Приборы для измерения давления

Приборы для измерения давления классифицируются по следующим признакам:

1) по принципу действия – на жидкостные, пружинные, поршневые, электрические, комбинированные.

2) по характеру измеряемой величины – на барометры, манометры, вакуумметры, дифференциальные манометры, микроманометры.

Барометры предназначены для измерения атмосферного давления. Манометры – для измерения манометрического (избыточного) давления. Вакуумметры – для измерения вакуумметрического давления. Приборы, которыми можно измерить р_изб и р_вак называются мановакуумметрами. Дифференциальные манометры позволяют измерять разность давлений в двух разных точках. Микроманометры – приборы, используемые для измерения малого избыточного давления или вакуума.

Весьма широко для измерения давлений используются жидкостные и пружинные (механические) манометры или вакуумметры.

В жидкостных приборах измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, высота столба служит мерой давления.

В пружинных (механических) приборах сила измеряемого давления деформирует упругий элемент прибора (пружину, сильфон, мембрану), величина деформации пропорциональна давлению и служит его мерой.

К жидкостным приборам относятся пьезометры, манометры, вакуумметры и дифференциальные манометры.

Пьезометр является разновидностью жидкостного манометра и представляет собой стеклянную трубку диаметром 6–10 мм, нижний конец которой посредством резиновой трубки присоединяется к области измеряемого давления, а верхний конец открыт в атмосферу

Рис.2.8 (рис.2.8).

Под влиянием давления р, действующего в точке присоединения прибора, жидкость поднимается в ней на высоту h_p, которая называется пьезометрической высотой.

Величина измеряемого давления вычисляется по основному уравнению гидростатики. Абсолютное давление р в точке присоединения равно:

р = р_а + γh_p , (2.41)

а избыточное р_изб = р – р_а = γh_p , (2.42)

где пьезометрическая высота h_p определяется непосредственным измерением в натуре.

Таким образом, пьезометр показывает давление в натуральную величину, то есть в метрах или миллиметрах столба данной жидкости. Пьезометры применяются для измерения сравнительно невысоких избыточных давлений – до 2-3 метров столба жидкости. При измерении более высоких давлений прибор становится чрезмерно громоздким и неудобным для использования. Пьезометры имеют значительную инерцию и обычно применяются в лабораторных исследованиях

Для измерения высоких давлений, более чем 2-3 м вод. ст. применяют жидкостные манометры, которые используют как правило уравновешивание давления р с помощью более тяжёлой жидкости, по сравнению с жидкостью, находящейся в резервуаре. Благодаря этому существенно сокращается высота поднятия жидкости в трубке прибора. Во избежание переливания более тяжёлой жидкости в резервуар, трубке манометра придаётся изогнутая U-образная форма. Из жидкостных манометров наиболее распространены ртутные манометры (рис. 2.9).

Для измерения один конец трубки соединяется с резервуаром, второй открыт в атмосферу. Под влиянием боле высокого давления р со стороны резервуара жидкость в трубке манометра переместится в сторону меньшего давления р_а и займёт положение, указанное на рисунке. Горизонтальная плоскость О-О, проведённая по нижнему уровню ртути, является поверхностью равного давления в обоих коленах трубки, представляющих два сообщающихся сосуда. Гидростатическое давление р₁ в левом колене трубки в плоскости А- А, вызванное давлением р₀ и давлением столба жидкос- Рис.2.9 ти высотой h+а со стороны резервуара, уравнове-

шивается гидростатическим давлением р₂ со стороны правого колена, вызванного давлением столба ртути высотой h_рт и атмосферного давления р_а.

Условие равновесия жидкостей в левом и правом коленах прибора, определяемое равенством давлений в плоскости А-А:

р₁ = р₂

выразится зависимостью:

р₀ + γ(h + a) = р_а + γ_ртh_рт (2.43)

или р₀ + γh = р_а + γ_ртh_рт – γа . (2.44)

Нетрудно увидеть, что левая часть последнего уравнения выражает давление р, измеряемое манометром, то есть р= р₀ + γh. Тогда абсолютное давление в точке присоединения манометра:

р = р_а + γ_ртh_рт – γа,,(2.45)

а избыточное в той же точке

р_изб = р – р_а = γ_ртh_рт – γа . (2.46)

Ртутные манометры с достаточно высокой точностью позволяют измерять давление до 2-3 атмосфер.

Довольно широкое распространение получила модификация ртутного U-образного манометра – чашечный манометр. В нём вместо одного из U-образных колен используется чашка, диаметр которой намного больше диаметра трубки. Верхняя полость чашки соединена с областью измерения давления. Запас ртути в чашке настолько велик, что при разных h_рт в трубке, положение плоскости О-О остаётся практически неизменным. Шкала прибора имеет постоянный нуль отчёта, что удобно при измерении h_рт.

Дифференциальный жидкостный манометр (рис.2.10) весьма близок к U-образному ртутному манометру. Различие состоит в том, что давление в интересующей точке сравнивается не с атмосферным, а с давлением в другой точке.

Условие равновесия жидкостей относительно плоскостей равного давления, при расположении сравниваемых точек на одном уровне, выразится зависимостью:

р₁ +γ(h + ∆h) = р₂ + γh + γ_рт ∆h, (2.47)

отсюда находим разность давлений:

Рис.2.10 ∆р = р₂ – р₁= (γ_рт – γ)∆h.(2.48)

Жидкостные вакуумметры по устройству бывают чашечные и U-образные.

Чашечный вакуумметр представляет собой образный пьезометр, а U-образный – образный манометр. В том и другом приборе внешнее атмосферное давление р_а уравновешивается атмосферным давлением и давлением столба жидкости высотой h_вак, то есть

р_а = р₀ + γh_вак.. (2.49)

Отсюда определяется значение абсолютного давления в резервуаре

р₀= р_а - γh_вак , (2.50)

и величина вакуума

р_вак = р_а - р₀ = γh_вак . (2.51)

В качестве жидкостей для наполнения трубок может применяться ртуть, вода и т.п. Ртутные вакуумметры применяются для измерения высоких вакуумов, а водяные – для измерения малых вакуумов, когда высота столба жидкости в трубке не превышает 0.8-1м.

U-образный жидкостный вакуумметр по устройству одинаков с U-образным манометром, поэтому и тот и другой прибор может быть использован и как манометр и как вакуумметр. В этом случае прибор называется мановакуумметр.

Из механических манометров наиболее распространены трубчатые пружинные манометры (рис.2.11). Подобный манометр состоит из корпуса 1, главной частью такого прибора является серповидная трубка эллиптического поперечного сечения 2 (трубка Бурдона). Один конец её

Рис.2.11. выведен наружу и снабжён штуце-

ром для присоединения к области измерения давления 3. Второй заглушен и соединён со стрелкой 5 шкалы прибора 6.

Ввиду того, что внешняя сторона трубки имеет большую площадь, чем внутренняя, измеряемое давление действует на неё с большей силой, несколько выпрямляя трубку. Трубка, через приводной механизм 4 поворачивает стрелку, указывающую на шкале манометра величину измеряемого давления. Градуировка шкалы манометра производится на тарировочных стендах под известным давлением.

Прибор компактен, прост по устройству и применению. Главным недостатком является возникновение с течением времени остаточных деформаций. Поэтому все механические приборы подлежат обязательной периодической проверке. Предел измерения от 0.5 до 10 000 атмосфер.

Механические вакуумметры, как и манометры аналогичны по конструкции, только деформация трубки происходит в обратную сторону, следовательно и отклонение стрелки осуществляется в противоположную сторону.

Помимо рассмотренных приборов в современной технике применяются различного рода электрические датчики (давление воздействует на упругий элемент и преобразуется в электр. импульс). Запись сигналов осуществляется соответствующим прибором. Преимущества таких датчиков – малые размеры и масса, малая инерционность, автоматический контроль и управление, возможность дистанционного управления.