1.1. Основные теоретические сведения

Для измерения давления в жидкостях или газе наибольшее распространение получили жидкостные и пружинные приборы.

К жидкостным относятся приборы, основанные на гидростатическом принципе: измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, высота которого служит мерой давления.

В пружинных приборах действию измеряемого давления подвергается упругий элемент (трубка, мембрана, сильфон), в нем возникает деформация, значение которой в единицах давления фиксируется на шкале прибора.

В соответствии с основным уравнением гидростатики давление в любой точке жидкости определяется по формуле:

р = р0 + ρgh,

(1)

где р₀ – давление на поверхности жидкости, Н/м²;

ρ – плотность жидкости, кг/м³;

h – глубина погружения точки под уровень жидкости, м.

Если давление на свободной поверхности равно атмосферному, то давление, рассчитанное по формуле (1), называется абсолютным, а разность абсолютного давления и атмосферного (р – р_атм = р_изб) – избыточным. Все манометры измеряют избыточное давление, а абсолютное определяется по показаниям манометра и барометра.

Давление в жидкости может быть меньше атмосферного. Недостаток давления до атмосферного называется вакуумом. Понятие об абсолютном, избыточном давлении и вакууме проиллюстрировано на рис. 1, где р_абс – абсолютное давление, р_атм – атмосферное, р_изб – избыточное, р_вак – вакуумметрическое.

В зависимости от назначения и пределов измерения различают следующие приборы:

барометры – для измерения атмосферного давления;

манометры – для измерения избыточного давления;

вакуумметры – для измерения вакуума или разрежения;

микроманометры – для измерения малых значений избыточного давления или разрежения.

Манометры делятся на классы по точности. В настоящее время установлены следующие классы точности: 0,005; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,35; 0,5; 1,0; 2,0; 2,5; 4,0; 6,0. Приборы с классом точности от 0,35 до 6,0 применяются в качестве рабочих, более высоких классов точности (от 0,005 до 0,35) – в качестве лабораторных или образцовых при измерениях, требующих повышенной точности, и для поверки рабочих приборов. Класс точности определяется значением максимальной допустимой абсолютной погрешности, выраженной в процентах от предельного значения шкалы прибора.

1.2. Жидкостные манометры

Пьезометр применяется для измерения малых значений избыточного давления и представ­ляет собой стеклянную трубку с открытым в атмосферу верхним концом (рис. 2). Нижний конец трубки присоединяется к месту измерения давления. Под действием давления жидкость в трубке поднимается на высоту h_р, измеряемую по линейной шкале. Значение избыточного давления р в любой точке жидкости определяется по формуле:

р = ρghр.

(2)

U -образный манометр используется для измерения разности значений давления и представляет собой изогнутую стеклянную трубку (рис. 3), снабженную шкалой и заполненную жидкостью (водой, ртутью, спиртом и т. д.).

Под давлением р₁ (см. рис. 3), превышающим атмосферное р_а, жидкость в правом колене будет выше, чем в левом, на h_рт.

При этом

р1 + ρжgh0 = pа + ρртghрт,

(3)

где ρ_ж – плотность жидкости, давление которой измеряется.

Следовательно, абсолютное давление в точке присоединения манометра (в точке А)

р1 = ра + ρртghрт – ρжgh0.

(4)

В случае, когда ρ_ж  ρ_рт,

р1 = ра + ρртghрт.

(5)

Более совершенным типом манометра, при работе с которым необходимо производить только один отсчет, является ртутно-чашечный манометр (рис. 4), в котором левое колено заменено чашкой и нуль отсчета совпадает с уровнем ртути в чашке.

Д

р₂

ифференциальный манометр (рис. 5) применяется для измерения раз­ности значений давления, он состоит из U-образной стеклянной трубки, до середины заполненной рабочей жидкостью. Колена трубки присоединяются к местам измерения давления. Разность значений давления р определяется по формуле:

∆р = р1 – р2 = (ρр – ρ) g∆h.

(6)

П

р₁

ри больших значениях ∆р выбирают жидкости с сильно отличающимися друг от друга значениями плотности (например: воздух – вода, вода – ртуть), при малых – с близкими (вода – масло).

М икроманометр – чашечный прибор с наклонной трубкой (рис. 6) – используется для измерения малого давления в газах с точностью отсчета до 0,1 – 0,05 мм. В микроманометре вместо небольшой высоты h измеряют значительно большую величину l (см. рис. 6). Тогда избыточное давление определяется по формуле:

р = ρgl sin α.

(7)

Точность прибора увеличивается с уменьшением угла α. Микроманометр может применяться в качестве манометра, дифференциального манометра, вакуумметра.
В микроманометре в качестве рабочей жидкости используют, как правило, спирт.

Все жидкостные приборы, указанные выше, могут применяться для измерения вакуума.

Основными преимуществами жидкостных приборов являются простота устройства и высокая точность измерений, которая зависит практически только от цены деления шкалы прибора, недостатками – узость диапазона измеряемого давления, хрупкость и необходимость использования для измерения больших значений давления ртути, пары которой ядовиты.