Лабки_метрология

3 Классификация приборов для измерения давления

Приборы для измерения давления подразделяются на:

а) манометры – для измерения абсолютного и избыточного давления;

б) вакуумметры – для измерения разряжения (вакуума);

в) мановакуумметры – для измерения избыточного давления и вакуума;

г) напоромеры – для измерения малых избыточных давлений (верхний предел измерения не более 0,04МПа);

д) тягомеры – для измерения малых разряжений (верхний предел измерения до 0,004МПа);

е) тягонапоромеры – для измерения разряжений и малых избыточных давлений;

ж) дифференциальные манометры – для измерения разности давлений;

з) барометры – для измерения барометрического давления атмосферного воздуха.

4 Жидкостные манометры и дифманометры

В жидкостных манометрах измеряемое давление или разность давлений уравновешивается давлением столба жидкости. В приборах используется принцип сообщающихся сосудов, в которых уровни рабочей жидкости совпадают при равенстве давлений над ними, а при неравенстве занимают такое положение, когда избыточное давление в одном из сосудов уравновешивается гидростатическим давлением избыточного столба жидкости в другом. Большинство жидкостных манометров имеют видимый уровень рабочей жидкости, по которому осуществляется непосредственное снятие показаний. Эти приборы используются в лабораторной практике и при проведении промышленных испытаний.

21

4.1 О д н о т р у б н ы е м а н о м е т р ы

Для повышения точности отсчета разности высот уровней используются однотрубные (чашечные) манометры. В однотрубном манометре одна трубка заменена широким сосудом, в который подается большее из измеряемых давлений. Трубка, прикрепленная к шкальной пластине, является измерительной и соединяется с атмосферой, при измерении разности давлений к ней подводится меньшее из давлений.

Рабочая жидкость заливается в манометр до нулевой отметки.

Под действием давления часть рабочей жидкости из широкого сосуда перетекает в измерительную трубку. Поскольку объем жидкости,

вытесненной из широкого сосуда, равен объему жидкости, поступившей в измерительную трубку, то:

h1 · F = h2 · f,

где f, F – площадь поперечного сечения измерительной трубки и широкого сосуда.

Рис. 4.1. – Схема чашечного (однотрубного) манометра

22

Если для повышения точности измерения необходимо учесть это

изменение, то шкала градуируется в единицах давления согласно уравнению:

р1 – р 2 = gρ(h1 + h 2 ) = gρh 2 (1+ f/F).

4.2Д в у х т р у б н ы е ж и д к о с т н ы е м а н о м е т р ы

Для измерения давления и разности давлений используют двухтрубные манометры и дифманометры с видимым уровнем, часто называемые U-

образными. Принципиальная схема такого манометра представлена на рис. 4.2. Две вертикальные соединенные стеклянные трубки 1 и 2 диаметром

8…10мм закреплены на металлической или деревянной основе 3, к которой прикреплена шкальная пластинка 4. Трубки заполняются рабочей жидкостью до нулевой отметки. В трубку 1 подается измеряемое давление, трубка 2

соединена с атмосферой. При измерении разности давлений к обеим трубкам подводят измеряемые давления.

Рис. 4.2. – Схема двухтрубного манометра

23

Столб жидкости высотой h уравновешивает разность давлений:

р1 – р 2 = g ρ h,

где g – местное ускорение свободного падения, м/с2;

ρ – плотность рабочей жидкости, кг/м3.

В качестве рабочей жидкости используется вода, ртуть, спирт,

трансформаторное масло. Таким образом, в жидкостных манометрах функции чувствительного элемента, воспринимающего изменения измеряемой величины, выполняет рабочая жидкость. Выходной величиной является разность уровней, входной – давление или разность давлений.

Двухтрубные манометры с водяным заполнением используются для измерения давления, разрежения, разности давлений воздуха и неагрессивных газов в диапазоне до ±10кПа.

5 Микроманометры

Для измерения давления и разности давлений до 3кПа (300кГс/м2)

используются микроманометры, которые являются разновидностью однотрубных манометров и снабжены специальными приспособлениями либо для уменьшения цены деления шкалы, либо для повышения точности считывания высоты уровня за счет использования оптических или других устройств. Наиболее распространенные лабораторные микроманометры — это микроманометры типа ММН с наклонной измерительной трубкой

(рис. 5.1). Показания микроманометра определяются по длине столбика рабочей жидкости п в измерительной трубке 1, имеющей угол наклона а.

На рис. 5.1 кронштейн 3 с измерительной трубкой 1 крепится на секторе 4 в одном из пяти фиксированных положений, которым соответствуют к = 0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 0,8 и пять диапазонов измерения прибора

24

от 0,6кПа (60 кГс/м2) до 2,4 кПа (240 кГс/м2). Приведенная погрешность измерений не превышает 0,5 %. Минимальная цена деления при к = 0,2

составляет 2 Па (0,2 кГс/м2), дальнейшее снижение цены деления, связанное с уменьшением угла наклона измерительной трубки, ограничено снижением точности считывания положения уровня рабочей жидкости из-за растягивания мениска.

Рис. 5.1. – Принципиальная схема микроманометра ММН:

1 — измерительная трубка; 2 — сосуд; 3 — кронштейн; 4 — сектор.

Более точными приборами являются микроманометры типа ММ,

называемые компенсационными. Погрешность считывания высоты уровня в этих приборах не превышает ±0,05 мм в результате использования оптической системы для установления начального уровня и микрометрического винта для измерения высоты столба рабочей жидкости,

уравновешивающего измеряемое давление или разность давлений.

6 Барометры

Барометры применяются для измерения атмосферного давления.

Наиболее распространенными являются чашечные барометры с ртутным заполнением, отградуированы в мм рт.ст. Погрешность считывания высоты столба не превышает ± 0,1мм, что достигается использованием нониуса,

25

сочетающегося с верхней частью мениска ртути. При точном измерении атмосферного давления необходимо вводить рассмотренные выше поправки на отклонения ускорения свободного падения от нормального и значение температуры барометра, измеряемой термометром. При диаметре трубки менее 8 – 10мм учитывается капиллярная депрессия, обусловленная поверхностным натяжением ртути.

Ртутным барометром пользоваться неудобно и небезопасно, поэтому изобрели барометр-анероид (от греч. аneros – безжидкостный),

изображенный на рис. 6.1 и 6.2.

Рис. 6.1. – Внешний вид барометра-анероида

Рис. 6.2. – Внутреннее устройство барометра-анероида

26

Его основной частью является круглая металлическая коробка 1 с

волнистыми (гофрированными) основаниями. Путем откачивания воздуха внутри этой коробки создано сильное разрежение. При повышении атмосферного давления коробка сжимается, и ее верхняя (прогибающаяся)

поверхность начинает тянуть прикрепленную к ней пружину 2. При уменьшении давления пружина разгибается, и верхнее основание коробки приподнимается. К пружине с помощью передаточного механизма 3

прикреплена стрелка-указатель 4. Эта стрелка перемещается по шкале 5.

Градуировку шкалы анероида осуществляют и выверяют по показаниям ртутного барометра.

7 Деформационные манометры

Большинство деформационных манометров (рис. 7.1) содержат упругие чувствительные элементы (трубчатые пружины (трубки Бурдона), плоские и гофрированные мембраны, мембранные коробки, сильфоны), выполняющие преобразование давления в пропорциональное перемещение рабочей точки.

Рис. 7.1. – Чувствительные элементы деформационных манометров:

а – трубчатая пружина.

27

Изменение давления р вызывает деформацию трубки и перемещение ее свободного конца (при подаче на вход манометра ризб трубка разжимается, а

при подаче разрежения – сжимается).

б – мембрана.

Изготавливается в виде тонкой пластинки из нержавеющей стали,

резины, пластмассы. Недостаток: небольшой ход чувствительного элемента.

в) сильфон – гофрированный тонкостенный сосуд, выполненный из упругого материала (латунь, коррозионностойкая сталь). Обычно число гофр

4 – 24, длина 13 – 100мм, диаметр 12 – 100мм, рабочий ход сильфона

2 – 21мм.

28

Для всех трех случаев:

∆h = k∆Р,

где k – коэффициент усиления трубчатой пружины, мембраны или сильфона, соответственно.

В деформационных манометрах используется зависимость деформации чувствительного элемента или силы, которую ее развивает, от измеряемого давления. Пропорциональная давлению деформация или сила превращается в показания или соответствующие изменения выходного сигнала.

Деформация чувствительных элементов может преобразовываться в электрический сигнал с помощью преобразователей перемещений

(потенциометрического, индуктивного, емкостного, тензометрического).

8 Трубчато-пружинные показывающие манометры

Большинство показывающих манометров и преобразователей давления с трубчатой пружиной, сигнализирующих или самопишущих, являются устройствами прямого преобразования, в которых давление последовательно преобразуется в перемещение чувствительного элемента и связанного с ним механического или контактного устройства пневматического элемента или электрического преобразователя, регистрирующего результаты.

Схема трубчато-пружинного манометра представлена на рис. 8.1.

Одновитковой трубчатая пружина 1 одним концом приварена к держателю 2,

прикрепленному к корпусу манометра. Нижняя часть держателя заканчивается шестигранной головкой и штуцером, с помощью которого к манометру присоединяется трубка, подводящая давление. Свободный конец пружины 1 припаян к пробке 3, которая шарнирно соединяется с поводком 4.

При перемещении свободного конца пружины поводок поворачивает зубчатый сектор 5 относительно оси О, вызывая поворот шестерни (трибки) 6

29

и показывающей стрелки 7, находящийся на одной оси с ней. Пружина, не показанная на рисунке, обеспечивает прижимание зубцов трибки к зубцам сектора, устраняя люфт. Статическая характеристика манометра может корректироваться путем изменения точки закрепления поводка 4 в прорези сектора 5.

Рис 8.1. – Трубчато-пружинный показывающий манометр

Трубчато-пружинные показывающие манометры выпускаются с верхним пределом измерения от 0,1МПа (1кГс/см2) до 103МПа

(104кГс/см2) в соответствии со стандартным рядом. Пружинные вакуумметры имеют диапазон измерения 0,1 – 10,0МПа, а мановакуумметры при нижней границе измерения 0,1МПа имеют верхний предел измерения по избыточному давлению от 0,1 до 2,4МПа.

30