Рідинні манометри і дифманометри

У рідинних манометрах вимірюється тиск або різниця тисків врівноважується гідростатичним тиском стовпа рідини. У приладах використовується принцип сполучених посудин, в яких рівні робочої рідини збігаються за однакової кількості тисків над ними, а при нерівності займають таке положення, коли надлишковий тиск в одному з судин врівноважується гідростатичним тиском надлишкового стовпа рідини в іншому. Більшість рідинних манометрів мають видимий рівень робочої рідини, по положенню якого визначається значення вимірюваного тиску. Ці прилади використовуються в лабораторній практиці і в деяких галузях промисловості.

Існує група рідинних дифманометрів. в яких рівень робочої рідини безпосередньо не спостерігається. Зміна останнього викликає переміщення поплавця або зміна характеристик іншого пристрою, що забезпечують або безпосереднє показання вимірюваної величини за допомогою відлікового пристрою, або перетворення і передачу її значення на відстань.

Двотрубні рідинні манометри. Для вимірювання тиску і різниці тисків використовують двотрубні манометри і дифманометри з видимим рівнем, часто званими U-подібними. Принципова схема такого манометра представлена ​​на рис. 1, а. Дві вертикальні сполучені скляні трубки 1, 2 закріплені на металевому або дерев'яному підставі 3, до якого прикріплена шкальна пластинка 4. Трубки заповнюються робочою рідиною до нульової позначки. У трубку 1 подається вимірюваний тиск, трубка 2 повідомляється з атмосферою. При вимірюванні різниці тисків до обох трубках підводяться вимірювані тиску.

Мал. 1. Схеми двотрубного (в) і однотрубного (б) манометра:

1, 2 - вертикальні сполучені скляні трубки; 3 - підстава; 4 - шкальна пластина

В якості робочої рідини використовуються вода, ртуть, спирт, трансформаторне масло. Таким чином, в рідинних манометрах функції чутливого елемента, що сприймає зміни вимірюваної величини, виконує робоча рідина, вихідною величиною є різниця рівнів, вхідний - тиск або різниця тисків. Крутизна статичної характеристики залежить від щільності робочої рідини.

Для виключення впливу капілярних сил в манометрах використовуються скляні трубки з внутрішнім діаметром 8. 10 мм. Якщо робочою рідиною служить спирт, то внутрішній діаметр трубок може бути знижений.

Двотрубні манометри з водяним заповненням застосовуються для вимірювання тиску, розрідження, різниці тисків повітря і неагресивних газів в діапазоні до ± 10 кПа. Заповнення манометра ртуттю вимірювання розширює межі до 0,1 МПа, при цьому вимірюваним середовищем може бути вода, неагресивні рідини і гази.

При використанні рідинних манометрів для вимірювання різниці тисків середовищ, що знаходяться під статичним тиском до 5 МПа, в конструкцію приладів вводяться додаткові елементи, призначені для захисту приладу від одностороннього статичного тиску і перевірки початкового положення рівня робочої рідини.

Джерелами похибок двотрубних манометрів є відхилення від розрахункових значень місцевого прискорення вільного падіння, щільності робочої рідини і середовища над нею, помилки в зчитуванні висот h1 і h2.

Щільності робочої рідини і середовища даються в таблицях теплофізичних властивостей речовин в залежності від температури і тиску. Похибка зчитування різниці висот рівнів робочої рідини залежить від ціни поділки шкали. Без додаткових оптичних пристроїв при ціні поділки 1 мм похибка зчитування різниці рівнів становить ± 2 мм з урахуванням похибки нанесення шкали. При використанні додаткових пристроїв для підвищення точності зчитування h1, h2 необхідно враховувати розбіжність температурних коефіцієнтів розширення шкали, скла і робочої речовини.

Однотрубні манометри. Для підвищення точності відліку різниці висот рівнів використовуються однотрубні (чашкові) манометри (див. Рис. 1, б). У однотрубного манометра одна трубка замінена широким посудиною, в який подається більша з вимірюваних тисків. Трубка, прикріплена до шкальної платівці, є вимірювальної і повідомляється з атмосферою, при вимірюванні різниці тисків до неї підводиться менше з тисків. Робоча рідина заливається в манометр до нульової позначки.

Під дією тиску частина робочої рідини з широкого судини перетікає в вимірювальну трубку. Оскільки обсяг рідини, витіснений з широкого судини, дорівнює обсягу рідини, що надійшов в вимірювальну трубку,

Вимірювання в однотрубних манометрах висоти тільки одного стовпа робочої рідини призводить до зниження похибки зчитування, яка з урахуванням похибки градуювання шкали не перевищує ± 1 мм при ціні поділки 1 мм. Інші складові похибки, обумовлені відхиленнями від розрахункового значення прискорення вільного падіння, щільності робочої рідини і середовища над нею, температурними розширеннями елементів приладу, є загальними для всіх рідинних манометрів.

У двотрубних і однотрубних манометрів основною похибкою є похибка зчитування різниці рівнів. При одній і тій же абсолютної похибки приведена похибка вимірювання тиску знижується при збільшенні верхньої межі вимірювання манометрів. Мінімальний діапазон виміру однотрубних манометрів з водяним заповненням становить 1,6 кПа (160 мм вод. Ст.), При цьому приведена похибка вимірювання не перевищує ± 1%. Конструктивне виконання манометрів залежить від статичного тиску, на який вони розраховані.

Мікроманометри. Для вимірювання тиску і різниці тисків до 3 кПа (300 кгс / м2) використовуються мікроманометри, які є різновидом однотрубних манометрів і забезпечені спеціальними пристосуваннями або для зменшення ціни ділення шкали, або для підвищення точності зчитування висоти рівня за рахунок використання оптичних або інших пристроїв. Найбільш поширені лабораторні мікроманометри - це мікроманометри типу ммн з похилою вимірювальної трубкою (рис. 2). Показання микроманометра визначаються по довжині стовпчика робочої рідини п в вимірювальної трубці 1, що має кут нахилу а.

Мал. 2. Схема микроманометра ммн:

1 - вимірювальна трубка; 2 - посудина; 3 - кронштейн; 4 - сектор

На рис. 2 кронштейн 3 з вимірювальної трубкою 1 кріпиться на секторі 4 в одному з п'яти фіксованих положень, яким відповідають к = 0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 0,8 і п'ять діапазонів вимірювання приладу від 0,6 кПа (60 кгс / м2) до 2,4 кПа (240 кгс / м2). Наведена похибка вимірювань не перевищує 0,5%. Ціна найменшої поділки при к = 0,2 складає 2 Па (0,2 кгс / м2), подальше зниження ціни ділення, пов'язане зі зменшенням кута нахилу вимірювальної трубки, обмежена зниженням точності зчитування положення рівня робочої рідини через розтягування меніска.

Більш точними приладами є мікроманометри типу ММ, звані компенсаційними. Похибка зчитування висоти рівня в цих приладах не перевищує ± 0,05 мм в результаті використання оптичної системи для встановлення початкового рівня і мікрометричного гвинта для вимірювання висоти стовпа робочої рідини, що врівноважує вимірюваний тиск або різниця тисків.

Барометри застосовуються для вимірювання атмосферного тиску. Найбільш поширеними є чашкові барометри з ртутним заповненням, відградуйованих мм рт. ст. (Рис. 3).

Мал. 3. Схема чашкового ртутного барометра. 1 - ноніус; 2 - термометр

Похибка зчитування висоти стовпа не перевищує 0,1 мм, що досягається використанням ноніуса 1, поєднувати з верхньою частиною меніска ртуті. При більш точному вимірі атмосферного тиску необхідно вводити поправки на відхилення прискорення вільного падіння від нормального і значення температури барометра, вимірюваної термометром 2. При діаметрі трубки менш 8. 10 мм враховується капілярна депресія, обумовлена ​​поверхневий натяг ртуті.

Компресійні манометри (манометри Мак-Леода), схема яких представлена ​​на рис. 4, містять резервуар 1 з ртуттю і зануреної в неї трубкою 2. Остання повідомляється з вимірювальним балоном 3 і трубкою 5. Балон 3 закінчується глухим вимірювальним капилляром 4, до трубки 5 підключений капіляр порівняння 6. Обидва капіляра мають однакові діаметри, щоб на результатах вимірювання не позначалося вплив капілярних сил. Тиск в резервуар 1 подається через триходовий кран 7, який в процесі вимірювання може перебувати в положеннях, зазначених на схемі.

Мал. 4. Схема компресійного манометра:

1 - резервуар; 2, 5 - трубки; 3 - вимірювальний балон; 4 - глухий вимірювальний капіляр; 6 - капіляр порівняння; 7 - триходовий кран; 8 - гирло балона

Принцип дії манометра заснований на використанні закону Бойля-Маріотта, згідно з яким для фіксованої маси газу добуток обсягу на тиск при незмінній температурі становить постійну величину. При вимірі тиску виконуються наступні операції. При установці крана 7 в положення а вимірюваний тиск подається в резервуар 1, трубку 5, капіляр 6, і ртуть зливається в резервуар. Потім кран 7 плавно перетворюється на становище с. Оскільки атмосферний тиск значно перевищує вимірюваний р, ртуть витісняється в трубку 2. При досягненні ртуттю гирла балона 8, зазначеного на схемі точкою О, від вимірюваного середовища відсікається обсяг газу V, що знаходиться в балоні 3 і вимірювальному капілярі 4. Подальше підвищення рівня ртуті стискає відсічений Об `єм. При досягненні ртуттю в вимірювальному капілярі висоти h і впуск повітря в резервуар 1 припиняється і кран 7 встановлюється в положення b. Зображене на схемі положення крана 7 і ртуті відповідає моменту зняття показань манометра.

Нижня межа вимірювання компресійних манометрів становить 10 -3 Па (10 -5 мм рт. Ст.), Похибка не перевищує ± 1%. У приладів п'ять діапазонів вимірювання і вони охоплюють тиску до 10 3 Па. Чим нижче вимірюється тиск, тим більше балон 1, максимальний обсяг якого становить 1000 см3, а мінімальний 20 см3, діаметр капілярів дорівнює відповідно 0,5 і 2,5 мм. Нижня межа вимірювання манометра в основному обмежений похибкою визначення обсягу газу після стиснення, яка залежить від точності виготовлення капілярних трубок.

Набір компресійних манометрів спільно з мембранно- ємнісним манометром входить до складу державного спеціального еталона одиниці тиску в області 1 010 -3. 1010 3 Па.

Перевагами розглянутих рідинних манометрів і дифманометрів є їх простота і надійність при високій точності вимірювань. При роботі з рідинними приладами необхідно виключати можливість перевантажень і різких змін тиску, так як в цьому випадку може відбуватися вихлюпування робочої рідини в лінію або атмосферу.