Тема 7 Приборы для измерения давления

Приборы для измерения давления весьма разнообразны. Они классифицируются по различным признакам.

По характеру измеряемой величины приборы разделяют на такие группы:

1. Приборы для измерения атмосферного давления - барометры.

2. Приборы для измерения разности абсолютного и атмосферного

давлений, т.е. избыточного и вакуумметрического давлений:

w манометры – приборы, измеряющие избыточное давление ;

w вакуумметры – приборы, измеряющие вакуум (разрежение) ;

w мановакуумметры – приборы, измеряющие и избыточное давление и вакуум.

4. Приборы для измерения абсолютного давления р - манометры абсолютного давления. Манометры абсолютного давления обычно применяют для измерения малых абсолютных давлений.

4. Приборы для измерения разности давлений – дифференциальные манометры.

5. Приборы для измерения малого избыточного давления и вакуума – микроманометры.

По принципу действия различают приборы:

· жидкостные;

· пружинные;

· поршневые;

· электрические;

· комбинированные и др.

К жидкостным относятся приборы, основанные на использовании гидростатического закона распределения давления. Принцип действиязаключается в том, что измеряемое давление уравновешивается давлением, создаваемым весом столба рабочей жидкости. Высота столба рабочей жидкости служит мерой давления.

Действие пружинных приборов основано на применении закона Гука. Сила давления деформирует упругий элемент прибора. Деформация упругого элемента пропорциональна давлению и служит его мерой. Упругий элемент прибора – пружина может представлять собой мембраны (плоские, выпуклые, гофрированные), сильфоны (тонкостенные трубки с поперечной гофрировкой), трубчатые пружины овального сечения (пружины Бурдона).

В поршневых приборах сила измеряемого давления жидкости, приложенная к поршню прибора, уравновешивается внешней силой, величина которой служит мерой давления.

Действие электрических приборов основано на использовании пропорциональности между изменением некоторых электрических свойств материалов и изменением давления. Например, омическое сопротивление некоторых сплавов пропорционально давлению окружающей среды. Это свойство используется для измерения высоких давлений. При измерении быстропеременных давлений используется свойство проводников изменять электрическое сопротивление при деформации. Электрический проволочный датчик наклеивают на упругий элемент, деформирующийся под действием измеряемого давления.

К комбинированным относятся приборы, принцип действия которых носит смешанный характер (например, электромеханические приборы).

Основными характеристиками приборов, измеряющих давление, являются:

· класс точности;

· диапазон измеряемых давлений;

· чувствительность;

· линейность – линейная зависимость между измеряемой величиной и показанием прибора;

· быстродействие.

Жидкостные приборы

Основными преимуществами жидкостных приборов являются:

· простота устройства;

· стабильность показаний;

· высокая точность измерений.

Основными недостатками жидкостных приборов являются:

§ узость диапазона измеряемых давлений (от 10 до 10⁵ Па);

§ хрупкость стеклянных трубок;

§ необходимость пользоваться для увеличения диапазона измеряемых давлений ртутью и другими жидкостями, пары которых ядовиты.

С целью уменьшения ошибки из-за капиллярности в приборах используют стеклянные трубки диаметром 10…15 мм для воды и 6…9 мм для ртути.

Ртутный барометр (рис. 13). Основная часть барометра – вертикальная толстостенная стеклянная трубка со шкалой и с запаянным верхним концом, из которой полностью удален воздух. Нижний конец трубки опущен в чашу с ртутью, в которой на свободную поверхность рабочей жидкости действует атмосферное давление.

Следствие из закона Паскаля для горизонтального уровня , совмещенного с поверхностью ртути в чаше, позволяет приравнять атмосферное давление и давление столба ртути в трубке, то есть

р_бар = р_рт = r_р × g × h,

Рисунок 13 – Принципиальная схема жидкостного барометра

Пьезометр (от греч. piezo - давлю). Обычно применяется для измерения избыточного (манометрического) давления в рассматриваемой точке. Представляет собой вертикальную стеклянную трубку со шкалой. Верхний конец трубки открыт в атмосферу. Нижний конец пьезометра соединяется с местом измерения давления (рис. 15).

Рисунок 15 – Пьезометр Рисунок 16 - Вакуумметр

Абсолютное давление в точке С в соответствии с основным гидростатическим законом определяется выражением

р_с = р_бар + r × g × h_c,

где - плотность жидкости;

- глубина погружения точки, в которой измеряется давление, относительно уровня жидкости в пьезометрической трубке.

h_c = = .

где – плотность рабочей жидкости (ртути), ;

– ускорение свободного падения, ;

– высота столба ртути в трубке, м.

Высота h является мерой атмосферного давления .

Вакуумметр жидкостной (обратный пьезометр). Представляет собой вертикальную стеклянную трубку со шкалой. Один конец трубки соединяется с местом измерения давления. Второй конец трубки опущен в чашу с рабочей жидкостью (рис. 16). Условие равенства давлений, записанное для поверхности , совмещенной со свободной поверхностью рабочей жидкости в чаше, в случае вакуумметра имеет вид

p_A + r_р × g × h_вак = р_бар.

Из этой формулы получаем выражение, определяющее численно вакуумметрическую высоту

h_вак = = .

U – образный манометр. Представляет собой U – образную стеклянную трубку со шкалой, заполненную рабочей жидкостью до нулевой отметки. Одна ветвь манометра открыта в атмосферу, другая соединена с местом, где измеряется давление. На рис. (17 а и б) показаны U – образные манометры для изменения избыточного и вакуумметрического давлений. На рис. (17, в) показан U – образный манометр для измерения абсолютного давления. В этом случае одна ветвь манометра соединена с местом, где измеряется давление, а вторая ветвь запаяна и из нее удален воздух (р_нп » 0).

При измерении избыточного давления для горизонтального уровня справедливо выражение

р_А = р_бар + r_р × g × Dh,

где - разность уровней рабочей жидкости в ветвях манометра.

Очевидно, что измеренное определяется избыточное давление

Dh = = .

При измерении вакуумметрического давления для горизонтального уровня n-n справедливо выражение

p_А + r_р × g × Dh = p_бар.

Измеренная разность уровней рабочей жидкости в ветвях манометра является мерой вакуумметрического давления

Dh = = .

Рисунок 17 – U-образный манометр для измерения избыточного (а), вакуумметрического (б) и полного (в) давлений

При измерении абсолютного давления в сосуде (трубопроводе) для горизонтального уровня условие равенства давлений имеет вид

п_А = r_р × g × Dh.

Разность уровней в ветвях манометра является мерой абсолютного давления в резервуаре

Dh = .

Дифференциальный манометр применяется для измерения разности давлений. Представляет собой U – образный манометр, обе ветви которого присоединяются к местам измерения давления (рис. 18). Разность давлений в рассматриваемых точках определяется разностью уровней рабочей жидкости в ветвях манометра.

Для горизонтального уровня справедливо выражение

p_А + r × g × Dh = p_B + r_р × g × Dh

или

p_A – p_B = (r_p - r) × g × Dh.

Если в рассматриваемых объемах, в которых измеряется разность давлений, находится газ, то изменением весового давления в газе, заполняющем часть измерительной трубки, обычно пренебрегают. Это, как правило, допустимо, так как плотность газов на три порядка меньше плотности жидкостей. Тогда условие равенства давлений горизонтального уровня принимает вид

p_А = p_B + r_р × g × Dh.

Измеренная разность уровней рабочей жидкости в ветвях манометра является мерой разности давлений в рассматриваемых точках

Dh = .

Микроманометр применяется для измерения давления и разности давлений с достаточно высокой точностью. Представляет собой чашу, заполненную рабочей жидкостью, с наклонной трубкой и наклонной шкалой (рис. 19). При измерении малых давлений в газах для увеличения точности в качестве рабочих жидкостей в приборах применяют легкие жидкости, например, спирт. Показанием прибора является величина l смещения жидкости в наклонной трубке.

Рисунок 18 – Дифференциальный Рисунок 19 - Микроманометр

манометр

Для уровня справедливо

p = p_бар + r_р × g × h.

Поскольку , избыточное давление на поверхности жидкости в чаше равно

р_изб = р – р_бар = r_р × g × l × sina,

где - расстояние, на которое перемещается рабочая жидкость по шкале прибора при замере;

- угол наклона трубки к горизонту.

Точность прибора возрастает с уменьшением угла наклона трубки, так как при этом увеличивается показание прибора, соответствующее данному давлению р. Приборы с наклонной трубкой применяют для измерений давлений, равных 240…1470 Па.

Пружинные приборы

Основными преимуществами пружинных приборов являются:

· портативность;

· универсальность;

· простота устройства;

· простота применения;

· широкий диапазон измеряемых давлений.

Основным недостаткомпружинных приборов является нестабильность их показаний, вызываемая рядом причин: постепенным изменением упругих свойств деформируемого элемента, возможным возникновением остаточной деформации в нем, износом передаточного механизма.

Трубчатые пружинные приборы измеряют давление в пределах от до 1× Па; погрешность измерений 1…3%. Мембранные приборы применяют для измерения вакуума и избыточного давления, не превышающего 2,5 МПа.

Манометр, вакуумметр и мановакуумметр с одновитковой трубчатой пружиной (рис. 20). Основной деталью прибора является согнутая в дуге окружности полая трубка, имеющая в сечении овальную форму (пружина Бурдона). Один конец трубки запаян. Измеряемое давление р передается внутрь трубки через второй открытый ее конец. Под действием разности давлений в корпусе прибора и внутри полой трубки р пружина деформируется.

Если р > р_бар, то избыточное давление разгибает трубку 1. если р < р_бар, то трубка сгибается, так как в ней устанавливается вакуумметрическое давление (разрежение). Запаянный конец трубки, перемещаясь, приводит в действие передаточный механизм 2. Стрелка прибора перемещается относительно шкалы 3, проградуированной в единицах давления.

Приборы с мембранной пружиной. Упругим элементом мембранного прибора является мембрана 2 (рис. 21), представляющая собой гофрированную металлическую пластинку, закрепленную между фланцами нижней и верхней частей корпуса прибора. На мембрану через канал штуцера 1 передается давление p, под действием которого мембрана прогибается. Через передаточный механизм 3 прогиб передается на стрелку прибора, скользящую по шкале.

1 – трубчатая пружина манометра;

2 – передаточный механизм; 1 – штуцер; 2 – мембрана;

3 – шкала; 4 – штуцер 3 – передаточный механизм

Рисунок 20 – Пружинный манометр Рисунок 21 – Мембранный манометр