Материал: 2015 [Тынчеров] Основы автоматизации ТПНП

чашке; Н2 — изменение уровня жидкости в трубке; f — площадь сечения трубки; F — площадь сечения чашки.

Отсюда высота столба жидкости, уравновешивающей измеряемое давление:

а измеряемая разность давлений:

Поэтому при известном коэффициенте k = 1 + f/F разность давлений может быть определена по изменению уровня жидкости в одной трубке, что упрощает процесс измерений.

Двухчашечный манометр (рис. 4.26, в) состоит из двух соединенных при помощи гибкого шланга чашек 1 и 2, одна из которых жестко закреплена, а вторая может перемещаться в вертикальном направлении. При равенстве давлений pl и р2 чашки, а следовательно, свободные поверхности жидкости находятся на одном уровне I–I. Если р1 > р2, то чашка 2 поднимается вплоть до достижения равновесия в соответствии с уравнением (4.24).

Единство принципа действия жидкостных манометров всех типов обусловливает их универсальность с точки зрения возможности измерения давления любого вида — абсолютного и избыточного и разности давлений.

К важной метрологической характеристике средств измерения давления относится чувствительность измерительной системы, которая во многом определяет точность отсчета при измерениях и инерционность. Для манометрических приборов под чувствительностью понимается отношение изменения показаний прибора к вызвавшему его изменению давления ( = Н/Δр).

Диапазоны измерений жидкостных манометров в соответствии с (4.23) определяются высотой столба жидкости, т. е. размерами манометра и плотностью жидкости. Наиболее тяжелой жидкостью в настоящее время является ртуть, ее плотность = 1,35951 • 104 кг/м3. Столб ртути высотой 1 м развивает давление около 136 кПа, т. е. давление, немного превышающее атмосферное давление. Поэтому при измерении давлений порядка 1 МПа размеры манометра по высоте соизмеримы с высотой трехэтажного дома, что представляет суще-

ственные эксплуатационные неудобства, не говоря о чрезмерной громоздкости конструкции. Тем не менее попытки создания сверхвысоких ртутных манометров предпринимались. Мировой рекорд был установлен в Париже, где на базе конструкций знаменитой Эйфелевой башни был смонтирован манометр высотой ртутного столба около 250 м, что соответствует 34 МПа. В настоящее время этот манометр разобран в связи с его бесперспективностью.

Жидкостно-поршневые манометры. Очень часто к жидкост-

ным манометрам относят приборы, измерительная система которых хотя и содержит в качестве одного из элементов жидкость, но по принципу действия в корне отличается от жидкостных манометров. К

таким приборам относится дифференциальный манометр типа

«кольцевые весы» (рис. 4.24), состоящий из тороидального корпуса 1, внутренняя полость которого в верхней части разделена перегородкой 2, а нижняя часть до половины заполнена жидкостью 4. Таким образом, корпус имеет две измерительные камеры А и Б, в которые через гибкие шланги подаются измеряемые давления pl и р2. Корпус может поворачиваться относительно опоры 3, расположенной в его геометрическом центре. К нижней части корпуса прикреплен противовес 5.

При равенстве давлений в камерах А и Б корпус прибора располагается в соответствии с рис. 4.27, а. Если одно из давлений больше другого, например, р1 > р2, то под действием разности давлений р = p1 – р2, воздействующей на перегородку, корпус повернется на определенный угол α, а уровни жидкости внутри корпуса займут положения, соответствующие рисунку 4.27, б. При этом уравнения рав-

новесия измерительной системы принимают вид:

где F — площадь перегородки (внутренняя площадь поперечного сечения тороида); R1 — средний радиус тороида; R2 — расстояние от оси вращения до центра тяжести противовеса; т — масса противовеса; g — ускорение свободного падения; α — угол поворота корпуса.

Таким образом, давление определяется массой противовеса, геометрическими параметрами прибора и углом поворота корпуса, а роль заполняющей измерительную систему жидкости сводится к созданию жидкостного затвора между камерами А и Б. Поэтому по виду

нижней части. При проведении измерений камера предварительно сообщается с атмосферным давлением и вес частично погруженного в жидкость колокола уравновешивается тарировочным грузом 10.

Тогда при подаче в камеру измеряемого давления для сохранения положения равновесия на чашку 6 необходимо наложить грузы 7, вес которых и является мерой измеряемого давления. При этом давление в камере будет уравновешиваться противодавлением столба жидкости в кольцевом зазоре между наружной поверхностью колокола и внутренней поверхностью сосуда 5. Таким образом, роль жидкости так же, как и в вышеописанном приборе, ограничивается созданием жидкостного затвора для удержания давления в измерительной камере, так как составляющими сил давления на боковую поверхность колокола в вертикальном направлении при условии соблюдения технологии его изготовления можно пренебречь.

Поршневые манометры. Поршневые манометры появились позже жидкостных. Впервые поршневой манометр был применен для измерения давления в 1833 г. Парротом и Ленцем (Российская Академия наук) при изучении сжимаемости воздуха и других свойств газов, причем значение давления для того времени было очень большим (10 МПа). Дальнейшее развитие поршневой манометрии шло в основном в сторону увеличения точности и верхних пределов измерений, а начиная с тридцатых годов текущего столетия поршневые манометры стали вытеснять жидкостные и при точных измерениях давлений, близких к атмосферному давлению.

Большой вклад в развитие поршневой манометрии внесли профессор М. К. Жоховский, который впервые разработал целостную теорию приборов с неуплотненным поршнем, П. В. Индрик, В. Н. Граменицкий и многие другие их последователи.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом поршневые манометры играют ведущую роль при поверке и испытаниях манометрических приборов в широком диапазоне давлений от 1 кПа до десятков тысяч МПа и находят все большее применение в качестве национальных государственных эталонов давления.

Принцип действия, основы теории и типы поршневых мано-

метров. На рисунке 4.29 изображен простейший поршневой манометр, который состоит из цилиндрического поршня 1, притертого к цилиндру 2 с минимально возможным зазором. Если на нижний торец поршня действует измеряемое давление р, то для его уравновешивания к поршню должна быть приложена сила Р.

Рис. 4.29 — Простейший поршневой манометр

Уравнение равновесия с учетом силы трения на боковую поверхность поршня, возникшей при протекании жидкости или газа через зазор между поршнем и цилиндром под действием измеряемого давления, имеет вид:

где F — геометрическая площадь поперечного сечения поршня; Т — сила жидкостного трения на боковую поверхность поршня.

Наиболее часто измеряемое давление уравновешивают весом грузов, что явно предпочтительно с точки зрения достижения высокой точности измерений, хотя и представляет известные неудобства в эксплуатации.

Благодаря высокой стабильности эффективной площади, которая определяется в основном геометрическими размерами пары «поршень — цилиндр», а также возможности учета внешних влияний расчетными методами, поршневые манометры являются идеальными преобразователями давления в силу.

Наиболее существенное достоинство поршневых манометров состоит в том, что они непосредственно воспроизводят давление по определению: давление равно силе, деленной на площадь поршня. Этот метод так же, как и метод уравновешивания давления столбом жидкости, является фундаментальным, т. е. измерение давления в ко-