Рідинні манометри

Принцип дії рідинних манометрів полягає в тому, що вимірюваний тиск урівноважується гідростатичним тиском стовпа робочої рідини. Рідинні манометри прості в експлуатації мають досить високу точність вимірювання, їх широко використовують для науково-дослідних і лабораторних вимірювань, а також для технічних вимірювань невеликих надмірних тисків, розрідження, різниці тисків, а також атмосферного тиску.

За улаштуванням рідинні манометри діляться на прилади з видимим та без видимого рівня.

До приладів з видимим рівнем відносяться двотрубні (U - подібні), чашкові (однотрубні) та мікроманометри з похилою трубкою.

U – подібний манометр (двотрубний), що показаний схематично на рис. 5.1 та на рис.5.2, а – простіша різновидність рідинного манометра. Для виготовлення використовують скляну трубку внутрішнім діаметром 6-8мм і довжиною на 10-20% більше подвоєного граничного значення тиску, і що суттєво – незмінного по довжині внутрішнього перерізу, який повинен бути достатньо рівномірним. Наприклад, капля ртуті розміром 20мм при її переміщенні від початку до кінця трубки повинна змінювати розмір не більше ніж 0, 2мм, тобто 1%. Трубку згинають U – подібно і до половини заповнюють манометричною рідиною(спирт, дистильована вода, ртуть). Шкалу роблять рухомою з міліметровими поділками (показана умовно в середині на рис. 5.1).

Перед початком роблять повірку нуля, з’єднавши з атмосферою обидва кінці і виставляють нуль шкали (рівень «а» відповідає нулю шкали).

Рабс Рбар

Рис. 5.1. U – подібний манометр (двотрубний).

Якщо Рабс> Рбар, то рівень манометричної рідини опускається на h₁ мм. Так як Рбар< Рабс рівень рідини у правому коліні піднімається на h₂ мм, після чого система приходить в рівновагу. Тиски на рівні «c» в обох колінах рівні і складуються із тисків, які діють на поверхні рідин в кожному із колін, та плюс тиску стовпів газу чи рідини, які знаходяться в кожному коліні між горизон-

тальними площинами «c» та «e», тобто:

Рабс + (h₁+h₂)ρ ₂*g = Рбар+(h₁+h₂)ρ ₁*g, ( 5.4)

і звідки витікає рівняння рідинного манометра:

Рабс - Рбар = (h₁+h₂)(ρ ₁-ρ ₂)g, (5.5)

де Рабс – вимірюємий тиск, Н/м²(Па); Рбар – атмосферний тиск;

ρ та ρ ₂ - відповідно густина манометричної рідини або газу, які заповнюють ліве та праве коліно манометру (кг/м³); g – прискорення вільного падіння.

g - залежить від географічної ширини місця вимірювання і зменшується по мірі віддалення від полюсів і наближенні до екватору (для полюсів g=9, 8322 м/с², екватору g= 9, 7805 м/с²). По міжнародній домовленості нормальне прискорення g =9, 80665 м/с² (близьке до середнього). Значення g для особливо точних вимірювань повинно вираховуватись по спеціальним каталогам гравіметричних пунктів і інтерполюється по заченням в трьох найближчих пунктах.

Якщо тиск необхідно виразити в мм.рт.ст. або водяного стовпа, то використовують рівняння:

Рабс-Рбар = (h₁+h₂)(ρ ₁-ρ ₂)*g/ρ _n*g_n, (5.6)

де ρ _n – питома вага ртуті або води (при 4⁰С);

g_n – нормальне прискорення; h₁ і h₂ – в мм.

В загальному вигляді поперечний переріз трубок у лівому F₁ та правому F₂ колінах може бути різним. При умові, якщо об’єм манометричної рідини, який виштовханий із лівої трубки V₁=h₁* F₁ дорівнює об’єму V₂=h₂*F₁, який піднявся в правій трубці, то h₁ = h₂*(F₂ /F₁) і відповідно загальне рівняння двотрубного манометру має вигляд:

Рвим = Рабс-Рбар = h₂(1+ F₂/F₁) (ρ ₁-ρ ₂)*g. (5.7)

Якщо F₂ = F₁, вираз (5.5) спрощується, так як h₂ (1+ F₂/F₁) = 2 h₂. Але таке спрощення не завжди допустиме, і діє тільки при умові, якщо на верхній межі вимірювання покази по шкалі приладу не відхиляються від суми змін рівнів в обох колінах менше, чим на величину допустимої похибки.

Двотрубні манометри (рис.5.2, а) застосовуються для вимірювання тиску до 0, 2 МПа, і їм притаманний ряд похибок, до яких відносяться: неточності відліку положення меніску рідини, вплив зміни температури навколишнього сере­довища, явище капілярності тощо. Недоліком двотрубних приладів є не­обхідність двох відліків, що призводить до збільшення похибки вимірювань. Межі допустимої основної похибки звичайно не перевищують ± 2 мм сто­впа робочої рідини. Для збільшення точності вимірювань зразкові прилади такого типу мають дзеркальну шкалу. У такому випадку похибка становить ± 1 мм сто­впа робочої рідини.

Цей недолік не мають однотрубні або чашкові манометри (рис. 5.2, б), в яких плюсова трубка (де більший тиск) замінена достатньо широкою посудиною, коли співвідношення площин поперечних перерізів дуже мале. В цьому випадку переміщенням h₁ в коліні з великою площею перерізу нехтують (роблять так, що F₂/F₁ ≤ 1/400), а для результату вимірювання використовують формулу (5.5).

Рвим = Рабс-Рбар = h_{2 *} (ρ ₁-ρ ₂) _* g. (5.8)

Верхня межа вимірювання таких рідинних манометрів визначається їхніми габаритними розмірами та густиною манометричної рідини. На практиці вони застосовуються вимірювання надлишкових тисків до 20 кПа, а за ртутного заповнення — до 100 кПа (0, 1 МПа, 1, 0 кгс/см²). Межа допустимої основної похибки не пере­вищує ± 3 мм стовпа робочої рідини.

Для вимірювання високих тисків при зменшенній висоті трубок, використовується двотрубний укорочений манометр, у якого кінець одного із колін є запаяним, а при заповненні рідиною в запаяному коліні залишають деяку кількість газу (повітря). Міру тиску – підвищення рівня рідини в запаяному коліні. Шкала – нерівномірна. Як правило, трубку виконують з поперечним перерізом, який змінюють по висоті і відповідно шкалу роблять близьку до логарифмічної і відносна похибка відліку показів по такій шкалі зберігає своє значення по шкалі. Такий манометр має значний температурний коефіцієнт і потребує стабі-

лізації температури запаяного коліна.

Рис. 5.2 Основні види рідинних манометрів: а) двотрубний; б) однотрубний;

в) мікроманометр; г) поплавцевий; д) дзвоновий та є) кільцевий.

Для вимірювання дуже малих тисків (від 160 Па до 3 кПа) застосову­ються мікроманометри з нахиленою вимірювальною трубкою (рис. 5.2, в).

Внаслідок цього висота стовпа рідини, що зрівноважує вимірюваний тиск , де — переміщення рідини у трубці. Тому тиск: . За рахунок зміни кута нахилу трубки можна змінювати межі вимі­рювань.

Промисловість випускає мікроманометри типу ММН на п'ять діапа­зонів вимірювань. Клас точності 0, 5 і 1, 0. Прилад дозволяє вимірювати тиск або розрідження в межах: 0-60; 0-120; 0-180; 0-240 мм.вд.ст. при похибці ±1мм. вд.ст. (або 0, 5% від верхньої межі). Більш точними є компенсаційні манометри типу ММ, де за рахунок використання оптичної ситеми відрахунку похибка не перевищує ± 0, 05 мм.

Для технічних вимірювань застосовуються рідинні манометри без видимого рівня. До них відносять поплавкові, дзвонові та кільцеві.

U -подібні поплавцеві дифма­нометри (рис. 5.2, г) - є подібними однотрубним мано­метрам, але на відміну від них не мають видимого рівня робочої рідини. Для вимірювання рівня в них використовується переміщення поплавка, що зна­ходиться у чашці. За допомогою передавального механізму переміщення поплавка перетворюється у переміщення показуючої стрілки, а також може бути використане для реєстрування або передавання сигналу вимірювальної інформації. Переміщення поплавка h1 зв'язане з різницею тисків таким відношенням: , де F та f – поперечний переріз відповідно чашки в одному коліні та трубки, по якій підводиться тиск у другому.

Зміна поперечного перерізу трубки, по якій підводиться тиск, дозволяє змінювати діапазон вимірювань тиску. Промисловість випускає поплавцеві дифманометри показувальні са­мописні, з сигналізувальними та інтегрувальними пристроями типу ДП різних модифікацій на діапазон вимірювань різниці тисків 0, 006...0, 1 МПа,

а над­лишкового тиску 0, 004... 40 МПа. Клас точності — 1, 0 і 1, 5.

Принцип роботи дзвонових дифманометрів грунтується на зрівнова­жуванні вимірюваного тиску або перепаду тисків, які сприймаються дзво­ном, що вільно плаває у рідині, пружними силами каліброваної гвинтової пружини або силами

ваги (рис. 5.2, д).

У такому приладі дзвін 1, підвішений на гвинтовій пружині 2, частко­во занурений у робочу рідину (трансформаторне масло) 3, налиту в посуди­ну 4. Якщо p1=p2, то дзвін приладу перебуває у рівновазі, й вимірювальна стрілка показує 0. Із виникненням різниці тисків р1 – р2 > 0 рівновага сил порушується і з'являється підйомна сила, яка переміщує дзвін доти, доки ця сила не зрівноважиться проти дійним зусиллям пружини. Різниця тисків і переміщення дзвону h зв'язані залежністю: , де — внутрішня площа перерізу дзвону; — сила ваги дзвону, Н; К_п — ко­ефіцієнт жорсткості пружини, Н₀ — початкова висота пружини, яку вона має на початку вимірювань, тобто коли р1 = р2, м.

З наведеної формули видно, що зміною жорсткості пружини і внутр­ішньої площини дзвону можна змінювати межі вимірювань приладу і його чут­ливість.

Промисловість випускає дзвонові дифманометри типу ДКО з диференційно-

-трансформаторними і феродинамічними перетворювачами на межі вимірювань різ-

ниці тисків 0, 1...1, 0 кПа, за класу точності 1, 0 і 1, 5. За вимі­рювання малих перепа-

дів тисків такі прилади мають вищу чутливість, ніж поплавцеві.

Кільцевий дифманометр являють собою теж U- подібну трубку, але звернуту у кільце 1 (рис. 5.2, є) і розділену зверху перегородкою 4. Порожнина кільця до половини заповнюється робочою рідиною (водою, маслом або ртуттю).

За рівності тисків в обох порожнинах кільцівої камери p1=p2 кільце перебуває у середньому положенні, а робоча рідина в обох колінах — на одному рівні. За нерівностей тисків p1> p2 робоча рідина переміститься із лівого коліна у праве таким чином, щоб перепад тисків зрівноважився сто­впом рідини. При цьому виникає обертальниц момент і кільце повертається навколо точки опори за го­динниковою стрілкою на кут , який є мірою різниці тисків.

Промисловість випускає кільцеві дифманометри типу ДК показувальні, реєструвальні, з перетворювачами для передавання вимірювальної інформації. Діапазон вимірювань різниці тисків 0, 25... 1, 6 кПа, клас точності 1, 0 і 1, 5.

Загальні превагирідинних приладів тиску: а) достатня точність; б) простота конструкції; в) невисока вартість. Недоліки: а) невисока механічна міцність; б) громіздкість.