Теоретические сведения

Лабораторная работа №2

Приборы для измерения давления.

Цель работы: изучить устройство и принцип работы манометров различных типов конструкций.

Теоретические сведения

Одним из параметров отражающих состояние термодинамической системы является давление. Давление определяется силой, с которой газ или жидкость давит на единицу площади стенки сосуда. Давление газа на стенки сосуда является результатом многочисленных ударов молекул. При каждом ударе стенка получает силовой импульс, величина которого зависит от скорости молекул и, следовательно, от энергии их движения. При огромном числе ударов создается постоянное давление газа на стенку.

Важным при решении практических задач является выбор системы отсчета давления (шкалы давления). За начало шкалы может быть принят абсолютный нуль давления (аналог абсолютного нуля температуры) — . При отсчете давлений от этого нуля их называют абсолютными .

Однако, как показывает практика, технические задачи удобнее решать, используя избыточные давления , т.е. когда за начало шкалы принимается атмосферное давление — .

Давление, которое отсчитывается «вниз» от атмосферного нуля, называется давлением вакуума , или вакуумом.

Таким образом, существуют три шкалы для отсчета давления, т. е. давление может быть абсолютным, избыточным или вакуумным. Получим формулы для пересчета одного давления в другое.

Для получения формулы пересчета избыточного давления в абсолютное воспользуемся рис. 1,б.

Рис 1. Схема для пересчета давлений

 

Пусть значение искомого давления определяется положением точки В. Тогда очевидно, что:

,

где Ра — атмосферное давление, измеренное барометром.

Связь между абсолютным давлением и давлением вакуума можно установить аналогичным путем, но уже исходя из положения точки С:

И избыточное давление, и вакуум отсчитываются от одного нуля (0атм), но в разные стороны. Следовательно,

При решении прикладных задач наиболее часто используются избыточные давления, поэтому измерению этих давлений необходимо уделить наибольшее внимание.

Приборы для измерения давлений классифицируют по различным признакам. По характеру измеряемого давления приборы разделяют на следующие классы:

1) барометры - приборы для измерения атмосферного давления:

2) манометры - приборы для измерения избыточного давления;

3) вакуумметры - приборы для измерения вакуума;

4) мановакуумметры - приборы для измерения, как избыточного давления, так и вакуума;

5) манометры абсолютного давления - приборы для измерения абсолютного (полного) давления;

6) дифференциальные манометры - приборы для измерения разности давлении.

По принципу действий приборы различают:

а) жидкостные:

б) механические:

в) электрические;

г) комбинированные.

Такие приборы характеризуются ценой деления, абсолютной погрешностью и классом точности.

Цена деления - разность значений величин, соответствующим двум соседним отметкам шкалы прибора.

Абсолютная погрешность разность между показаниями прибора и истинным значением измеряемой величины.

Класс точности обобщенная характеристика, определяемая наибольшей допустимой погрешностью Δ измерения в процентах от конечного значения п шкалы приборов.

Простейшим прибором для измерения избыточного давления является пьезометр. Он представляет собой вертикально установленную прозрачную стеклянную трубку с открытым верхним концом.

Измерения по пьезометру проводят в единицах длины, поэтому иногда давления выражают в единицах высоты столба определенной жидкости. Пьезометр высотой 1,5... 2м позволяет измерить давление до 0,15... 0,20 атм.

Основным достоинством пьезометра является простота устройства и точность измерения. Основным недостатком пьезометра является малый диапазон измеряемых давлений. При больших давлениях пьезометр становится слишком громоздким. К недостаткам пьезометра также можно отнести хрупкость.

Избыточное давление в жидкостях или газах измеряется манометрами. Это весьма обширный набор измерительных приборов различной конструкции и различного исполнения

На рисунке показанасхемадействия поршневого манометра. При увеличении давления в сосуде жидкость или газ по закону Паскаля передаёт это давление на нижнюю поверхность поршня, заставляя его тем самым подниматься или опускаться. Поршень связан через систему рычагов с указательной стрелкой.

Другой тип манометра — это открытый (жидкостный) манометр. Он состоит из U-образной трубки, наполненной ртутью или другой жидкостью. Работа основана на законе сообщающихся сосудов и на уравновешивании измеряемого давления газа давлением столба жидкости (ртути, воды и т. д.). В один конец трубки подается давление. Жидкость в другой трубке поднимается до тех пор, пока измеряемое давление не будет в точности равно давлению, вызываемому разностью уровней жидкости в двух коленах трубки. Зная эту разность высот можно рассчитать давление.

Недостатком такого манометра является то, что величина давления зависит от ускорения свободного падения в данном месте. Не всегда такой манометр градуируется в паскалях, часто бывает удобным измерять давление в единицах высоты столба данной жидкости — в миллиметрах ртутного столба, водяного столба (1 мм вод. ст. - 9,8 Па; 1 мм рт. ст. = 133,3 Па)

Одним из простых приборов для измерения повышенных и высоких давлений является трубчатый манометр или манометр Бурдона. Главная составная часть его — изогнутая по дуге латунная труба 1 овального сечения.

Жидкость или газ, производя давление изнутри трубки, выпрямляет ее, по аналогии со знакомой каждому детской игрушкой.

Жидкость или газ подается в штуцер 3, соединенный с трубкой 1. Трубка, распрямляясь, приводит в движение систему зубчатых колес и рычагов 2, которые поворачивают стрелку 4;чем больше давление, тем на больший угол повернется стрелка. Угол поворота стрелки пропорционален измеряемому давлению. Шкала, нанесенная на циферблате, градуирована в единицах давления. Обычно манометр калибруется в кГ/см². Такие манометры применяются при измерении давления воздуха, пара, газов и жидкостей.

Основным недостатком приборов является непостоянство их показаний, вследствие постепенных изменений упругих свойств пружинящего элемента, возникновения остаточной деформации, износа передаточного механизма. Поэтому такие приборы необходимо периодически проверять.

К деформационным манометрам относятся также мембранные и сильфонные манометры.

Главной частью мембранного манометра является гибкая круглая плоская пластина способная получить прогиб под действием давления.

Сильфонные манометры (сильфон) представляют собой тонкостенную цилиндрическую оболочку с поперечными гофрами, способную получать значительное перемещении под действием давления. Для увеличения жесткости внутрь сильфона часто помещают пружину. Сильфоны изготавливают из бронзы, углеродистой стали, алюминиевых сплавов. Серийно производят бесшовные и сварные сильфоны диаметром от 8-10 до 80-100 мм. Сильфоны более чувствительны, чем мембранные манометры и имеют больший диапазон измерений.

Основными достоинствами приборов являются большой диапазон измеряемых давлений, простота устройства и применения, портативность и универсальность.

Основным недостатком приборов является непостоянство их показаний, вследствие постепенных изменений упругих свойств пружинящего элемента, возникновения остаточной деформации, износа передаточного механизма. Поэтому такие приборы необходимо периодически проверять.

Грузопоршневой манометр представляет собой эталонный прибор, по которому производят тарировку всех остальных манометров.

Рис. 7. Схема грузопоршневого манометра

1-регулятор настройки, 2-насос, 3-резервуар, 4-образцовые грузы, 5-приёмник давления, 6-указатель подъёма, 7-поршень.

 

Помимо описанных выше приборов, для измерения давления существуют еще многие типы манометров, применяемые п специальных случаях.

Для измерений очень высоких давлений (выше 2 000 кгс/см²) применяются манганиновые манометры, где используется эффект изменения электрического сопротивления манганиновой проволоки от давления.

Для измерения быстро изменяющихся давлений могут быть выбраны пьезокварцевые манометры, где используется явление возникновения электрических зарядов при сжатии кварца. Для этой же цели используются тензометрические манометры; в этом случае тензометрический датчик наклеивается на трубку, давление в которой надо измерить.

На практике помимо измерения избыточного давления стоит задача определения атмосферного (абсолютного) давления.

Прибор для измерения атмосферного давления называется барометр.

Одним из таких приборов является ртутный или чашечный барометр Торричелли.

Он представляет собой полую стеклянную трубку, один конец которой запаян. Трубка заполняется ртутью, отверстие трубки закрывается пальцем, переворачивается и погружается закрытым концом в чашку с ртутью, после чего трубка открывается. Ртуть в трубке опускается до определенного уровня и прекращает движение, уравновешиваясь силой атмосферного давления действующую на поверхность ртуть в чашке. Высота столба жидкости соответствует значению давления в миллиметрах ртутного столба (мм рт.ст.). В качестве жидкости может применяться вода. Значение давления в этом случае будет измеряться в миллиметрах водного столба (мм вод.ст.).

Достоинством этого барометра является большая чувствительность и точность измерения давления. Недостатком этого прибора является то, что он имеет большую длину трубки, должен располагаться вертикально, а ртуть очень ядовита. Этим затрудняется его эксплуатация.

На практике применяются барометры-анероиды (без жидкости).

Рис 8. Внешний вид, устройство и схема работы барометра-анероида

 

Барометр-анероид состоит из круглой коробочки с гофрированной крышкой из тонкого металла. Воздух из коробочки частично выкачан.

При увеличении давления крышка вдавливается, а при уменьшении снова распрямляется. Эти небольшие колебания усиливаются во много раз при помощи рычагов и цепочки, соединенной с валиком, который поворачивает указатель, или стрелку. Прибор обычно калибруется в мм рт.ст.

Барометр может также быть как мембранным, так и сильфонным.

Поскольку давление воздуха при подъеме над поверхностью Земли убывает приблизительно на 1 мм рт.ст. через каждые 11м, абсолютный манометр можно использовать для определения высоты. Барометр-анероид, предназначенный для этой цели и градуированный в метрах (километрах) высоты, называется альтиметром.

В практике широко применяются компактные манометры с электрическим выходом — манометрические лампы (рис. 9). В наиболее простых — тепловых используется зависимость теплопроводности газа от его давления. При постоянной силе тока температура нити накала 1 (рис. 9, а) будет зависеть только от теплопроводности газа. Эту температуру можно измерить по сопротивлению этой нити,а ЭДС термопары измеряют микровольтметром.

Микровольтметр градуируется в единицах давления. Так устроен термопарный манометр. Он может работать только в области давлений от p₂ ≈ 100 Па (1 мм рт. ст.) до p₂ ≈ 10 ^-1 Па, так как только в этой области теплопроводность газа зависит от давления.

Для измерения более глубокого вакуума используют ионизационную лампу (см. рис. 9, б). Как видно из рисунка, роль анода в этой лампе играет редкая сетка 2, за которой расположен коллектор 3 с отрицательным потенциалом. Электроны, вылетая из катода 1, устремляются к сетке-аноду, но в большинстве случаев проскакивают ее по инерции и совершают около нее колебания. При этом возрастает вероятность столкновения их с молекулами газа. При столкновении происходит ионизация. Электроны, в конце концов, попадают на сетку, а положительные ионы собираются коллектором 3, в цепи которого возникает ток, измеряемый микроамперметром. Сила тока зависит от числа молекул газа в единице объема, т. е. от давления, поэтому микроамперметр градуируется в единицах давления. Постоянство тока в цепи катод — анод поддерживается также с помощью микроамперметра. Ионизационная лампа работает в области давлений 10^-1 - 10^-6 Па.

Недостаток ионизационной лампы — наличие накаливаемого катода, который испускает газы и нарушает вакуум. Этот недостаток устранен в магнитном электроразрядном манометре, здесь катод остается холодным. Электроны образуются за счет автоэлектронной эмиссии (между катодом и анодом создается высокое напряжение в несколько киловольт). Вероятность столкновения электронов с молекулами газа увеличивается за счет того, что электрон движется в магнитном поле. При этом его путь (по спирали вокруг силовой линии) существенно удлиняется. Проскакивая кольцеобразный анод по инерции, электрон совершит несколько колебаний, пока не попадет на анод. Сила тока в цепи анод — катод зависит от давления, так как в основном определяется числом ионов в единице объема. Диапазон измерений такого манометра — 10² — 10^-11 Па.

Приборы, измеряющие давление вакуума (разрежение), по принципу действия не отличаются от приборов для измерения избыточного давления. Это является следствием того, что избыточное давление и давление вакуума всегда равны по величине, но имеют разные знаки, поэтому для измерения вакуума можно использовать те же приборы.

Пружинные приборы для измерения вакуума не имеют ни принципиальных, ни конструктивных отличий от пружинных манометров. Устройства для измерения вакуума получили название вакуумметров.

Выпускаются также приборы, позволяющие измерять как избыточные давления, так и вакуум. Их принято называть мановакуумметрами.

 

Контрольные вопросы

 

1. Чем отличается манометр от барометра? Поясните устройство, принцип работы одного из барометров (по усмотрению преподавателя)

2. Что общего в работе трубчатого, мембранного и сильфонного манометров? Поясните принцип работы одного из них.

3. Какие существуют манометры с электрическим выходом?

4. Назовите основные виды жидкостных манометров. Поясните устройство, принцип работы одного из манометров (по усмотрению преподавателя).

5. Поясните, что такое абсолютное, избыточное или вакуумное давление. Приведите формулы для пересчета одного давления в другое.