Как найти разность уровней манометра

Жидкостные
манометры отличаются простотой устройства
при относительно высокой точности
измерения. Их действие основано на
уравновешивании внешнего давления
столбом затворной (рабочей) жидкости,
в качестве которой используют ртуть,
воду, трансформаторное масло иди спирт.

U-образный
манометр (рис. 64, а) представляет
собой стеклянную трубку, изогнутую в
виде буквы U и заполненную
затворной жидкостью так, чтобы уровень
жидкости в обоих коленах находился
против нулевых отметок. Один конец
трубки подсоединяется к объему, в котором
необходимо измерить давление Р, а
второй сообщается с атмосферой. Отсчет
производится по шкале. Разность уровней
h определяет избыточное
давление Р и плотность жидкости γ.

Верхний
предел измерения U-образного
манометра составляет 10 кПа. При этом
погрешность не превышает 2 %.

U-образные
манометры используют для измерения
разрежения или разности давлений.
Основным недостатком U-образных
манометров является необходимость
снятия при каждом замере двух отсчетов.
Этот недостаток частично устранен в
чашечном манометре (рис. 64, б),
состоящем из сосудов разного диаметра.
Под действием измеряемого давления Р
уровень жидкости в чашке снижается на
высоту h₂,
значительно меньшую высоты h₁
(диаметр чашки в несколько раз больше
диаметра трубки). Разность уровней h
в чашечном манометре в основном
определяется перемещением мениска в
тонкой трубке, так как h₁ >> h₂.

Рис. 64.
Жидкостные манометры:

а
– U-образный; б – чашечный однотрубный;
в – чашечный с наклонной трубкой

Рис. 65.
Чувствительные элементы деформационных
манометров:

а
– одновитковая пружина; б – многовнтковая
пружина; в – упругая мембрана; г – мягкая
мембрана (пружинно-мембранный элемент);
о – одинарная мембранная коробка; е –
двойная мембранная коробка; ж – сильфон;
э – пружинио-сильфонный элемент

Чашечные
манометры имеют верхний предел измерения
10 кПа, а погрешность измерения составляет
0,4 … 0,25 %.

При
точных измерениях небольших избыточных
давлений и разрежений применяют
специальные чашечные манометры с
наклонной трубкой (рис. 64, в). Изменение
угла наклона α трубки позволяет при
малой высоте h₁
получить более точное измерение.

Жидкостные
стеклянные манометры не приспособлены
для записи показаний и их дистанционной
передачи. Поэтому их используют, в
основном, для местного контроля, а также
для поверки и градуировки манометров
других систем.

Работа
деформационных манометров основана на
уравновешивании давления среды силами,
возникающими при упругой деформации
специальных элементов. Деформация в
виде линейных или угловых перемещений
передается показывающему или
регистрирующему узлу прибора. Одновременно
она может быть преобразована в
электрический или пневматический сигнал
для дистанционной его передачи.

В
качестве чувствительного элемента в
этих манометрах (рис. 65) используют
одно- и многовитковые пружины, упругие
мембраны и сильфоны.

В
одно- и многовитковых пружинных манометрах
(рис. 65, а, б) измеряемое давление
подается во внутреннюю полость через
закрепленный неподвижный конец. Второй
конец пружины запаивается и соединяется
с показывающей системой. Пружины
изготовляют из латуни и других медных
сплавов, а для высоких давлений – из
хромоникелевых сталей. Поперечное
сечение пружины представляет собой
эллипс, большая ось которого перпендикулярна
к плоскости витка пружины.

При
повышении давления поперечное сечение
пружины «округляется», т. е. увеличивается
малая ось эллипса, а угол закручивания
пружины уменьшается. Шкала пружинного
манометра равномерная, так как пружина
работает в зоне пропорциональности
между деформацией и напряжением.
Перемещение свободного конца одновитковой
пружины не превышает 5 … 8 мм.
Поэтому для увеличения угла поворота
стрелки в манометрах применяют
передаточный механизм: рычажный или
зубчатый.

Манометры
с одновитковой пружиной изготовляют
образцовыми, контрольными и техническими:
классы точности – от 0,2 до 4,0; пределы
измерений 100 кПа … 1000 МПа.

Многовитковая
трубчатая пружина представляет собой
последовательное соединение нескольких
одновитковых пружин, благодаря чему
она имеет сравнительно большое перемещение
свободного конца и развивает значительные
усилия. Поэтому многовитковые пружины
широко применяют в регистрирующих
манометрах. Последние выпускают с
верхним пределом измерения до 160 МПа.

В
мембранных манометрах чувствительным
элементом являются упругая мембрана
(рис. 65, в), мягкая
мембрана, например резиновая с
дополнительной пружиной (рис. 65, г),
мембранные коробки: одинарные (рис. 65, д)
и двойные (рис. 65, е).

Мембранный
манометр типа ММ (рис. 66) предназначен
для измерения давления до 2,5 МПа.

В
манометре под действием измеряемого
давления мембрана 2, находящаяся в
коробке 1, прогибается, перемещая шток
3, соединенный через рычаг 4 с зубчатым
сектором 6. Зубчатый сектор находится
в зацеплении с зубчатым колесом 8, которое
через пружину, 9 соединено со стрелкой
7, перемещающейся по шкале 5. Снизу у
манометра предусмотрен резьбовой штуцер
для установки манометра на объект
измерения.

Мембранные
манометры применяют, как правило, для
измерения небольших давлений. Недостатками
мембранных манометров являются малая
чувствительность системы, трудность
регулировки и изменение характеристик
во времени вследствие «усталости
мембраны».

Рис. 66.
Мембранный манометр

Манометры
с упругими мембранными коробками
применяют для измерения атмосферного
давления и называются барометрами-
анероидами. Атмосферное давление
воздействует на герметически закрытую
мембранную коробку, во внутренней
полости которой создан вакуум.

Для
изготовления мембран используют бронзу,
латунь и хромоникелевые сплавы.

Принцип
действия сильфонных манометров основан
на уравновешивании измеряемого давления
силами упругой деформации чувствительного
элемента, выполненного в виде сильфона
(см. рис. 65, ж, з).
Последний представляет собой тонкостенную
цилиндрическую емкость с поперечной
гофрировкой. Сильфоны изготовляют из
фосфористой бронзы или коррозионно-стойкой
стали. Толщина стенки сильфона колеблется
в пределах 0,1 … 0,3 мм,
а диаметр изменяется от 8 до 150 мм. Упругая
характеристика сильфонов практически
линейна. Для увеличения жесткости внутри
сильфона размещают винтовую пружину
(см. рис. 65, з).

Манометры
с сильфоном выпускают для измерения
давления и перепада давлений в пределах
25 … 400 кПа
и разрежения – 0 … 98 кПа.

Принцип
действия грузопоршневых манометров
основан на уравновешивании давления
калиброванным грузом. Их применяют для
измерения высоких давлений (до 1000 МПа)
и используют в качестве образцовых и
контрольных приборов (классы точности
приборов 0,02; 0,05; 0,2). Применение поршневых
манометров для технических измерений
крайне ограничено.

Рассмотрим
устройство грузопоршневого манометра,
предназначенного для поверки рабочих
манометров и контрольных измерений
(рис. 67). Стальной сосуд 14 через воронку
10 и игольчатый клапан 9 заполняют
трансформаторным маслом. В вертикальном
цилиндре 7 выполнен канал, в который
вставлен шлифованный поршень 6 с тарелкой
для груза 5. Штуцеры 11 и 3
предназначены для ввертывания поверяемых
манометров 4. Игольчатые вентили 1, 2, 12
служат для перекрытия каналов, а вентиль
8 для спуска масла. Рабочее давление в
сосуде определяется массой груза 5.
Перемещение поршня 13 вызывает подъем
поршня 6 с грузом.

Электрические
манометры используют главным образом
для измерения сверхвысоких и пульсирующих
с высокой частотой давлений. Работа
электрических манометров основана на
зависимости электрических характеристик
чувствительных элементов от давления.
К числу таких приборов можно отнести
пьезоэлектрические, индукционные и
тензометрические манометры.

В
пьезоэлектрических манометрах
используется пьезоэлектрический эффект,
под которым понимают появление
электрических зарядов на поверхности
ряда кристаллических диэлектриков при
их деформации. К числу таких диэлектриков
принадлежат кварц, сегнетова соль,
турмалин, титанат бария и керамика ЦТС
(цирконат-титанат свинца). Достоинством
пьезоэлектрических манометров является
малая инерционность, поэтому их применяют
для измерения давлений, пульсирующих
с высокой частотой.

Рис. 67.
Схема грузопоршневого манометра

Рис. 68.
Схема индуктивного (индукционного)
манометра

У
манометров с электрическим индуктивным
выходом давление, измеряемое упругим
чувствительным элементом, преобразуется
в электрический сигнал, передаваемый
индуктивным преобразователем на
вторичный прибор.

Наиболее
распространенным манометром этого типа
является электрический дистанционный
манометр МЭД. В корпусе диаметром 160 мм
помещены держатель с трубчатой
одновитковой пружиной, передаточный
механизм и индукционная катушка. Давление
Р контролируемой системы (рис. 68)
подводится к трубчатой пружине 1 через
радиальный штуцер и, вызывая ее деформацию,
перемещает магнитопровод 3 индукционной
катушки. Каждому значению измеряемого
давления соответствует определенное
положение магнитопровода в катушке.
Катушка 2 манометра и катушка вторичного
прибора 4 включены по
дифференциально-трансформаторной
схеме. Выходной параметр прибора –
взаимная индуктивность между первичными
и вторичными цепями трансформатора.
Чем больше погружен магнитопровод, тем
большее напряжение подводится во
вторичной обмотке и поступает по
вторичному прибору.

Индукционные
манометры работают в комплекте со
вторичными взаимозаменяемыми приборами
и системами централизованного контроля
и регулирования. Манометры МЭД выпускают
с верхним пределом показаний 160 МПа
и классами точности 1 и 1,5.

Тензометрические
манометры имеют в качестве чувствительного
элемента мембрану с наклеенными на нее
тензорезисторами. Их принцип действия
заключается в непосредственном
преобразовании деформации упругой
мембраны под воздействием давления в
изменение электрического сопротивления
резисторов.

Таблица
9

Соседние файлы в предмете Электротехника

• #
• #
• #
• #
• #
• #

Приборы для измерения давления, создаваемого жидкостями и газами, называют манометрами (от греч. манос – «редкий», «неплотный»). Рассмотрим устройство некоторых видов манометров.

На рис. 160 показан жидкостный манометр. Он представляет собой U-образную стеклянную трубку, частично наполненную жидкостью. Если давления над поверхностями жидкости в обоих коленах одинаковы, например равны атмосферному давлению pатм, то поверхности жидкостей установятся на одном уровне. Если же давление над поверхностью жидкости в левом колене увеличить (см. рис. 160, б), то ситуации изменится: уровень жидкости в левом колене опустится под действием давления воздуха p1 > p_атм, а в правом колене – поднимется. При этом чем больше увеличится давление в левом колене, тем большей станет разность уровней жидкости в коленах манометра.

Пусть давление над поверхностью жидкости в левом колене равно p₁, а в правом – p_атм. Высота левого столба жидкости – h₁, а правого – h₂. Применим формулу для расчета гидростатического давления в нижней точке A трубки манометра. Это давление можно вычислить двумя способами. Рассматривая жидкость в левом колене, получим: p_A = p₁ + ρ · g · h₁; соответственно для правого колена: p_A = p_атм + ρ · g · h₂.

Приравнивая эти выражения, получим:

p₁ = p_атм + ρ · g · (h₂ — h₁) = p_атм + ρ · g · Δh

Таким образом, если известна плотность ρ жидкости, то, измеряя разность Δh высот столбов жидкости в коленах манометра, можно определить, на какую величину неизвестное давление p₁ отличается от атмосферного. Из полученной формулы следует, что если Δh > 0, т. е. h₂ > h₁, то измеряемое давление в левом колене больше атмосферного. Наоборот, если Δh < 0, т. е. h₂ < h₁, то измеряемое давление p₁ меньше атмосферного (см. рис. 160, в).

Продолжим анализ полученной формулы. Измеряемая разность давлений p₁ — pатм = ρ · g · Δh. Поэтому если перепад давлений достаточно большой, то для его измерения необходимо либо использовать трубку большой длины (для больших значений Δh), либо использовать жидкость с большой плотностью ρ. На практике в жидкостных манометрах обычно используют ртуть, плотность которой равна 13,6 г/см³. Поэтому давление часто измеряют в несистемных единицах – миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Давление столба ртути высотой 1 мм равно p = ρgh = 133,3 Па. (Нормальное атмосферное давление на уровне моря равно 101,325 кПа, что соответствует 760 мм рт. ст.)

Теперь представим себе, что давление в левом колене манометра над поверхностью жидкости равно нулю. Тогда полученная формула примет вид: p₁ = 0 = p_атм + ρg(h₂ — h₁). Следовательно, pатм = ρg(h₁ — h₂). Этой формулой можно воспользоваться для измерения атмосферного давления.

Впервые атмосферное давление измерил в 1643 г. итальянский ученый Э. Торричелли. Для получения нулевого давления над поверхностью ртути (что соответствует атмосферному давлению на высоте более 100 км) он поступил следующим образом. Заполнив ртутью запаянную с одного конца стеклянную трубку длиной 1 м и закрыв пальцем отверстие, он перевернул трубку и погрузил незапаянный конец трубки в чашку с ртутью. После этого он убрал палец и обнаружил, что из трубки вылилась только часть ртути (рис. 161). В результате над поверхностью ртути в трубке образовалось не заполненное воздухом пространство – «торричеллиева пустота». Высота h столба оставшейся в трубке ртути, равная разности высот столбов ртути в трубке (h₁) и чашке (h₂), составила примерно 760 мм. При этом разность давлений, создаваемых в точке A столбом ртути в трубке и столбом ртути в чашке, уравновешивается давлением атмосферы на открытую поверхность ртути в чашке:

0 + ρgh₁ = p_атм + ρgh₂

Следовательно,

p_атм = ρg(h₁ — h₂) = ρgh

Если к такой трубке с ртутью прикрепить шкалу с нанесенными на ней делениями в миллиметрах, то получится ртутный барометр – прибор для измерения атмосферного давления в миллиметрах ртутного столба.

В настоящее время для измерения атмосферного давления используют безжидкостные приборы, получившие название барометров-анероидов. (Анероид в переводе с греческого – «безжидкостный».) Устройство одного из таких приборов показано на рис. 162. Основным элементом барометра-анероида является круглая металлическая коробка 1, закрытая тонкой гофрированной крышкой – мембраной. Из коробки откачан воздух, и мембрана под действием атмосферного давления прогибается внутрь коробки. К центру мембраны прикреплена пружина 2. При изменении атмосферного давления величина прогиба мембраны изменяется, что фиксируется с помощью стрелки 3, закрепленной на оси вращения 4. Такой прибор обычно имеет две шкалы (рис. 16З). Одна шкала проградуирована в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.), другая – в гектопаскалях (гПа).

Как уже отмечалось, с увеличением высоты над поверхностью Земли атмосферное давление уменьшается. Поэтому по измерениям атмосферного давления на различных высотах можно судить о высоте подъема над поверхностью Земли. В барометрах, применяемых в авиации, шкалу градуируют в метрах, а прибор называют высотомером.

На практике для измерения давления часто используют трубчатые манометры. Устройство подобного прибора показано на рис. 164. Основным его элементом является изогнутая в дугу упругая металлическая трубка 1. Один жестко закрепленный конец этой трубки подсоединяется к системе, в которой необходимо измерить давление. Другой конец трубки запаян и находится в свободном положении. При увеличении давления внутри трубки она начинает разгибаться. В результате ее свободный конец перемещается относительно корпуса прибора. Это смещение вызывает поворот стрелки 2.

Подобные манометры позволяют измерять давление от сотен паскалей до нескольких гигапаскалей (10⁹ Па) и поэтому широко используются на практике. В частности, их применяют для измерения давления в шинах автомобилей, давления в водопроводных и газовых трубах и т. п.

Итоги

Приборы для измерения давления, создаваемого жидкостями и газами, называют манометрами.

Жидкостные манометры основаны на измерении разности высот столбов однородной жидкости в сообщающихся сосудах, один из которых находится под действием атмосферного давления. Измеряемая разность давлений равна

p₁ — p_атм = ρgΔh

Приборы для измерения атмосферного давления называют барометрами. Существуют ртутные барометры и барометры-анероиды (безжидкостные барометры).

Изменение (уменьшение) давления с увеличением высоты над поверхностью Земли позволяет использовать барометры для определения высоты полета летательных аппаратов.

Вопросы

1. Как называют приборы для измерения давления?
2. Какие виды приборов для измерения давления вы знаете?
3. Как устроен жидкостный манометр?
4. Как устроен барометр-анероид?
5. Как устроен трубчатый манометр?
6. Что такое высотомер?
7. Расскажите об опыте Торричелли.
8. Являются ли чашка и трубка в опыте Торричелли (см. рис. 161) сообщающимися сосудами?

Упражнения

1. Определите высоту столба воды, действие которого уравновесит атмосферное давление.
2. В течение суток барометр показывал давление: 740; 746; 752 мм рт. ст. Пересчитайте эти показания в Па.
3. Опустите стакан полностью в тазик с водой. Затем переверните стакан под водой вверх донышком и медленно поднимайте его. Объясните, почему вода из стакана не будет выливаться, пока края стакана не поднимутся выше уровня воды в тазике.
4. Как изменится показание барометра-анероида при его подъеме на высоту 300 м над поверхностью Земли?

1.  Разность уровней
ртути в манометре, мм.рт.ст/ кПа

                                      
открытом

                                      
закрытом

2.  Давление газа в
первом сосудеV1, кПа

3.  Цена деления
шкалы, кПа

                                       
манометра

                                    
вакуумметра

4.  Показания
манометра, кПа

5.  Давление во
втором сосуде V2 , кПа

6. Направление
перетекания газа при открытом кране

1.  Разность уровней
ртути в манометре, мм.рт.ст/ кПа

                                      
открытом

                                      
закрытом

2.  Давление газа в
первом сосудеV1, кПа

3.  Цена деления
шкалы, кПа

                                       
манометра

                                    
вакуумметра

4.  Показания
манометра, кПа

5.  Давление во
втором сосуде V2 , кПа

6.  Направление
перетекания газа при открытом кране

1.  Разность уровней
ртути в манометре, мм.рт.ст/ кПа

                                      
открытом

                                      
закрытом

2.  Давление газа в
первом сосудеV1, кПа

3.  Цена деления
шкалы, кПа

                                       
манометра

                                    
вакуумметра

4.  Показания
манометра, кПа

5.  Давление во
втором сосуде V2 , кПа

6. Направление
перетекания газа при открытом кране

1.  Разность уровней
ртути в манометре, мм.рт.ст/ кПа

                                      
открытом

                                      
закрытом

2.  Давление газа в
первом сосудеV1, кПа

3.  Цена деления
шкалы, кПа

                                       
манометра

                                    
вакуумметра

4.  Показания
манометра, кПа

5.  Давление во
втором сосуде V2 , кПа

6. Направление
перетекания газа при открытом кране

1.  Разность уровней
ртути в манометре, мм.рт.ст/ кПа

                                      
открытом

                                      
закрытом

2.  Давление газа в
первом сосудеV1, кПа

3.  Цена деления
шкалы, кПа

                                       
манометра

                                    
вакуумметра

4.  Показания
манометра, кПа

5.  Давление во
втором сосуде V2 , кПа

6. Направление
перетекания газа при открытом кране

1.  Разность уровней
ртути в манометре, мм.рт.ст/ кПа

                                      
открытом

                                      
закрытом

2.  Давление газа в
первом сосудеV1, кПа

3.  Цена деления
шкалы, кПа

                                       
манометра

                                    
вакуумметра

4.  Показания
манометра, кПа

5.  Давление во
втором сосуде V2 , кПа

6. Направление
перетекания газа при открытом кране

1.  Разность уровней
ртути в манометре, мм.рт.ст/ кПа

                                      
открытом

                                      
закрытом

2.  Давление газа в
первом сосудеV1, кПа

3.  Цена деления
шкалы, кПа

                                       
манометра

                                    
вакуумметра

4.  Показания
манометра, кПа

5.  Давление во
втором сосуде V2 , кПа

6. Направление
перетекания газа при открытом кране

1.  Разность уровней
ртути в манометре, мм.рт.ст/ кПа

                                      
открытом

                                      
закрытом

2.  Давление газа в
первом сосудеV1, кПа

3.  Цена деления
шкалы, кПа

                                       
манометра

                                    
вакуумметра

4.  Показания
манометра, кПа

5.  Давление во
втором сосуде V2 , кПа

6. Направление
перетекания газа при открытом кране

1.  Разность уровней
ртути в манометре, мм.рт.ст/ кПа

                                      
открытом

                                      
закрытом

2.  Давление газа в
первом сосудеV1, кПа

3.  Цена деления
шкалы, кПа

                                       
манометра

                                    
вакуумметра

4.  Показания
манометра, кПа

5.  Давление во
втором сосуде V2 , кПа

6.  Направление
перетекания газа при открытом кране

1.  Разность уровней
ртути в манометре, мм.рт.ст/ кПа

                                      
открытом

                                      
закрытом

2.  Давление газа в
первом сосудеV1, кПа

3.  Цена деления
шкалы, кПа

                                       
манометра

                                    
вакуумметра

4.  Показания
манометра, кПа

5.  Давление во
втором сосуде V2 , кПа

6.  Направление
перетекания газа при открытом кране

1.  Разность уровней
ртути в манометре, мм.рт.ст/ кПа

                                      
открытом

                                      
закрытом

2.  Давление газа в
первом сосудеV1, кПа

3.  Цена деления
шкалы, кПа

                                       
манометра

                                    
вакуумметра

4.  Показания
манометра, кПа

5.  Давление во
втором сосуде V2 , кПа

6.  Направление
перетекания газа при открытом кране

2018-11-04

У-образный манометр для измерения давления

Избыточное давление определяется разностью уровней жидкости в трубках и зависит от плотности жидкости.

Для измерения давления с помощью У-образной трубки достаточно воспользоваться основным уравнением гидростатики.

На рисунке представлена U-образная трубка, заполненная жидкостью.

Разность уровней в ветвях трубки обусловлена разницей давлений P1 и P2.
Запишем значение давление в основании через Р1 и через Р2:

Р₀=P₁+ρgh₁
Р₀=P₂+ρgh₂

• где P₁ -давление над левым столбом жидкости;
• h₁ — высота левого столба жидкости;
• P₂ — давление над правым столбом жидкости;
• h₂ — высота правого столба жидкости;
• P₀ — давление в основании U-образной трубки;
• g — ускорение свободного падения;
• ρ — плотность жидкости.

Приравняв правые части уравнений получим:

P₁+ρgh₁=P₂+ρgh₂

Получается, что зная одно из давлений можно определить другое:

P₁=P₂+ρg(h₂-h₁)

Если, предположить, что правая ветвь соединена с атмосферой, то избыточное давление P₁, можно определить по формуле:

P₁=ρg(h₂-h₁)

Для проведения измерений У-образные трубки заполняют спиртом, водой или ртутью.

При точных измерениях давления с помощью U-образного давления следует вносить поправки на положение прибора и температурное расширение манометрической жидкости.

Чашечный манометр

Чашечный манометр — это разновидность у-образного манометра, у которого одна из трубок расширена, и выполнена в виде чашки.

Чашечный манометр более удобен для проведения точных измерений, так как уровень в чашке остается практически постоянным. Значит постоянной будет и поправка на положение прибора.

Для измерений удобно использовать шкалу, ноль которой совмещен с уровнем в чашке.