Классификация приборов для измерения давлений

По роду измеряемой величины в зависимости от необходимости измерения атмосферного, абсолютного, избыточного давления или вакуума существует несколько видов приборов.

Приборы, предназначенные для измерения атмосферного давления, называются барометрами, для измерения избыточного давления – манометрами, для измерения вакуума - вакуумметрами. Приборы, позволяющие измерять и избыточное и вакуумметрическое давление, называются мановакуумметрами.

Для измерения абсолютного давления необходимо наличие двух приборов - барометра и манометра, если абсолютное давление больше атмосферного, и барометра и вакуумметра, если абсолютное давление меньше атмосферного.

В некоторых случаях бывает достаточно знать разницу давлений в двух различных точках; измерение разности давлений может быть выполнено
с помощью дифференциального манометра. При измерении малого избыточного давления используются микроманометры.

По принципу действия все приборы можно разделить на жидкостные, механические, электрические и комбинированные.

Принцип действия жидкостных приборов основан на применении основного закона гидростатики : измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, высота которого определяется непосредственно или путем расчета.

Принцип действия механических приборов заключается в том, что под действием давления происходит деформация некоторого упругого элемента, и величина этой деформации служит мерой измеряемого давления.

Принцип действия электрических приборов заключается
в преобразовании величины измеряемого давления в тот или иной электрических сигнал. Приемным элементом является датчик давления.

К комбинированным относятся те приборы, принцип действия которых носит смешанный характер.

По классу точности (точности показаний) все серийно выпускаемые приборы делятся на классы. Классом точности прибора называется число, выражающее максимальное значение возможной погрешности в процентах
от предельного значения шкалы прибора. Класс точности показывается
на корпусе, единица измерения кг/см². Приборы с классом точностью 0,5-6,0 являются рабочими. Приборы с классом точностью до 0,5 являются образцовыми. Работоспособность рабочего прибора выявляется при сравнении его показаний
с показаниями образцового прибора при поверке.

Более подробно рассмотрим конструкцию приборов по принципу действия.

Жидкостные приборы.

Жидкостные приборы получили широкое распространение благодаря простоте исполнения и высокой точности.

Величина измеряемого давления находится по основному закону гидростатики:

(1.4)

где р – внешнее давление, Па;

– весовое давление столба жидкости, Па;

Рис. 1.3. Схема основного уравнения гидростатики

h – расстояние по вертикали от точки М до свободной поверхности , м;

ρ – плотность жидкости, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с².

Давление двух точек, принадлежащих одной поверхности равного давления можно определить по основному закону гидростатики (ОЗГ)
в следующей трактовке:

p = p₀ + ρgh=idem или p₁ + ρgh₁= p₂ + ρgh₂

Правила применения основного закона гидростатики (ОЗГ):

1. Точки 1 и 2 принадлежат одной той же жидкости и находятся на поверхности равного давления;

2. В правой и левой части уравнения ОЗГ давление представляется абсолютным или относительным, но одинаковых в обеих частях.

Поверхность равного давления – поверхность, во всех точках которой давление одинаково. Другие названия: поверхность уровня или поверхность сравнения. В обычных условиях поверхности уровня представляют собой горизонтальные плоскости, на схемах обозначается 0–0.

Существует три вида трактовок основного закона гидростатики:

1. Механическая трактовка ОЗГ:

[Па]

Физическая сущность трактовки: закон сохранения сумм внешнего давления р₁, р₂ и давления весового столба жидкости , (закон сохранения гидростатического давления).

2. Геометрическая трактовка ОЗГ:

[м]

Физическая сущность трактовки: закон сохранения сумм геометрической h₁, h₂ и пьезометрической высот , (закон сохранения гидростатического напора).

3. Энергетическая трактовка ОЗГ:

[ ].

Физическая сущность трактовки: закон сохранения сумм удельной потенциальной энергии положения , и удельной потенциальной энергии гидростатического давления , (закон сохранения удельной потенциальной энергии).

Простейшим жидкостным прибором является пьезометр –прозрачная трубка, одним концом опущенная в исследуемую точку, другим - открытая в атмосферу. Для вывода формул определения величины измеряемого давления различного вида пьезометров применим геометрическую трактовку ОЗГ, в которой величины избыточного, вакуумметрического и абсолютного давлений могут быть выражены через линейные величины:

Тип прибора	Вывод формулы определения величины измеряемого давления
Открытый пьезометр	, =0, , , Величина измеряемого (избыточного) давления: , где h – пьезометрическая высота (пьезометрический напор) (hп)
Закрытый пьезометр	, =0, , , Величина измеряемого (абсолютного) давления: где h – приведенная высота (полный гидростатический напор) – высота столба жидкости в запаянной трубке, из которой удален воздух (hпр)
Барометр	, =0, , , Величина измеряемого (барометрического) давления:
Обратный пьезометр	, =0, , , Величина измеряемого (вакуумметрического) давления: где h – вакуумметрическая высота (hв)

Так же гидростатический принцип использован в приборе, называемом чашечным мановакуумметром (рис. 1.3), формулы определения давления , .

Рис. 1.3. Чашечный мановакуумметр

Для измерения разности (перепада) давлений служит U-образный мановакуумметр (рис. 1.4). Величина давления также определяется формулами: , .

Рис. 1.4. U-образный мановакуумметр

Для измерения малых избыточных или вакуумметрических давлений применяются приборы со шкалами повышенной точности (в частности, с наклонной шкалой, рис. 1.5), заполняемые рабочей жидкостью с относительно малой плотностью (например, спиртом) и называемые микроманометрами. Избыточное (вакуумметрическое) давление определяется длиной столба жидкости h углом наклона шкалы α: .

Рис. 1.5. Микроманометр

Жидкостные приборы для измерения давления оказываются весьма полезными при исследовании потоков жидкости. Так, иногда достаточно знать не абсолютные значения давлений, а лишь перепад давлений в некоторых точках. Приборы, основанные на измерении перепада давлений, называются дифференциальными манометрами.

U-образный диффманометр	– плотность жидкости (ртуть, спирт); – плотность газа (воздух).
	-образный	– плотность жидкости (керосин) – плотность газа (воздух)
диффманометр

Дифференциальный манометр в потоке движущейся жидкости устанавливается согласно рис. 1.6.

Рис. 1.6. Дифференциальный манометр в потоке движущейся жидкости

Существенным недостатком жидкостных приборов является узость диапазона измеряемых давлений. Расширить этот диапазон можно, используя несколько последовательно соединенных U – образных манометров. Такой прибор называется батарейный мановакуумметром (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Батарейный мановакуумметр

Давление воздуха в баке уравновешивается перепадами уровней жидкости в трубках манометра. При этом в разных коленах могут быть залиты разные жидкости. Так, для показаний батарейного мановакуумметра на рис. 1.7 расчет манометрического давления в баке определяется суммированием всех перепадов уровней от открытого конца до присоединения его к резервуару:

(1.5)

Весовым давлением воздуха в левом конце батарейного манометра ввиду его малости пренебрегают.

Грузопоршневой манометр используют для более точного измерения давления. Грузопоршневой манометр состоит из поршневой измерительной колонки, набора грузов и устройства для создания давления с двумя захватами (рис. 1.8).

В основе принципа действия лежит уравновешивание силы, вызываемой измеряемым давлением при помощи грузов. Величина измеряемого давления соответствует массе груза :

где S – эффективная площадь поршня, g – ускорение свободного падения.

Внутренняя полость поршневого манометра заполняется рабочей жидкостью (керосином или трансформаторным маслом). Заливка осуществляется при открытом вентиле резервуара 3. Поршнем винтового пресса 2 жидкость засасывается внутрь прибора. Процесс измерения производится подъемом поршня 7 с грузами 4 до высоты, заданной риской на штоке поршня. К стояку 6, оснащенную вентилем, подключают проверяемые манометры.

В практическом применении используют манометры с уровнем погрешности 0,2 и 0,05. Грузопоршневой манометр применяют также в качестве проверочного гидравлического устройства для создания давления и нанесения градуированной шкалы на другой манометр.

1 – регулятор настройки, 2 – насос или винтовой пресс, 3 – резервуар,
4 – образцовые грузы, 5 – приемник давления с манометром, 6 – указатель подъема (стояк), 7 - поршень.

Рис. 1.8. Грузопоршневой манометр

Правила пользования жидкостными приборами:

1. Приборы необходимо хранить в футлярах, избегая резких толчков и изменений температуры.

2. Обязательное условие правильной работы жидкостных приборов — непрерывность и равномерность движения жидкости в пьезометре: и ее столбик не должен рваться.

3. Верхний предел шкалы пьезометра должен превышать давление, которая может быть создана в приборе.

4. Отсчет по пьезометру снимают в тот момент, когда прекращается перемещение столбика жидкости относительно шкалы.

5. Для измерения давления необходимо выбирать жидкость соответствующую рабочей температуре окружающей среды. Температура не должна превышать температуры кипения и замерзания.

6. Для наблюдения за давлением в помещении термометр помещают на внутренней стене или перегородке помещения так, чтобы на него не действовали прямые солнечные лучи, нагревательные или охлаждающие приборы.