого определяется из выражения 

 

                                             h = (р_абс – р_атм)/((r_ж – r_атм )g),                                            (4)

 

где р_абс – абсолютное измеряемое давление; r_ж – плотность рабочей жидкости; r_атм – то же окружающей атмосферы; g – ускорение свободного падения, принимаемое в среднем равным 9,80665 м/с², но имеющее зависимость от географической широты местности.

Высота столба рабочей  жидкости h состоит из двух частей: высоты h_1, представляющей понижение столба жидкости относительно начального – «нулевого» уровня, и высоты h₂ – отражающей его повышение в другой части U-образной трубки, т. е. увеличение относительно начального положения – («нуля»).

Плотностью окружающей среды, т. е. воздуха из-за условия rж >> rатм  можно пренебречь. Определяющее разность между абсолютным и атмосферным давлением как избыточное, зависимость (4) может быть представлена как

 

                             h = р_изб/(r_ж g).                                                                       (5)

 

Здесь р_изб – измеряемое избыточное давление.

Из (5) измеряемое избыточное давление, определяемое с помощью стеклянного жидкостного манометра, может определяться как

 

                                                   р_изб = hr_ж g.                                                                       (6)

     Для  измерения давления разряженных  газов используются жидкостные  стеклянные манометры, схема которых  представлена на рис. 3.

Рисунок 3 - Схема стеклянного жидкостного вакуумметра абсолютного давления

В этих приборах к одному концу стеклянной U-образной трубки подводится вакуумметрическое  давление, другой конец герметично запаян. Для этого случая выражение (4) в общем виде можно представить как

 

                                             – h = (р_атм – р_абс)/(r_ж g).                                                          (7)

В торце запаянного конца давление равно нулю.

Если в запаянном  конце будет находиться воздух, то вакуумметрическое избыточное давление может быть определено как

 

                                               р_атм – р_абс = р_изб – hr_ж g.                                                       (8)

В некоторых  типах приборов воздух в запаянном  конце «откачивается» и при заполнении рабочей жидкостью близко к «абсолютному нулю», т. е. прибор заполняется рабочей жидкостью под вакуумом и давление противодействия р_атм = 0. Тогда выражение (8) может быть представлено в следующем виде: 

 

                                              р_абс= hr_ж g.                                                                          (9)

Конструкция, в  которой запаянный конец перед  заполнением рабочей жидкостью  вакууммируется, может использоваться в качестве барометра. Отсчет значения барометрического давления производится по величине столба жидкости в запаянной части трубки.

Минус в уравнении (7) определяет вакуумметрическое давление. Высота столба жидкости h в этом случае определяет верхний предел диапазона измерения и является составляющей

 

                                                      h = h1 + h2.                                                              (10)

   Здесь  h1 и h2 - высота столбов жидкости, вытесненной под воздействием  измеряемого давления от начальной отметки – нуля в двух трубках U-образного манометра.

Рисунок 4 - U-образный жидкостный стеклянный мановакуумметр:

1 – U-образная  стеклянная трубка; 2 – крепежные  скобы;    3   –   основание;    4   – шкальная пластина

На рис.4 показан U-образный жидкостный стеклянный мановакуумметр. U-образная стеклянная трубка 1 с помощью скоб 2 крепится на металлическом или деревянном основании 3. На нем же между двумя трубками установлена шкальная пластина 4 с нанесенной линейной разметкой. Трубка заполняется рабочей жидкостью до нулевой отметки относительно шкальной пластины. Утолщения на концах стеклянной трубки предназначены для более плотного подсоединения резиновых шлангов. 

При измерении  избыточного давления к одному концу U-образной трубки подается среда измеряемого давления. Второй выход остается свободным и сообщается с атмосферой. Аналогичная ситуация происходит при измерении вакуумметрического давления. Симметричность линейной разметки на шкальной пластине обеспечивает применимость прибора для измерения избыточного и (или) вакуумметрического давления.

При измерении  дифференциального (разностного) давления «плюсовый» и «минусовый» каналы подсоединяются к концам стеклянной U-образной трубки 1. Из-за симметричности линейной разметки практически отсутствуют различия в соответствии подведенного давления  на концах трубки.

U-образные жидкостные  манометры с водой в качестве  рабочей жидкости могут использоваться  как напоромеры, тягонапоромеры  и тягомеры для измерения давления  воздуха, неагрессивных газов  в диапазоне ±10 кПа. При давлении ±0,1 МПа рабочей жидкостью манометра может служить ртуть. Такие приборы применяются для измерения давления воды, неагрессивных жидкостей и газов.    

 

ЧАШЕЧНЫЕ  МАНОМЕТРЫ

Чашечные (однотрубные) манометрические приборы по принципу действия идентичны двухтрубным мановакуумметрам с тем отличием, что одна трубка заменена широким резервуаром, поперечная площадь которого значительно (в 500—700 раз) превышает площадь сечения другой трубки. Для такого устройства высотой столба h₂ во второй трубке, в данном случае — в резервуаре, в (9) можно пренебречь. Тогда это выражение приобретает следующий вид:

                                                           h=h_1,                                                                        (11)

где h₁ —уровень жидкости в трубке.

Таким образом, отсчет измеряемого давления производится по одной шкале — одной трубке, вторая величина из-за ее малости исключается. Ведь h₁ превосходит h₂ во столько раз, во сколько, исходя из начальной конструкции, площадь Р₂ резервуара превышает площадь Р₁ сечения трубки, в 500—700 раз, т.е.

                                               

                                                                 (12)

Таким образом, из-за изменения уровня жидкости в  резервуаре результирующая погрешность увеличится на 1/500—1/700 от измеряемой величины h₁, чем в большинстве случаев пренебрегают.

На рис. 5 показан вид чашечного (однотрубного) манометрического измерителя, состоящего из бачка-резервуара 1, сообщающейся с ним измерительной стеклянной трубки 2, закрепленной на основании 3 со шкалой 4.

Рабочая жидкость заливается в бачок-резервуар до нулевой отметки на шкале прибора. При измерении избы точного давления р_изм измеряемая среда подается в бачок-резервуар. При работе с вакуумом среду измеряемого давления подводят к стеклянной трубке. Для дифференциального параметра линию «плюсового» давления соединяют с бачком-резервуаром, а «минусовую» — со стеклянной трубкой.