Материал: Гидравлика. учебное пособие. Кирпичев И.Ю

7.2.7. Микроманометр

Для повышения точности измерений, а также при измерении незначительных по величине давлений применяются микроманометры (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Микроманометр:

1 — сосуд;

2 — сосуд с измеряемым давлением;

3 — манометрическая трубка;

4 — шкала.

Микроманометр состоит из резервуара А, присоеди­няемого к сосуду В, в котором измеряется давление, и манометрической трубки, угол наклона которой к гори­зонту а можно менять.

Давление Р в резервуаре В будет составлять:

Р = Р_атм + _р * g * l * sin

где _р - плотность рабочей жидкости (легкие жидкости - спирт и др.); кг/м³;

l * sin = h - показание прибора, м.

Точность прибора возрастает с уменьшением угла наклона трубки, так как при этом увеличивается пока­зание прибора l.

Приборы с наклонной трубкой применяют для изме­рения давлений, равных 25-150 мм. рт. ст.

7.2.8. Преимущества и недостатки жидкостных приборов

Основными преимуществами жидкостных при­боров являются простота устройства и высокая точность измерений.

Основным недостатком жидкостных приборов являет­ся узость диапазона измеряемых давлений, не превыша­ющих 0,4 МПа для ртутных манометров. При больших давления приборы становятся слишком громоздкими.

К другим недостаткам жидкостных приборов отно­сятся также хрупкость стеклянных трубок и необходи­мость пользоваться для увеличения диапазона измеряе­мых давлений ртутью и другими жидкостями, пары которых ядовиты.

Благодаря простоте устройства, стабильности пока­заний и легко достижимой высокой точности измерений жидкостные приборы широко применяются в лаборатор­ной практике, а также и как образцовые для градуировок шкал и поверок других приборов.

7.3. Пружинные приборы

7.3.1. Манометр с одновитковой трубчатой пружиной

По мере развития мировой промышленности, особенно в связи с появлением паровых машин и желез­ных дорог, потребовались приборы, более удобные, чем жидкостные манометры.

Первый деформационный манометр с трубчатым чув­ствительным элементом был изобретен случайно. Рабо­чий при изготовлении змеевика для дистилляционного аппарата, сплющил поперечное сечение цилиндрической трубки, изогнутой по спирали. Тогда, чтобы восстано­вить форму трубки, один конец ее заглушили, а в другой конец насосом под давлением подали воду. При этом часть трубки с деформированным сечением приняла цилинд­рическую форму, а спираль на этом участке разогнулась. Этот эффект был использован немецким инженером Шинцем, который в 1845 г. применил трубчатый чув­ствительный элемент для измерения давления. Эту дату и принято считать днем рождения деформацион­ных манометров, хотя идея создания деформационного барометра - анероида еще в 1702 году была предложе­на немецким философом и математиком Лейбницем (1646-1716 гг.), а патент на него получен Види в 1844 г. Промышленное производство трубчатых деформационных манометров было организовано французским фабрикан­том Бурдоном, получившим в 1849 г. патент на изобре­тение одновитковой трубчатой пружины, именем кото­рого она до сих пор часто называется ("Бурдоновская трубка"), В 1850 г. Примавези и Шеффер изобрели мем­бранный манометр, а несколько позже в 1881 г. Клейма­ном получен патент на сильфонный манометр.

Простота и компактность деформационных маномет­ров позволяет измерить давление от 10 Па (1 мм вод. ст.) до 1-2 ГПа (более 10000 кгс/см²). При этом достигается высокая точность измерений, в отдельных случаях погреш­ности измерений не превышают 0,02-0,05%.

При необходимости измерять большие давления при­меняют манометры с одновитковой трубчатой пружиной (рис. 3.20).

Манометр с одновитковой трубчатой пружиной со­стоит из полой тонкостенной изогнутой латунной труб­ки Бурдона, один конец которой запаян и соединен при помощи поводка через зубчатый механизм со стрелкой, второй, открытый конец трубки, сообщается с сосудом, в котором измеряется давление Р.

Рис. 7.9. Манометр с одновитковой трубчатой

пружиной

Жидкость или газ под давлением выше атмосферно­го сообщается с полостью трубки, оказывая давление на ее поверхность. Поскольку внешняя сторона трубки (рис. 7.9, б) а-b больше по площади внутренней а₁-b₁, то благодаря большей силе, воспринимаемой внешней сто­роной трубки, последняя стремится выпрямиться и пе­ремещающийся при этом запаянный конец трубки тянет через поводок рейку (зубчатый сектор), приводящую в движение шестеренку, на оси которой закреплена стрел­ка манометра. Поворачивающая на определенный угол при заданном давлении стрелка, показывает соответству­ющее давление, нанесенное на шкале циферблата.

Трубчатые пружины манометров, предназначенные для измерения давления до 250 кгс/см², изготавлива­ют из медных сплавов, для измерения давлений более 250 кгс/см² - из стали.

Манометры разделяют на классы по точности. В соответствии с ГОСТ 2405-88 манометры имеют следующие классы точности: 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4. Чем ниже класс точности, тем манометры более точнее, т.е. имеют меньшую допустимую ошибку измерения.

7.3.2. Вакуумметр с одновитковой трубчатой пружиной

Устроен точно также, как манометр. При воз­действии на внутреннюю полость трубки давления, мень­ше атмосферного, трубка сгибается.

Некоторые трубчатые приборы измеряют не только избыточное давление, но и вакуум. Такие приборы на­зываются мановакуумметрами.

7.3.3. Приборы с мембранной пружиной

Упругим элементом мембранного прибора (рис. 7.10) является мембрана, представляющая собой гофрированную металлическую пластинку, закрепленную между фланцами нижней и верхней частей корпуса при­бора. На мембрану через канал штуцера передается дав­ление, под действием которого мембрана прогибается. Через поводок и зубчатый сектор прогиб мембраны пере­дается на стрелку прибора, скользящую по шкале.

Мембранные приборы применяются для измерения вакуума и избыточного давления, не превышающего 2,5 МПа (25 кгс/см²).

Рис. 7.10. Прибор с мембранной пружиной:

1 - мембрана;

2 - штуцер;

3 - поводок;

4 - зубчатый сектор;

5 - стрелка;

6 - шкала;

7 - ось.

7.3.4. Преимущества и недостатки пружинных приборов

Портативность, универсальность, простота ус­тройства и применения, большой диапазон измеряемых давлений являются ценными качествами пружинных при­боров, обусловившими их широкое применение.

Основным недостатком пружинных приборов явля­ется нестабильность их показаний, вызываемая рядом причин: упругим последействием деформируемого эле­мента, постепенным изменением упругих свойств этого элемента, возможным возникновением остаточной дефор­мации в нем, износом передаточного механизма.

Указанный недостаток вынуждает периодически про­верять пружинные приборы, чтобы подтвердить класс точности или определить поправки, компенсирующие систематические погрешности приборов.

7.4. Поршневые приборы. Грузопоршневой манометр

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 значения давления для того времени были очень большими (10 МП а).

Широкое распространение поршневые манометры по­лучили благодаря Амага (Франция) и Рухгольцу (Герма­ния), и особенно последнему, который в 1883 г. организо­вал промышленный выпуск этих приборов. Дальнейшее развитие поршневой манометрии шло в основном в сторо­ну увеличения точности и верхних пределов измерений, а, начиная с 30-х годов прошлого столетия, поршневые ма­нометры стали вытеснять жидкостные и при точных из­мерениях давлений, близких к атмосферному давлению.

Поршневой манометр - манометр, в котором действу­ющее на поршень измеряемое давление преобразуется в силу и определяется по значению силы, необходимой для ее уравновешивания. В наиболее распространенных пор­шневых манометрах давление уравновешивается весом грузов. Такие манометры называются грузопоршневыми.

Грузопоршневой манометр (рис. 7.11) состоит из ци­линдра, заполненного жидкостью, и плунжера, пришли­фованного к цилиндру и опущенного нижним концом в жидкость. На верхнем конце плунжера установлена та­релка для размещения грузов (грузоприемная тарелка). Полость цилиндра соединяется с местом измерения дав­ления трубкой с трехходовым краном.

При измерении давления кран открыт и на плунжер, кроме собственного веса G₀ , действует сила давления жидкости, равная P*F, где Р - измеряемое давление, Н/м²; F - площадь плунжера, м².

Измерение давления сводится к подбору груза G, при котором вес подвижной части прибора G₀+G уравновесит силу измеряемого давления P*F и силу трения Т между плунжером и вытесняющей через зазор жидкостью.

При измерении давления плунжер с грузами при­водится во вращение (от руки или с помощью приво­да), благодаря чему обеспечивается концентричное расположение плунжера внутри цилиндра, исключающее контакт между их поверхностями. Просачивающаяся по зазору жидкость смазывает поверхности плунжера и цилиндра (рис. 7.11).

Рис. 7.11. Грузопоршневой манометр:

1 - тарелка;

2 - цилиндр;

3 - плун­жер;

4 - стакан;

5 - кран;

6 - трубка;

7 - жидкость.

Условие равновесия плунжера:

P*F + T = G + G₀,

где Р*F — сила измеряемого давления, H;

Р - измеряемое давление, Н/м²;

F - площадь плунжера, м²; F= *r²

r - радиус плунжера, м;

Т — сила трения между плунжером и вытекающей через зазор жидкостью, Н;

Т Р * r * ;

G — вес груза, Н;

G₀ — собственный вес плунжера, Н;

— ширина радиального зазора между плунжером и ци­линдром, м;

Рис. 7.12. К вопросу грузопоршневых приборов

P* *r² + P* *r* = G + G₀ .

Откуда:

где r₀ = r + /2— средний радиус зазора, м;

F_эф = * — эффективная площадь плунжера, м².

Величина F_эф устанавливается экспериментально и приводится в паспорте прибора. В некоторых случаях в паспорте в виде таблицы даются соотношения между G+G₀ и Р.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом пор­шневые манометры играют ведущую роль при проверке 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.