Pranešimas apie skysčio slėgio matuoklį. Privalomi ženklai ant slėgio matuoklių

2 skyrius. SKYSČIŲ MANOMETRAI

Vandens tiekimo klausimai žmonijai visada buvo labai svarbūs, o ypač aktualūs tapo miestams vystantis ir juose atsiradus įvairioms pramonės šakoms. Tuo pačiu metu vis aktualesnė tapo vandens slėgio matavimo problema, t.y. slėgio, būtino ne tik vandens tiekimui per vandentiekio sistemą užtikrinti, bet ir įvairiems mechanizmams valdyti, matavimo problema. Atradėjo garbė priklauso didžiausiam italų menininkui ir mokslininkui Leonardo da Vinci (1452–1519), kuris pirmasis panaudojo pjezometrinį vamzdelį vandens slėgiui vamzdynuose matuoti. Deja, jo veikalas „Apie vandens judėjimą ir matavimą“ buvo išleistas tik XIX a. Todėl visuotinai pripažįstama, kad pirmąjį skysčio slėgio matuoklį 1643 m. sukūrė italų mokslininkai Torricelli ir Viviai, Galilėjaus Galilėjaus mokiniai, kurie, tyrinėdami į vamzdelį įdėto gyvsidabrio savybes, atrado atmosferos slėgio egzistavimą. Taip gimė gyvsidabrio barometras. Per ateinančius 10-15 metų Prancūzijoje (B. Pascalis ir R. Dekartas) ir Vokietijoje (O. Guericke) buvo sukurti įvairių tipų skysčių barometrai, tarp jų ir su vandens pripildymu. 1652 m. O. Guericke'as pademonstravo atmosferos svorį įspūdingu eksperimentu su evakuotais pusrutuliais, kurie negalėjo atskirti dviejų arklių komandų (garsiųjų „Magdeburgo pusrutulių“).

Tolesnė mokslo ir technologijų plėtra paskatino atsiradimą didelis kiekis skysčio slėgio matuokliai įvairių tipų, yra naudojami;: iki šių dienų daugelyje pramonės šakų: meteorologijoje, aviacijoje ir elektros vakuuminėje technologijoje, geodezijoje ir geologiniuose tyrinėjimuose, fizikoje ir metrologijoje ir kt. Tačiau dėl daugybės specifinių skysčių slėgio matuoklių veikimo principo ypatumų, jų specifinė gravitacija Palyginti su kitų tipų manometrais, jis yra santykinai mažas ir, tikėtina, ateityje sumažės. Nepaisant to, ypač didelio tikslumo matavimams slėgio diapazone, artimame atmosferos slėgiui, jie vis dar yra būtini. Skysčių slėgio matuokliai neprarado savo svarbos ir daugelyje kitų sričių (mikromanometrijos, barometrijos, meteorologijos ir fizikinių bei techninių tyrimų).

2.1. Pagrindiniai skysčių slėgio matuoklių tipai ir jų veikimo principai

Skysčio slėgio matuoklių veikimo principą galima iliustruoti U formos skysčio manometro pavyzdžiu (1 pav.). 4, a ), sudarytas iš dviejų tarpusavyje sujungtų vertikalių vamzdžių 1 ir 2,

pusiau užpildyta skysčiu. Pagal hidrostatikos dėsnius, esant vienodam slėgiui R aš ir 2 p bus nustatyti laisvieji skysčio (meniskų) paviršiai abiejuose vamzdeliuose I-I lygis. Jei vienas iš spaudimų viršija kitą (R\ > 2 p.), tada dėl slėgio skirtumo skysčio lygis vamzdyje sumažės 1 ir atitinkamai pakilti vamzdyje 2, kol bus pasiekta pusiausvyros būsena. Tuo pačiu lygiu

II-P pusiausvyros lygtis įgauna formą

Ap=pi -р 2 =Н Р " g, (2.1)

y., slėgio skirtumą lemia skysčio kolonėlės slėgis su aukščiu N su tankiu p.

(1.6) lygtis slėgio matavimo požiūriu yra esminė, nes slėgį galiausiai lemia pagrindiniai fizikiniai dydžiai – masė, ilgis ir laikas. Ši lygtis galioja visų tipų skysčių manometrams be išimties. Tai reiškia, kad skysčio manometras yra manometras, kuriame išmatuotas slėgis yra subalansuotas skysčio kolonėlės, susidariusio veikiant šiam slėgiui, slėgiu. Svarbu pabrėžti, kad slėgio matas skysčio manometruose yra

skysčio lentelės aukščio, būtent ši aplinkybė lėmė mm vandens slėgio matavimo vienetų atsiradimą. Art., mm Hg. Art. ir kiti, kurie natūraliai išplaukia iš skysčių slėgio matuoklių veikimo principo.

Puodelio skysčio slėgio matuoklis (4 pav., b) susideda iš viena su kita sujungtų puodelių 1 ir vertikalus vamzdis 2, ir plotas skerspjūvis puodeliai yra žymiai didesni nei vamzdeliai. Todėl, veikiant slėgio skirtumui Ar Skysčio lygio pokytis puodelyje yra daug mažesnis nei skysčio lygio padidėjimas vamzdelyje: N\ = N g f/F, Kur N ! - skysčio lygio pasikeitimas puodelyje; H 2 - skysčio lygio vamzdyje pasikeitimas; / - vamzdžio skerspjūvio plotas; F - puodelio skerspjūvio plotas.

Taigi skysčio kolonėlės aukštis, balansuojantis išmatuotą slėgį N - N x + H 2 = # 2 (1 + f/F), ir išmatuotas slėgio skirtumas

Pi – Pr = H 2 p?-(1 + f/F ). (2.2)

Todėl su žinomu koeficientu k= 1 + f/F slėgio skirtumą galima nustatyti pagal skysčio lygio pasikeitimą viename vamzdyje, o tai supaprastina matavimo procesą.

Dviejų puodelių slėgio matuoklis (4 pav., V) susideda iš dviejų puodelių, sujungtų per lanksčią žarną 1 ir 2, iš kurių vienas yra standžiai fiksuotas, o antrasis gali judėti vertikalia kryptimi. Esant vienodam slėgiui R\ Ir 2 p puodeliai, todėl laisvieji skysčio paviršiai yra tame pačiame I-I lygyje. Jeigu R\ > R 2 tada puodelis 2 kyla tol, kol pasiekiama pusiausvyra pagal (2.1) lygtį.

Visų tipų skysčių manometrų veikimo principo vieningumas lemia jų universalumą, atsižvelgiant į galimybę matuoti bet kokio tipo slėgį - absoliutų ir manometrinį bei diferencinį slėgį.

Absoliutus slėgis bus matuojamas, jei 2 p = 0, ty kai erdvė virš skysčio lygio vamzdyje 2 išpumpuotas. Tada manometro skysčio kolonėlė subalansuos absoliutų slėgį vamzdyje

i,T.e.p a6c =tf р g.

Matuojant perteklinį slėgį, vienas iš vamzdžių susisiekia su atmosferos slėgiu, pvz. p 2 = p tsh. Jei absoliutus slėgis vamzdyje 1 daugiau nei atmosferos slėgis (R i >р аТ m)> tada pagal (1.6) skysčio kolonėlę vamzdelyje 2 subalansuos perteklinis slėgis vamzdyje 1 } ty p ir = N R g: Jei priešingai, p x < р атм, то столб жидкости в трубке 1 bus neigiamo perteklinio slėgio p ir = matas -N R g.

Matuojant skirtumą tarp dviejų slėgių, kurių kiekvienas nėra lygus atmosferos slėgiui, matavimo lygtis turi tokią formą Ar=p\ – p 2 – = N – R "g. Kaip ir ankstesniu atveju, skirtumas gali būti tiek teigiamas, tiek neigiamas.

Svarbi metrologinė slėgio matavimo prietaisų charakteristika yra matavimo sistemos jautrumas, kuris daugiausia lemia matavimo tikslumą ir inerciją. Manometro prietaisų jautrumas suprantamas kaip prietaiso rodmenų pokyčio ir jį sukėlusio slėgio pokyčio santykis (u = AN/Ar) . IN bendras atvejis kai matavimo diapazone jautrumas nėra pastovus

n = lim at Ar -*¦ 0, (2.3)

Kur AN - skysčio manometro rodmenų pasikeitimas; Ar - atitinkamas slėgio pokytis.

Atsižvelgdami į matavimo lygtis, gauname: U formos arba dviejų puodelių manometro jautrumą (žr. 4 pav. a ir 4, c)

n =(2A 'a ~>

puodelio slėgio matuoklio jautrumas (žr. 4 pav., b)

R-gy \llF) ¦ (2 " 4 ’ 6)

Paprastai puodelio manometrams F “/, todėl jų jautrumo sumažėjimas, lyginant su U formos manometrais, yra nežymus.

Iš lygčių (2.4, A ) ir (2.4, b) iš to išplaukia, kad jautrumą visiškai lemia skysčio tankis R, prietaiso matavimo sistemos užpildymas. Bet, kita vertus, skysčio tankio reikšmė pagal (1.6) lemia manometro matavimo diapazoną: kuo jis didesnis, tuo didesnė viršutinė matavimo riba. Taigi santykinė skaitymo paklaidos reikšmė nepriklauso nuo tankio reikšmės. Todėl, siekiant padidinti jautrumą, taigi ir tikslumą, buvo sukurta daugybė skaitymo prietaisų, pagrįstų įvairiais veikimo principais, pradedant skysčio lygio padėties fiksavimu manometro skalės atžvilgiu akimis (nuskaitymo paklaida apie 1 mm). ) ir baigiant tikslių trukdžių metodų naudojimu (skaitymo paklaida 0,1-0,2 mikrono). Kai kuriuos iš šių metodų galite rasti žemiau.

Skysčio slėgio matuoklių matavimo diapazonai pagal (1.6) nustatomi pagal skysčio kolonėlės aukštį, t.y., manometro matmenis ir skysčio tankį. Sunkiausias skystis šiuo metu yra gyvsidabris, kurio tankis p = 1,35951 10 4 kg/m 3. 1 m aukščio gyvsidabrio stulpelis sukuria apie 136 kPa slėgį, t.y. slėgį, kuris nėra daug didesnis už atmosferos slėgį. Todėl, matuojant 1 MPa dydžio slėgį, manometro matmenys aukštyje yra palyginami su trijų aukštų pastato aukščiu, o tai reiškia didelius eksploatacinius nepatogumus, jau nekalbant apie pernelyg didelį konstrukcijos tūrį. Nepaisant to, buvo bandoma sukurti itin aukštus gyvsidabrio manometrus. Pasaulio rekordas buvo pasiektas Paryžiuje, kur, remiantis garsaus dizaino Eifelio bokštas buvo sumontuotas manometras, kurio gyvsidabrio stulpelio aukštis apie 250 m, kas atitinka 34 MPa. Šiuo metu šis manometras yra išmontuotas dėl jo beprasmiškumo. Tačiau Vokietijos Federacinės Respublikos Fizikotechnikos instituto gyvsidabrio manometras, unikalus savo metrologinėmis savybėmis, veikia ir toliau. Šio manometro, sumontuoto iO aukšto bokšte, viršutinė matavimo riba yra 10 MPa, o paklaida mažesnė nei 0,005%. Daugumos gyvsidabrio manometrų viršutinė riba yra 120 kPa ir tik kartais iki 350 kPa. Matuojant palyginti nedidelius slėgius (iki 10-20 kPa), skysčių manometrų matavimo sistema užpildoma vandeniu, alkoholiu ir kitais lengvais skysčiais. Šiuo atveju matavimo diapazonai paprastai yra iki 1-2,5 kPa (mikromanometrai). Dar mažesniam slėgiui buvo sukurti metodai, kaip padidinti jautrumą nenaudojant sudėtingų jutiklių.

Mikromanometras (5 pav.), susideda iš puodelio aš, kuris yra prijungtas prie vamzdžio 2, sumontuotas kampu A iki horizontalaus lygio

Aš-Aš. Jei, esant vienodam slėgiui pi Ir 2 p skysčio paviršiai puodelyje ir vamzdelyje buvo I-I lygyje, tada slėgio padidėjimas puodelyje (R 1 > Pr) skysčio lygis puodelyje sumažės ir pakils vamzdelyje. Šiuo atveju skysčio stulpelio aukštis H 2 ir jo ilgis išilgai vamzdžio ašies L 2 bus susijęs ryšiu H 2 = L 2 nuodėmė a.

Atsižvelgiant į skysčio tęstinumo lygtį H, F = b 2 /, nesunku gauti mikromanometro matavimo lygtį

p t -р 2 =Н p "g = L 2 r h (sina + -), (2,5)

Kur b 2 - skysčio lygio perkėlimas vamzdyje išilgai jo ašies; A - vamzdžio pasvirimo į horizontalę kampas; kiti pavadinimai yra tokie patys.

Iš (2.5) lygties išplaukia, kad nuodėmei A „1 ir f/F „1 skysčio lygio judėjimas vamzdyje bus daug kartų didesnis nei skysčio stulpelio aukštis, reikalingas išmatuotam slėgiui subalansuoti.

Mikromanometro su pasvirusiu vamzdeliu jautrumas pagal (2.5)

Kaip matyti iš (2.6), didžiausias mikromanometro jautrumas horizontaliu vamzdžio išdėstymu (a = O)

y., lyginant su puodelio ir vamzdelio plotais, jis yra didesnis nei adresu U formos manometras.

Antrasis būdas padidinti jautrumą – subalansuoti slėgį dviejų nesimaišančių skysčių stulpeliu. Dviejų puodelių manometras (6 pav.) pripildomas skysčių taip, kad jų riba

Ryžiai. 6. Dviejų puodelių mikromanometras su dviem skysčiais (p, > p 2)

sekcija buvo vertikalioje vamzdžio dalyje greta 2 puodelio. Kada pi = p 2 slėgis I-I lygiu

Sveiki Pi -N 2 R 2 (Pi > P2)

Tada, padidėjus slėgiui puodelyje 1 pusiausvyros lygtis turės formą

Ap=pt -p 2 =D#[(P1 -p 2) +f/F(Pi + Rg)] g, (2.7)

čia px yra skysčio tankis puodelyje 7; p 2 - skysčio tankis 2 puodelyje.

Tariamasis dviejų skysčių stulpelio tankis

Pk = (Pi – P2) + f/F (Pi + Pr) (2,8)

Jei tankių Pi ir p 2 reikšmės yra artimos viena kitai, a f/F". 1, tada tariamasis arba efektyvusis tankis gali būti sumažintas iki reikšmės p min = f/F (R i + p 2) = 2p x f/F.

ьр r k * %

čia p k yra tariamasis tankis pagal (2.8).

Kaip ir anksčiau, padidinus jautrumą šiais metodais, automatiškai sumažinami skysčio manometro matavimo diapazonai, o tai riboja jų naudojimą mikromanometro™ srityje. Taip pat atsižvelgiant į didelį nagrinėjamų metodų jautrumą temperatūros įtakai atliekant tikslius matavimus, paprastai naudojami metodai, pagrįsti tiksliais skysčio kolonėlės aukščio matavimais, nors tai apsunkina skysčio slėgio matuoklių konstrukciją.

2.2. Skysčių slėgio matuoklių rodmenų ir klaidų taisymai

Atsižvelgiant į jų tikslumą, būtina keisti skysčių manometrų matavimo lygtis, atsižvelgiant į darbo sąlygų nukrypimus nuo kalibravimo sąlygų, matuojamo slėgio tipą ir konkrečių manometrų schemos ypatybes.

Darbo sąlygas lemia temperatūra ir laisvojo kritimo pagreitis matavimo vietoje. Temperatūrai veikiant, keičiasi ir skysčio, naudojamo slėgiui subalansuoti, tankis, ir skalės ilgis. Laisvo kritimo pagreitis matavimo vietoje, kaip taisyklė, jo neatitinka normalioji vertė, priimtas kalibravimo metu. Todėl spaudimas

P = Pp }