Единицы измерения давления

Основной единицей давления в системе СИ является паскаль (Па).

«Один паскаль - это давление на плоской поверхности под действием силы, которая направлена перпендикулярно и равномерно распределена к поверхности и равняется 1 Ньютону».

На практике используют килопа-скаль (кПа) или мегапаскаль (МПа), так как единица Па слишком мала.

В эксплуатируемых в настоящее время манометрах также используется единица системы МКГСС (метр, кило-грамм-сила, секунда) килограмм-сила на квадратный метр () и внесистемные единицы измерения к примеру килограмм-сила на квадратный сантиметр ().

Также распространенной единицей измерения является бар (1 бар =10 Па = 1,0197 кгс/см). Именно в барах градуированы исследуемые манометры.

Соотношения между единицами измерения давления можно вычислить по формуле:

P 1 =KЧP 2 , (1.4 )

где P 1 - давление в нужных единицах; P 2 - давление в исходных единицах.

Значение коэффициента K приведены таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Манометры. Классификация манометров

ГОСТ 8.271-77 определяет манометр как при-бор или измерительную установку для определения действительного значения давления или разности давлений.

Манометры классифицируются по следующим характеристикам:

• типу давления, на которое рассчитан манометр;
• принципу действия манометра;
• назначению манометра;
• классу точности манометра;
• особенностям измеряемой среды;

Классифицируя манометры по типу измеряемого давления, можно разделить на:

• - измеряющие абсолютное давление;
• - измеряющие избыточное давление;
• - измеряющие разряженное давление, которые называются вакуумметры;

Большинство выпускаемых манометров предназначены для измерения избыточного давления. Их особенность заключается в том, что при воздействии атмосферного давления на чувствительный элемент, приборы показывают “ноль”.

Также существует множество вариаций приборов, объединенных единым названием “манометр”, например мановакуумметры, напоромеры, тягомеры, тягонапоромеры, дифнанометры.

Мановакуумметр- манометр, с возможностью измерения как избыточного давления, так и давление разреженного газа (вакуума).

Напоромер- манометр, позволяющий измерить сверхмалые значения избыточного давления (до 40 кПа).

Тягомер- вакуумметр, позволяющий измерить малые значения вакуумметрического давления (до -40 кПа).

Дифнанометр- прибор, предназначенный для измерения разности давления в двух точках.

«По принципу действия манометры классифицируются на:

• - жидкостные;
• - деформационные;
• - грузопоршневые;
• - электрические;».

К жидкостным относят манометры, принцип действия которых основан на разности давлений давлением столба жидкости. Примером такого манометра являются U- образные манометры. Они состоят из градуированных сообщающихся сосудов, в которых измеряемое давление можно определить по уровню жидкости в одном из сосудов.

Рис. 1.1. U-образиый жидкостный стеклян-ный мановакуумметр:

1 -- U-образная стеклянная трубка; 2 --скобы крепления; 3 -- основа; 4 -- шкала.

Деформационные манометры основаны на зависимости степени деформации чувствительного элемента от давления, подаваемого на этот элемент. В основном в качестве чувствительного элемента выступает трубчатая пружина. О них поподробнее мы узнаем далее.

Электрические манометры работают на основе зависимости электрических параметров чувствительного элемента преобразователя от давления.

В грузопоршневых манометрах в качестве рабочего тела используется жидкость, которая создает давление. Это давление уравновешивается массой поршня и грузов.

По количеству грузов, необходимых для равновесия мы и определяем давление, которое создает жидкость.

Рис. 1.2. Принципиальная схема грузопоршневого манометра:

1 --бак для масла, 2 --насос, 3 --клапаны, 4, 5, б --вентили подвода, слива и измерительной колонки соответст-венно, 7 --измерительная колонка, 8, 9 --стойки, 10, 11 --вентили стоек, 12 --пресс.

По назначению манометры подразделяются на общетехнические и эталонные. Общетехнические предназначены для проведения измерений в процессе производственной деятельности. В общетехнических конструктивно предусмотрена виброустойчивость к частотам находящимся в пределах 10-55 Гц. Также предусматривают устойчивость к внешним воздействиям таких как:

• - попадание внешних предметов;
• - температурные воздействия;
• - попадание воды;

«Эталонные манометрические приборы предназначены для хранения и передачи размера единиц давления для обеспечения единства, достоверности и гарантии высокой точности измерений давления».

«По особенностям измеряемой среды все манометры классифицируются на:

• общетехнические;
• коррозионно-стойкие (кислотостойкие);
• виброустойчивые;
• специальные;
• кислородные;
• газовые».

Общетехнические манометрические приборы ориентированы на измерения в нормальных условиях. Изготавливаются из алюминия и медных сплавов.

Коррозионно-стойкие приборы изготавливаются из химически стойких материалов таких как сталь различной маркировки. Также снабжаются каленым многослойным стеклом.

Специальные манометры предназначены для измерения сред с отличными от нормальных условий, например для измерения давления вязких веществ или содержащих твердые частицы.

Виброустойчивые манометры используются в условиях эксплуатации, где частота вибрации превышает 55 Гц. Внутренний объем таких манометров заполняют вязкой жидкостью, например глицерином или силиконом. Корпус в виброустойчивом манометре должен быть герметичным и содержать в себе специальные уплотнители из каучуковых резин.

В газовых манометрах применяется ряд конструктивных решений, которые должны обеспечить безопасность в случае разрыва чувствительного элемента. Устанавливается разделительная перегородка между шкалой и чувствительным элементом. Смотровое окно в таких манометрах многослойное с упрочнением. На задней стенке предусмотрен разгрузочный клапан, который в случае превышения допустимого давления раскрывается и сбрасывает давление. При производстве особое внимание уделяют материалам т.к многие газы обладают специфическими свойствами.

«Кислородные манометры применяются для измерения давления в средах с долей кислорода 23% и более». Так как при контакте кислорода с некоторыми органическими веществами и минеральными маслами он детонирует к ним предъявляют строгие требования у чистоте от масел. Конструктивно не отличаются от общетехнических манометров.

Необходимые метки на манометрах

На циферблате манометра обязательно должны быть нанесены:

• 1) Единицы измерения;
• 2) Рабочее положение прибора;
• 3) Класс точности;
• 4) Наименование измеряемой среды в случаем специального исполнения прибора;

• -товарный знак предприятия изготовителя;
• -знак Государственного реестра;

В таблице 1.2 указаны основные обозначения на циферблате манометров.

Таблица 1.2

Также должны обозначаться метки об устойчивости к внешним условиям.

Таблица 1.3

И также обозначается степень защиты от внешних воздействий.

Жидкостные (трубные) манометры функционируют по принципу сообщающихся сосудов – за счет уравновешивания фиксируемого давления весом жидкости-наполнителя: столб жидкости сдвигается на высоту, которая пропорциональна приложенной нагрузке. Измерения на основе гидростатического метода привлекают сочетанием простоты, надежности, экономичности и высокой точности. Манометр с жидкостью внутри оптимально подходит для измерения перепадов давления в пределах 7 кПа (в специальных вариантах исполнения – до 500 кПа).

Виды и типы приборов

Для лабораторных измерений или промышленного применения используются различные варианты манометров с трубной конструкцией. Наиболее востребованы такие виды приборов:

• U-образные. Основа конструкции – сообщающиеся сосуды, в которых определение давления осуществляется по одному или сразу нескольким уровням жидкости. Одна часть трубки соединяется с трубопроводной системой для проведения измерения. В то же время другой конец может быть герметически запаян или иметь свободное сообщение с атмосферой.
• Чашечные. Однотрубный жидкостный манометр во многом напоминает конструкцию классических U-образных приборов, но вместо второй трубки здесь применяется широкий резервуар, площадь которого в 500-700 раз больше площади сечения основной трубки.
• Кольцевые. В устройствах данного типа столб жидкости заключен в кольцевом канале. При изменении давления происходит перемещение центра тяжести, что в свою очередь приводит к перемещению стрелки указателя. Таким образом, прибор для измерения давления фиксирует угол наклона оси кольцевого канала. Эти манометры привлекают высокой точностью результатов, которые не зависят от плотности жидкости и газовой среды на ней. В то же время сфера применения таких изделий ограничивается их высокой стоимостью и сложностью обслуживания.
• Жидкостно-поршневые. Измеряемое давление вытесняет сторонний шток и уравновешивает его положение калиброванными грузами. Подобрав оптимальные параметры массы штока с грузами, удается обеспечить его выталкивание на величину, пропорциональную к измеряемому давлению, а, следовательно, удобную для контроля.

Применение жидкостного манометра

Простота и надежность измерений на основе гидростатического метода объясняют широкое применение прибора с жидкостным наполнителем. Такие манометры незаменимы при проведении лабораторных исследований или решении различных технических задач. В частности, приборы используются для таких типов измерений:

• Небольшие избыточные давления.
• Разность давлений.
• Атмосферное давление.
• Разрежение.

Важное направление применения трубных манометров с жидким наполнителем – поверка контрольно-измерительных приборов: тягомеров, напоромеров, вакуумметров барометров, дифманометров и некоторых типов манометров.

Манометр жидкостный: принцип действия

Самый распространенный вариант конструкции приборов – U-образная трубка. Принцип действия манометра показан на рисунке:

Схема U-образного жидкостного манометра

Один конец трубки имеет сообщение с атмосферой – на него воздействует атмосферное давление Pатм. Другой конец трубки с помощью подводящих устройств подключается к целевому трубопроводу – на него воздействует давление измеряемой среды Рабс. Если показатель Рабс выше Pатм, то жидкость вытесняется в трубку, сообщающуюся с атмосферой.

Инструкция по расчету

Разница высоты между уровнями жидкости рассчитывается по формуле:

h = (Рабс – Ратм)/((rж – rатм)g)
где:
Рабс – абсолютное измеряемое давление.
Ратм – атмосферное давление.
rж – плотность рабочей жидкости.
rатм – плотность окружающей атмосферы.
g – ускорение свободного падения (9,8 м/с2)
Показатель высоты рабочей жидкости H складывается из 2-ух составляющих:
1. h1 – понижение столба по сравнению с исходным значением.
2. h2 – повышение столба в другой части трубки в сравнении с исходным уровнем.
Показатель rатм в расчетах часто не учитывают, поскольку rж >> rатм. Таким образом, зависимость можно представить как:
h = Ризб/(rж g)
где:
Ризб – избыточное давление измеряемой среды.
На основе приведенной формулы, Ризб = hrж g.

Если необходимо измерить давление разряженных газов, применяются измерительные приборы, в которых один из концов герметически запаян, а к другому с помощью подводящих устройств подключают вакуумметрическое давление. Конструкция показана на схеме:

Схема жидкостного вакуумметра абсолютного давления

Для таких приборов применяется формула:
h = (Ратм – Рабс)/(rж g).

Давление в запаянном торце трубки равно нулю. При наличии в нем воздуха расчеты вакуумметрического избыточного давления выполняются как:
Ратм – Рабс = Ризб – hrж g.

Если воздух в запаянном конце откачан, и давление противодействия Ратм = 0, то:
Рабс= hrж g.

Конструкции, в которых воздух в запаянном конце откачивается и перед заполнением вакууммируется, подходят для применения в качестве барометров. Фиксация разницы высоты столба в запаянной части позволяет произвести точные расчеты барометрического давления.

Преимущества и недостатки

Жидкостные манометры имеют как сильные, так и слабые стороны. При их использовании удается оптимизировать капитальные и эксплуатационные издержки на контрольно-измерительные мероприятия. В то же время следует помнить о возможных рисках и уязвимых местах таких конструкций.

Среди ключевых преимуществ измерительных приборов с жидкостным наполнением следует отметить:

• Высокая точность измерений. Приборы с низким уровнем погрешности могут использоваться в качестве образцовых для поверки различного контрольно-измерительного оборудования.
• Простота использования. Инструкция по использованию прибора является предельно простой и не содержит каких-либо сложных или специфических действий.
• Невысокая стоимость. Цена жидкостных манометров значительно ниже по сравнению с другими типами оборудования.
• Быстрый монтаж. Подключение к целевым трубопроводам производится с помощью подводящих устройств. Осуществление монтажа/демонтажа не требует специального оборудования.

• Резкий скачок давления может привести к выбросу рабочей жидкости.
• Возможность автоматической фиксации и передачи результатов измерений не предусмотрена.
• Внутреннее устройство жидкостных манометров определяет их повышенную хрупкость
• Приборы характеризуются достаточно узким диапазоном измерений.
• Корректность измерений может быть нарушена некачественной очисткой внутренних поверхностей трубок.

Инструкция для жидкостного манометра

Для гидростатических измерений в манометрах могут использоваться различные рабочие жидкости: дистиллированная вода, ртуть, этиловый спирт, жидкость Туле и другие наполнители. При их использовании важно помнить о возможных рисках. В частности, вода приводит к коррозии железосодержащих сплавов, ртуть несет угрозу здоровью человека, а ацетилен и некоторые другие виды наполнителей являются психотропными веществами.

Приходилось ли вам пользоваться манометром? Как нетрудно догадаться, это прибор, с помощью которого выполняются какие-то измерения.

Но вот для чего и кому он нужен, знают не все. Итак, давайте разберемся, что такое манометр, что он измеряет и показывает.

Как понятно из структуры слова, манометром называется измерительный прибор. Это слово образовано из греческого слова «μάνωσις» , означающего «неплотный, разреженный» , и приставки «…метр» , которая обозначает любые измерительные приборы. Манометром измеряют неплотные вещества – жидкости и газы, а точнее, их давление.

Как было сказано выше, манометр – это специальный прибор, который используется для измерения давления газов и жидкостей в сосудах или трубопроводах. По принципу работы он может быть:

— поршневым;

— жидкостным;

— деформационным;

— пьезоэлектрическим.

Разные типы манометров имеют различное устройство. Рассмотрим наиболее популярные из них.

— Главной частью деформационного манометра является упругий элемент, деформация которого приводит к отклонению стрелочного показателя по шкале, показывающей величину давления. В качестве упругого элемента используются пружины трубчатой формы, мембраны – как плоские, так и гофрированные, сильфоны и т.д. Принцип работы заключается в том, что рабочая среда воздействует на упругий элемент и деформирует его, заставляя смещаться в определенном направлении. Прикрепленный к нему поводок вращает ось с надетой на нее стрелкой, показывающей на шкале величину давления.

— Жидкостные манометры используют для измерения трубку определенной длины, заполненную жидкостью. Рабочая среда воздействует на подвижную пробку (поршень) в трубке, и по перемещению уровня жидкости появляется возможность судить о ее давлении. Жидкостные манометры могут быть однотрубными и двухтрубными – вторые используются для определения разницы давлений двух сред.

— Поршневой манометр состоит из цилиндра и вставленного внутрь поршня. С одной стороны на поршень действует давление рабочей среды- жидкости или газа, а с другой он уравновешен грузом определенной величины. Перемещение поршня из-за изменения давления приводит к перемещению бегунка или стрелки на шкале.


— Пьезоэлектрические манометры используют пьезоэффект – появление электрического заряда в кристалле кварца вследствие механического воздействия. Основным достоинством этих приборов является отсутствие инерции, что важно для контроля быстро протекающих изменений давления рабочей среды.

Манометр – один из наиболее широко используемых приборов, необходимых в любой отрасли, где используются газообразное и жидкое сырье или рабочая среда. Их применяют:

— в химической промышленности, где очень важно знать давление веществ, участвующих в процессах;

— в машиностроении, особенно при использовании гидродинамических и гидромеханических узлов;

— в автомобилестроении и самолетостроении, а также в ремонте и сервисе автомобильной и авиационной техники;

— в железнодорожном транспорте;

— в теплотехнике для измерения давления теплоносителя в трубах;

— в нефте- и газодобывающей сфере;

— в медицине;

— везде, где используются пневматические агрегаты и узлы.

Выпускаются манометры промышленного и бытового назначения. Бытовые приборы используются для контроля автономных отопительных систем, автолюбителями для измерения давления в шинах автомобиля и т.д.

Промышленные манометры отличаются высокой специализацией и в ряде случаев – высоким классом точности.

Каждому манометру присваивается соответствующий класс точности, показывающий величину допустимой для этого прибора погрешности в измерении давления. Чем меньше число, которым выражается класс точности, тем более точным будет измерение.


Наиболее распространены манометры с классом точности от 4,0 до 0,5 – рабочие приборы, и от 0,2 до 0,05 – образцовые, или поверочные манометры. Выбор прибора с тем или иным классом точности зависит от измеряемого объекта и протекающего процесса.

Манометр жидкостный
Назначение прибора:
Манометр открытый демонстрационный предназначен для измерения давления от 0 до 400 мм ртутного или водяного столба (4000 Па) выше и ниже атмосферного давления.
Основные части прибора и их назначение: Демонстрационный жидкостный манометр состоит из U-образной стеклянной трубки высотой 48 см и диаметром 3,5 – 4,5 мм и стойки на треноге. Одно колено стеклянной трубки присоединяется к сосуду, давление в котором нужно измерить. На стойке нанесены хорошо заметные издали штриховые сантиметровые деления с оцифровкой: в середине стойки – 0 и от него вверх и вниз через каждые 10 см цифры 1 и 2. Цена деления шкалы прибора 10 мм водяного столба. С обратной стороны верхней части стойки при помощи металлической пластинки укреплен стеклянный тройник. Тройник с одной стороны соединен с манометром, с другой – с установкой и средним отростком с резиновой трубкой, на которую надет винтовой или пружинящий зажим. Это позволяет во время работы приводить жидкость в обоих коленах манометра к одному уровню, не отключая от установки другие приборы. Достаточно слегка разжать зажим, чтобы соединить манометр с атмосферой. К манометру прилагают резиновую трубку длиной 80 см и винтовой зажим. Манометр заполняют чаще всего водой и реже спиртом или ртутью. Для лучшей видимости воду подкрашивают, например нигрозином или желто-зеленым флюоресцином. Жидкостный манометр нетрудно изготовить своими силами, изогнув в пламени спиртовки стеклянную трубку или соединив внизу две прямые стеклянные трубки при помощи резиновой.
Принцип действия прибора:
Действие открытого жидкостного манометра основано на свойстве сообщающихся сосудов и законе Паскаля. Жидкость устанавливается в обоих коленах на одном и том же уровне, так как на ее поверхность действует только атмосферное давление. Чтобы понять, как работает такой манометр, его можно соединить резиновой трубкой с круглой плоской коробкой, одна сторона которой затянута резиновой пленкой. Если слегка надавить пальцем на пленку, то уровень жидкости в колене манометра, соединенном с коробкой, понизится, в другом же колене повысится. Это объясняется тем, что при надавливании на пленку увеличивается давление воздуха в коробке. По закону Паскаля это увеличение давления передается и жидкости в том колене манометра, которое присоединено к коробке. Поэтому давление на жидкость в этом колене будет больше, чем в другом, где на жидкость действует атмосферное давление. Под действием силы этого избыточного давления жидкость начнет перемещаться: в колене со сжатым воздухом жидкость опустится, в другом – поднимется. Жидкость придет в равновесие (остановится) , когда избыточное давление сжатого воздуха уравновесится давлением, которое производит избыточный столб жидкости в другом колене манометра. Чем сильнее давить на пленку, тем выше избыточный столб жидкости, тем больше его давление. Следовательно, об изменении давления можно судить по высоте этого избыточного столба.

Глава 2. ЖИДКОСТНЫЕ МАНОМЕТРЫ

Вопросы водоснабжения для человечества всегда были очень важными, а особую актуальность приобрели с развитием городов и появлением в них различного вида производств. При этом все более актуальной становилась проблема измерения давления воды, т. е. напора, необходимого не только для обеспечения подачи воды через систему водоснабжения, но и для приведения в действие различных механизмов. Честь первооткрывателя принадлежит крупнейшему итальянскому художнику и ученому Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.), который впервые применил пьезометрическую трубку для измерения давления воды в трубопроводах. К сожалению, его труд „О движении и измерении воды” был опубликован лишь в XIX веке. Поэтому принято считать, что впервые жидкостный манометр был создан в 1643 г. итальянскими учеными Торричелли и Вивиаии, учениками Галилео Галилея, которые при исследовании свойств ртути, помещенной в трубку обнаружили существование атмосферного давления. Так появился ртутный барометр. В течение последующих 10-15 лет во Франции (Б. Паскаль и Р. Декарт) и Германии (О. Герике) были созданы различные разновидности жидкостных барометров, в том числе и с водяным заполнением. В 1652 г. О. Герике продемонстрировал весомость атмосферы эффектным опытом с откачанными полушариями, которые не могли разъединить две упряжки лошадей (знаменитые „магдебургские полушария”).

Дальнейшее развитие науки и техники привело к появлению большого количества жидкостных манометров различных типов, применяемы;: до настоящего времени во многих отраслях: метеорологии, авиационной и электровакуумной технике, геодезии и геологоразведке, физике и метрологии и пр. Однако, в силу ряда специфических особенностей принципа действия жидкостных манометров их удельный вес по сравнению с манометрами других типов относительно невелик и, вероятно, будет уменьшаться и в дальнейшем. Тем не менее при измерениях особо высокой точности в области давлений, близких к атмосферному давлению, они пока незаменимы. Не потеряли своего значения жидкостные манометры и в ряде других областей (микроманометрии, барометрии, метеорологии, при физико-технических исследованиях).

2.1. Основные типы жидкостных манометров и принципы их действия

Принцип действия жидкостных манометров можно проиллюстрировать на примере U-образного жидкостного манометра (рис. 4, а ), состоящего из двух соединенных между собой вертикальных трубок 1 и 2,

наполовину заполненных жидкостью. В соответствии с законами гидростатики при равенстве давлений р i и р 2 свободные поверхности жидкости (мениски) в обеих трубках установятся на уровне I-I. Если одно из давлений превышает другое (р\ > р 2), то разность давлений вызовет опускание уровня жидкости в трубке 1 и, соответственно, подъем в трубке 2, вплоть до достижения состояния равновесия. При этом на уровне

II-П уравнение равновесия примет вид

Ap=pi -р 2 =Н Р " g, (2.1)

т. е. разность давлений определяется давлением столба жидкости высотой Н с плотностью р.

Уравнение (1.6) с точки зрения измерения давления является фундаментальным, так как давление, в конечном итоге, определяется основными физическими величинами - массой, длиной и временем. Это уравнение справедливо для всех без исключения типов жидкостных манометров. Отсюда следует определение, что жидкостный манометр - манометр, в котором измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, образующегося под действием этого давления. Важно подчеркнуть, что мерой давления в жидкостных манометрах является

высота стол а жидкости, менно это обстоятельство привело к появлению единиц измерений давления мм вод. ст., мм рт. ст. и других которые естественным образом вытекают из принципа действия жидкостных манометров.

Чашечный жидкостный манометр (рис. 4, б) состоит из соединенных между собой чашки 1 и вертикальной трубки 2, причем площадь поперечного сечения чашки существенно больше, чем трубки. Поэтому под воздействием разности давлений Ар изменение уровня жидкости в чашке гораздо меньше, чем подъем уровня жидкости в трубке: Н\ = Н г f/F, где Н ! - изменение уровня жидкости в чашке; Н 2 - изменение уровня жидкости в трубке; / - площадь сечения трубки; F - площадь сечения чашки.

Отсюда высота столба жидкости, уравновешивающей измеряемое давление Н - Н х + Н 2 = # 2 (1 + f/F), а измеряемая разность давлений

Pi - Рг = Н 2 р ?-(1 + f/F ). (2.2)

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

Двухчашечный манометр (рис. 4, 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 Р\ и р 2 чашки, а следовательно, свободные поверхности жидкости находятся на одном уровне I-I. Если Р\ > р 2 , то чашка 2 поднимается вплоть до достижения равновесия в соответствии с уравнением (2.1).

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

Абсолютное давление будет измерено, если р 2 = 0, т. е. когда пространство над уровнем жидкости в трубке 2 откачано. Тогда столб жидкости в манометре будет уравновешивать абсолютное давление в трубке

i,T.e.p a6c =tf р g.

При измерении избыточного давления одна из трубок сообщается с атмосферным давлением, например, р 2 = р тш. Если при этом абсолютное давление в трубке 1 больше чем атмосферное давление (р i >р аТ м)> то в соответствии с (1.6) столб жидкости в трубке 2 уравновесит избыточное давление в трубке 1 } т. е. р и = Н р g: Если, наоборот, р х < р атм, то столб жидкости в трубке 1 будет мерой отрицательного избыточного давления р и = -Н р g.

При измерении разности двух давлений, каждое из которых не равно атмосферному давлению, уравнение измерений имеет вид Ар=р\ - р 2 - = Н - р " g. Так же, как и в предыдущем случае, разность может принимать как положительные, так и отрицательные значения.

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 (и = АН/Ар) . В общем случае, когда чувствительность непостоянна в диапазоне измерений

п = lim при Ар -*¦ 0, (2.3)

где АН - изменение показаний жидкостного манометра; Ар - соответствующее изменение давления.

Принимая во внимание уравнения измерений, получим: чувствительность U- образного или двухчашечного манометра (см. рис. 4, а и 4, в)

п = (2A ’ a ~>

чувствительность чашечного манометра (см. рис. 4, б)

Р-гй\llF) ¦ (2 " 4 ’ 6)

Как правило, для чащечных манометров F »/, поэтому уменьшение их чувствительности по сравнению с U- образными манометрами незначительно.

Из уравнений (2.4, а ) и (2.4, б) следует, что чувствительность целиком определяется плотностью жидкости р, заполняющей измерительную систему прибора. Но, с другой стороны, значение плотности жидкости согласно (1.6) определяет диапазон измерений манометра: чем она больше, тем больше верхний предел измерений. Таким образом, относительное значение погрешности отсчета от значения плотности не зависит. Поэтому для увеличения чувствительности, а следовательно, и точности, разработано большое количество отсчетных устройств, основанных на различных принципах действия, начиная от фиксации положения уровня жидкости относительно шкалы манометра на глаз (погрешность отсчета около 1 мм) и кончая применением точнейших интерференционных методов (погрешность отсчета 0,1-0,2 мкм). С некоторыми из этих методов можно познакомиться ниже.

Диапазоны измерений жидкостных манометров в соответствии с (1.6) определяются высотой столба жидкости, т. е. размерами манометра и плотностью жидкости. Наиболее тяжелой жидкостью в настоящее время является ртуть, плотность--которой р = 1,35951 10 4 кг/м 3 . Столб ртути высотой 1 м развивает давление около 136 кПа, т. е. давление, не на много превышающее атмосферное давление. Поэтому при измерении давлений порядка 1 МПа размеры манометра по высоте соизмеримы с высотой трехэтажного дома, что представляет существенные 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. Однако в строю действующих продолжает оставаться уникальный по своим метрологическим характеристикам ртутный манометр Физико-технического института ФРГ. Этот манометр, смонтированный в iO-этажной башне, имеет верхний предел измерений 10 МПа с погрешностью менее 0,005 %. Подавляющее большинство ртутных манометров имеют верхние пределы порядка 120 кПа и лишь изредка до 350 кПа. При измерении относительно небольших давлений (до 10-20 кПа) измерительная система жидкостных манометров заполняется водой, спиртом и другими легкими жидкостями. При этом диапазоны измерений обычно составляют до 1-2,5 кПа (микроманометры). Для еще более низких давлений разработаны способы увеличения чувствительности без применения сложных отсчетных устройств.

Микроманометр (рис. 5), состоит из чашки I, которая соединена с трубкой 2, установленной под углом а к горизонтальному уровню

I-I. Если при равенстве давлений pi и р 2 поверхности жидкости в чашке и трубке находились на уровне I-I, то увеличение давления в чашке (Р 1 > Рг) вызовет опускание уровня жидкости в чашке и ее подъем в трубке. При этом высота столба жидкости Н 2 и его длина по оси трубки L 2 будут связаны соотношением Н 2 =L 2 sin а.

Учитывая уравнение неразрывности жидкости Н, F = Ь 2 /, нетрудно получить уравнение измерений микроманометра

p t -р 2 =Н р "g = L 2 р ч (sina + -), (2.5)

где Ь 2 - перемещение уровня жидкости в трубке вдоль ее оси; а - угол наклона трубки к горизонтали; остальные обозначения прежние.

Из уравнения (2.5) следует, что при sin а « 1 и f/F « 1 перемещение уровня жидкости в трубке во много раз превысит высоту столба жидкости, необходимую для уравновешивания измеряемого давления.

Чувствительность микроманометра с наклонной трубкой в соответствии с (2.5)

Как видно из (2.6), максимальная чувствительность микроманометра при горизонтальном расположении трубки (а = О)

т. е. в отношении площадей чашки и трубки больше, чем у U- образного манометра.

Второй способ увеличения чувствительности состоит в уравновешивании давления столбом двух несмешивающихся жидкостей. Двухчашечный манометр (рис. 6) заполняется жидкостями так, чтобы граница их

Рис. 6. Двухчашечный микроманометр с двумя жидкостями (р, > р 2)

раздела находилась в пределах вертикального участка трубки, примыкающей к чашке 2. При pi = р 2 давление на уровне I-I

Hi Pi -Н 2 Р 2 (Pi >Р2)

Тогда при повышении давления в чашке 1 уравнение равновесия будет иметь вид

Ap=pt -р 2 =Д#[(Р1 -р 2) +f/F(Pi + Рг)] g, (2.7)

где рх - плотность жидкости в чашке 7; р 2 - плотность жидкости в чашке 2.

Кажущаяся плотность столба двух жидкостей

Рк = (Pi - Р2) + f/F (Pi + Рг) (2.8)

Если плотности Pi и р 2 имеют близкие друг другу значения, a f/F«. 1, то кажущаяся или эффективная плотность может быть снижена до величины p min = f/F (рi + р 2) = 2р х f/F.

ьр р к * %

где р к - кажущаяся плотность в соответствии с (2.8).

Так же, как и ранее, увеличение чувствительности указанными способами автоматически уменьшает диапазоны измерений жидкостного манометра, что ограничивает их применение областью микроманометр™. Учитывая также большую чувствительность рассматриваемых способов к влиянию температуры при точных измерениях, как правило, находят применение способы, основанные на точных измерениях высоты столба жидкости, хотя это и усложняет конструкции жидкостных манометров.

2.2. Поправки к показаниям и погрешности жидкостных манометров

В уравнения измерений жидкостных манометров в зависимости от их точности необходимо вводить поправки, учитывающие отклонения условий эксплуатации от условий градуировки, вид измеряемого давления и особенности принципиальной схемы конкретных манометров.

Условия эксплуатации определяются температурой и ускорением свободного падения в месте измерений. Под влиянием температуры изменяются как плотность жидкости, применяемой при уравновешивании давления, так и длина шкалы. Ускорение свободного падения в месте измерений, как правило, не соответствует его нормальному значению, принятому при градуировке. Поэтому давление

Р=Рп }