Действие жидкостных приборов давления основано на уравновешивании измеряе­мого давления или разности давлений весовым давлением столба жидкости.

В этих приборах используется принцип сообщающихся сосудов, в которых уровни рабочей жидкости совпа­дают при равенстве давлений над ними, а при неравенстве занимают такое положение, что избыточное давле­ние в одном из сосудов уравновешива­ется гидростатическим давлением из­быточного столба манометрической жидкости в другом.

 

 

Таким образом, в жидкостных манометрах функции чув­ствительного элемента, воспринимаю­щего изменение измеряемой величи­ны, выполняет рабочая жидкость, в качестве которой ис­пользуются вода, ртуть, спирт, транс­форматорное масло. Большинство жидкостных манометров имеют видимый уровень рабочей жид­кости, по которому производится непо­средственное снятие показаний. Но выпускаются и жидкостные приборы, не имеющие видимого уровня рабочей жидкости.

Если плотность манометрической жидкости (ρ_мж) существенно больше плотности среды, давление которой измеряется (ρ_изм), т.е. ρ_мж>>ρ_изм , то

р₁=р₂+ρ_мжg(h₁+h₂), (3.1)

где g - значение ускорения свободного падения.

Метрологические свойства жидкостных приборов в значительной степени определяются свойствами манометрической жидкости – плотностью, коэффициентом поверхностного натяжения и капиллярной постоянной, которые определяют:

· предел измерений при фиксированных размерах;

· чувствительность. Поскольку входной величиной в жидкостных приборах давления является давление или раз­ность давлений, а вы­ходной − разность уровней, чувствительность этих приборов определяется по формуле

,

где Δ h - разность уровней, обусловленная разностью давлений Δ p;

· точность.

Как видно из формулы (3.1), погрешность определения давления жидкостными манометрами с видимым уровнем определяется ошибкой в считывании высот h ₁ и h ₂, а также погрешностями отклонения от расчетных значений величины местного ускорения свободного падения и плотности манометрической жидкости, которая определяются по таблицам теплофизических свойств веществ в зависимости температуры и давления.

Очевидно, что наибольшее значение имеет первая составляющая погрешности − погрешность измерения уровня, которая в общем случае складывается из погрешностей, обусловленных

- неточностью отсчета,

- смещением уровня манометрической жидкости под действием капиллярных сил,

- неточностью градуировки шкалы,

- нестрогой вертикальностью трубки,

- температурным изменением длины шкалы.

Для исключения влияния капиллярных сил в маномет­рах, заполненных водой или маслом, используются стеклянные трубки с внутренним диаметром 8¸10 мм. Ес­ли рабочей жидкостью служит спирт или ртуть, то используются трубки с меньшим внутренним диаметром.

Основной вклад в общую погрешность вносит погрешность, появляющаяся вследствие неточности отсчета. Без дополнительных оптических устройств погрешность одного отсчета принимается равной половине цены деления шкалы.

К достоинствам жидкостных манометров с видимым уровнем следует отнести простоту устройства, надежность работы, высокую точность измерений. К недостаткам – инерционность показаний, хрупкость и только показывающий характер прибора, возможность розлива ртути. Все это определяет область применения этих приборов – при измерении давлений в стационарных процессах в лабораторной практике и в промышленности.

Имеется большое конструктивное разнообразие жидкостных приборов давления, которые используются в качестве манометров, барометров и вакуумметров (см. рисунок 3.2).

 

 

Рисунок 3.2 - Классификация жидкостных приборов давления

 

 

3.2.1 Двухтрубные U-образные жидкостные мано­метры с видимым уровнем

 

Конструктивное исполнение U-образных мано­метров зависит от верхнего предела измеряемого давления. По этому признаку их делят на три группы:

· манометры низкого давления (до 0,1 МПа),

· манометры среднего давления (до 4-6 МПа),

· манометры высокого давления (до 20-25 МПа).

Принципиальная схема двухтрубного U-образного мано­метра низкого давления представлена на рисунке 3.3. Две вертикальные сообщаю­щиеся стеклянные трубки 1 и 2 закреп­лены на металлическом или деревянном основании 3, к которому прикреплена шкальная пластинка 4. Трубки заполняются рабочей жидкостью до нулевой отметки. Если в трубку 1 подается измеряемое давление, а трубка 2 сооб­щается с атмосферой, то прибор работает как манометр избыточного давления. Если к обеим трубкам подводятся измеряемые давления, то – как дифманометр.

 

Рисунок 3.3 - Двухтрубный U-образный мано­метр низкого давления

 

Двухтрубные манометры с водяным заполнением используются для изме­рения давления, разрежения, разно­сти давлений воздуха и неагрессивных газов в диапазоне до ±10 кПа. При заполнении манометра ртутью преде­лы измерения расширяются до 0,1 МПа, при этом измеряемой средой могут быть вода, неагрессивные жидкости и газы.

Если диаметр трубки строго выдержан, то смещение уровней в обеих трубках должно быть одинаковым. Однако реально он может меняться по длине трубки, поэтому высота столба h определяется как сумма высот h ₁ и h ₂. Удвоение высоты h ₁ либо h ₂ недопустимо, так как из-за непостоянства внутреннего сечения стеклянных трубок 1, 2 высоты h ₁ и h ₂ могут различаться. Это приводит к необходимости двойного отсчета уровня, а, следовательно, к удвоению основной погрешности измерений.

Манометры среднего и высокого давления по сравнению с манометрами низкого давления имеют существенные конструктивные отличия, вызванные необходимостью упрочнения конструкции при воздействии одностороннего большого статического давления и необходимостью надежного и удобного подсоединения трубок, подводящих высокое давление. В таких манометрах стеклянное U-образное закругление заменяется стальным блоком с внутренним каналом; используется верхний стальной блок, в котором с помощью сальниковых уплотнений закрепляются концы толстостенных стеклянных трубок, а ртутные манометры обязательно оснащаются уловителем ртути на случай выброса.

3.2.2 Однотрубные (чашечные) манометры

 

Для повышения точности измерения разности уровней используются однотруб­ные (чашечные) манометры (рисунок 3.4), в которых од­на трубка заменена широким сосудом, в который подается большее из изме­ряемых давлений. Трубка, прикреплен­ная к шкальной пластинке, является измерительной. Рабочая жидкость заливается в манометр до нулевой отметки.

 

Рисунок 3.4 - Чашечный манометр

 

Под действием давления часть рабо­чей жидкости из широкого сосуда переталкивается в измерительную трубку. Объем жидкости, вытесненной из широкого сосуда, равен объему жидкости, поступившей в измеритель­ную трубку, т.е.

,

где f, F — площади поперечного сече­ния измерительной трубки и широко­го сосуда, следовательно

.

При f << F h ₁<< h ₂,в этом случае изменением уровня h ₁ в широком сосу­де можно пренебречь и при измерении учи­тывать только изменение уровня в измерительной трубке h ₂. Тогда

.

В чашечных манометрах F / f >> 400, что позволяет пренебрегать изменением уровня h ₁ и производить измерение только одного уровня h ₂ в измеритель­ной трубке.

Устранение необходимости двойного отсчета в однотрубных маномет­рах приводит к снижению основной погрешности этих приборов − по­грешности считывания, хотя она, по-прежнему, остается основной. Другие составляющие погрешности, обусловленные отклонениями от рас­четного значения ускорения свободно­го падения, плотности рабочей жидко­сти и среды над нею, температурными расширениями элементов прибора, яв­ляются общими для всех жидкостных манометров и рассчитываются по известной ме­тодике.

Минимальный диапа­зон измерения однотрубных маномет­ров с водяным заполнением составля­ет 1,6 кПа (160 мм вод. ст.), при этом приведенная погрешность измерения не превышает ±1 %. Конструктивное выполнение манометров зависит от статического давления, на которое они рассчитаны.

 

 

3.2.3 Чашечные манометры с наклонной трубкой (микроманометры)

 

Для измерения давления и разности давлений до 3 кПа 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.

 

 

Показания микро­манометра определяются по длине столбика рабочей жидкости п в изме­рительной трубке 1, имеющей угол на­клона α;. Исходя из равенства объе­мов рабочей жидкости, вытесненной из широкого сосуда 2 в измерительную трубку 1, получаем

,

где f, F − площади поперечного сече­ния измерительной трубки и широко­го сосуда. Поскольку ,

.

При F / f >> 400÷700 .

Из этой формулы видно, что при фиксированном перепаде давлений уменьшение угла наклона измерительной трубки α; приводит к увеличению величины n, т.е. деления шкалы как бы растягиваются и снижается цена деления, что приводит к увеличению точности измерений. Однако уменьшение угла наклона измерительной трубки менее чем до (6÷7)^о нецелесообразно, т.к. это приводит к резкому увеличению погрешности из-за снижения точности считывания положения манометрической жидкости, обусловленному растяжением мениска.

В качестве манометрической жидкости обычно используют спирт, который имеет плотность несколько меньшую, чем вода (соответственно 789 и 998 кг/м3 при 20^оС) и меньше смачивает стекло. Вследствие чего спирт дает больший, чем вода масштаб отсчета и меньший мениск.

На рисунке 3.5 кронштейн 3 с измери­тельной трубкой 1 крепится на секто­ре 4 в одном из пяти фиксированных положений, которым соответствуют пять углов наклона измерительной трубки α; и, соответственно, пять диапа­зонов измерения прибора.