Princip rada temelji se na uravnoteženju izmjerenog tlaka ili razlike tlaka s tlakom stupca tekućine. Imaju jednostavan dizajn i visoku točnost mjerenja, te se široko koriste kao laboratorijski i kalibracijski instrumenti. Tlakomjeri za tekućinu dijele se na: U-oblika, zvonaste i prstenaste.
U obliku slova U. Princip rada temelji se na zakonu spojenih žila. Dolaze u dvocijevnim (1) i jednocijevnim šalicama (2).
1) su staklena cijev 1 postavljena na ploču 3 sa skalom i ispunjena zapornom tekućinom 2. Razlika u razinama u koljenima proporcionalna je izmjerenom padu tlaka. “-” 1. serija pogrešaka: zbog netočnosti u mjerenju položaja meniskusa, promjena u T okruženju. okoliš, pojave kapilarnosti (eliminira uvođenjem korekcija). 2. potreba za dva očitanja, što dovodi do povećanja pogreške.
2) rep. je modifikacija dvocijevnih, ali je jedno koljeno zamijenjeno širokom posudom (šalicom). Pod utjecajem prekomjernog tlaka razina tekućine u posudi se smanjuje, a u cijevi raste.
Plutajući diferencijalni manometar u obliku slova U načelno je sličan diferencijalnom manometru s čašom, ali za mjerenje tlaka koristi kretanje plovka smještenog u čaši kada se mijenja razina tekućine. Putem prijenosnog uređaja kretanje plovka se pretvara u kretanje pokazne strelice. “+” širok raspon mjerenja.
Zvonasti mjerači tlaka. Koristi se za mjerenje padova tlaka i vakuuma.
U ovom uređaju nalazi se zvono 1, obješeno na a
pod napetošću rastegnute opruge 2, djelomično je uronjen u tekućinu za odvajanje 3, ulivenu u posudu 4. Kada je P1 = P2, zvono uređaja će biti u ravnoteži. Kada dođe do razlike u tlaku, ravnoteža će se poremetiti i pojavit će se sila dizanja. pomaknut će zvono. Kako se zvono pomiče, opruga se sabija.
Prstenasti mjerači tlaka. Koriste se za mjerenje razlika tlakova, kao i malih tlakova i vakuuma. Radnja se temelji na principu "prstenaste vage".
Poglavlje 2. TEKUĆINSKI MANOMETRI
Pitanja vodoopskrbe za čovječanstvo oduvijek su bila vrlo važna, a posebnu su važnost dobila razvojem gradova i pojavom različite vrste proizvodnja Istodobno, problem mjerenja tlaka vode, tj. tlaka potrebnog ne samo za osiguranje opskrbe vodom kroz vodoopskrbni sustav, već i za rad raznih mehanizama, postajao je sve hitniji. Čast pronalazača pripada najvećem talijanskom umjetniku i znanstveniku Leonardu da Vinciju (1452-1519), koji je prvi upotrijebio piezometrijsku cijev za mjerenje tlaka vode u cjevovodima. Nažalost, njegovo djelo “O kretanju i mjerenju vode” objavljeno je tek u 19. stoljeću. Stoga je općeprihvaćeno da su prvi tekući mjerač tlaka izradili 1643. godine talijanski znanstvenici Torricelli i Viviai, učenici Galilea Galileija, koji su proučavajući svojstva žive u cijevi otkrili postojanje atmosferskog tlaka. Tako je rođen živin barometar. Tijekom sljedećih 10-15 godina u Francuskoj (B. Pascal i R. Descartes) i Njemačkoj (O. Guericke) stvorene su različite vrste tekućinskih barometara, uključujući i one s punjenjem vodom. Godine 1652. O. Guericke demonstrirao je težinu atmosfere spektakularnim pokusom s ispražnjenim polutkama, koje nisu mogle razdvojiti dvije zaprege konja (slavne “magdeburške polutke”).
Daljnji razvoj znanosti i tehnologije doveo je do nastanka velika količina mjerači tlaka tekućine različite vrste, koriste se;: do danas u mnogim granama industrije: meteorologija, zrakoplovstvo i elektrovakuumska tehnika, geodezija i geološka istraživanja, fizika i mjeriteljstvo itd. Međutim, zbog niza specifičnosti principa rada tekućinskih mjerača tlaka, njihova specifična gravitacija U usporedbi s drugim tipovima mjerača tlaka, relativno je mali i vjerojatno će se smanjiti u budućnosti. Ipak, za posebno precizna mjerenja u rasponu tlaka blizu atmosferskog tlaka, oni su i dalje neophodni. Tlakomjeri za tekućine nisu izgubili na važnosti ni u nizu drugih područja (mikromanometrija, barometrija, meteorologija, fizikalna i tehnička istraživanja).
2.1. Glavne vrste mjerači tlaka tekućine i načela njihovog djelovanja
Načelo rada tekućinskih manometara može se ilustrirati na primjeru tekućinskog manometra u obliku slova U (Sl. 4, a ), koji se sastoji od dvije okomite cijevi 1 i 2 međusobno povezane,
napola ispunjen tekućinom. U skladu sa zakonima hidrostatike, s jednakim pritiscima R ja i str 2 slobodne površine tekućine (meniskusi) u obje cijevi bit će postavljene na stupanj I-I. Ako jedan od pritisaka premašuje drugi (R\ > p 2), tada će razlika u tlaku uzrokovati pad razine tekućine u cijevi 1 i prema tome se dižu u cijevi 2, dok se ne postigne stanje ravnoteže. Istovremeno, na razini
II-P jednadžba ravnoteže ima oblik
Ap=pi -r 2 =N R " g, (2.1)
tj. Razlika tlakova određena je tlakom stupca tekućine s vis N s gustoćom p.
Jednadžba (1.6) sa stajališta mjerenja tlaka je temeljna, jer je tlak u konačnici određen temeljnom fizikalne veličine- masa, duljina i vrijeme. Ova jednadžba vrijedi za sve vrste tekućinskih mjerača tlaka bez iznimke. To implicira definiciju da je tekućinski manometar onaj manometar u kojem je izmjereni tlak uravnotežen tlakom stupca tekućine koji nastaje pod utjecajem tog tlaka. Važno je naglasiti da je mjera tlaka u tekućim tlakomjerima
visina stola tekućine, upravo je ta okolnost dovela do pojave jedinica za mjerenje tlaka u mm vode. Art., mm Hg. Umjetnost. i drugi koji prirodno proizlaze iz principa rada tekućinskih mjerača tlaka.
Manometar za tekućinu u šalici (Sl. 4, b) sastoji se od međusobno povezanih čašica 1 i vertikalna cijev 2, i područje poprečni presjekčašice su znatno veće od cijevi. Stoga pod utjecajem razlike tlakova Ar Promjena razine tekućine u šalici mnogo je manja od porasta razine tekućine u cijevi: N\ = N g f/F, Gdje N ! - promjena razine tekućine u čaši; H 2 - promjena razine tekućine u cijevi; / - površina poprečnog presjeka cijevi; F - površina poprečnog presjeka čašice.
Otuda visina stupca tekućine koja uravnotežuje izmjereni tlak N - N x + H 2 = # 2 (1 + f/F), i izmjerenu razliku tlaka
Pi - Pr = H 2 p?-(1 + f/F ). (2.2)
Dakle, uz poznati koeficijent k= 1 + f/f razlika tlaka može se odrediti promjenom razine tekućine u jednoj cijevi, što pojednostavljuje proces mjerenja.
Manometar s dvostrukom šalicom (Sl. 4, V) sastoji se od dvije čašice spojene savitljivim crijevom 1 i 2, od kojih je jedan kruto fiksiran, a drugi se može kretati u okomitom smjeru. Pri jednakim pritiscima R\ I str 2 šalice, pa su stoga slobodne površine tekućine na istoj razini I-I. Ako R\ > R 2 zatim šalicu 2 raste dok se ne postigne ravnoteža u skladu s jednadžbom (2.1).
Jedinstvo principa rada mjerača tlaka tekućine svih vrsta određuje njihovu svestranost s gledišta mogućnosti mjerenja tlaka bilo koje vrste - apsolutnog i manometra i diferencijalnog tlaka.
Apsolutni tlak mjerit će se ako str 2 = 0, tj. kada je prostor iznad razine tekućine u cijevi 2 ispumpan. Tada će se stupac tekućine u manometru uravnotežiti apsolutni tlak u cijevi
i,T.e.p a6c =tf r g.
Prilikom mjerenja prekomjernog tlaka, jedna od cijevi komunicira s atmosferskim tlakom, npr. p 2 = p tsh. Ako je apsolutni tlak u cijevi 1 više od Atmosferski tlak (R i >r aT m)> tada, u skladu s (1.6), stupac tekućine u cijevi 2 će uravnotežiti nadpritisak u cijevi 1 } tj. p i = N R g: Ako, naprotiv, p x < р атм, то столб жидкости в трубке 1 bit će mjera negativnog prekomjernog tlaka p i = -N R g.
Kada se mjeri razlika između dva tlaka, od kojih svaki nije jednak atmosferskom tlaku, mjerna jednadžba ima oblik Ar=p\ - p 2 - = N - R g. Kao iu prethodnom slučaju, razlika može imati i pozitivne i negativne vrijednosti.
Važna mjeriteljska karakteristika instrumenata za mjerenje tlaka je osjetljivost mjernog sustava, koja uvelike određuje točnost mjerenja i tromost. Za instrumente s manometrom, osjetljivost se shvaća kao omjer promjene očitanja instrumenta i promjene tlaka koja ju je uzrokovala (u = AN/Ar) . U općem slučaju, kada osjetljivost nije konstantna u rasponu mjerenja
n = lim at Ar -*¦ 0, (2.3)
Gdje AN - promjena očitanja manometra tekućine; Ar - odgovarajuća promjena tlaka.
Uzimajući u obzir mjerne jednadžbe, dobivamo: osjetljivost manometra u obliku slova U ili s dvije šalice (vidi sl. 4, a i 4, c)
n =(2A ’ a ~>
osjetljivost manometra šalice (vidi sl. 4, b)
R-gy \llF) ¦ (2 " 4 ’ 6)
U pravilu, za čašne mjerače tlaka F "/, stoga je smanjenje njihove osjetljivosti u usporedbi s tlakomjerima u obliku slova U beznačajno.
Iz jednadžbi (2.4, A ) i (2.4, b) slijedi da je osjetljivost u potpunosti određena gustoćom tekućine R, punjenje mjernog sustava uređaja. Ali, s druge strane, vrijednost gustoće tekućine prema (1.6) određuje mjerni raspon manometra: što je veći, to je veća gornja granica mjerenja. Dakle, relativna vrijednost pogreške očitanja ne ovisi o vrijednosti gustoće. Stoga je za povećanje osjetljivosti, a time i točnosti, razvijen veliki broj uređaja za očitavanje, koji se temelje na različitim principima rada, od fiksiranja položaja razine tekućine u odnosu na skalu manometra na oko (pogreška očitanja od oko 1 mm). ) i završava s korištenjem preciznih metoda interferencije (pogreška očitanja 0,1-0,2 mikrona). Neke od ovih metoda možete pronaći u nastavku.
Mjerna područja tekućinskih manometara prema (1.6) određena su visinom stupca tekućine, odnosno dimenzijama manometra i gustoćom tekućine. Najteža tekućina trenutno je živa, čija je gustoća p = 1,35951 10 4 kg/m 3. Živin stupac visine 1 m razvija tlak od oko 136 kPa, tj. tlak koji nije puno viši od atmosferskog tlaka. Stoga, kada se mjere tlakovi reda veličine 1 MPa, dimenzije manometra u visini su usporedive s visinom trokatnice, što predstavlja značajne operativne neugodnosti, a da ne spominjemo pretjeranu glomaznost konstrukcije. Ipak, pokušaji su napravljeni da se stvore manometri s ultra-visokim živinim sadržajem. Svjetski rekord postavljen je u Parizu, gdje je na temelju dizajna poznatih Eiffelov toranj ugrađen je manometar sa živinim stupcem visine oko 250 m, što odgovara 34 MPa. Trenutno je ovaj mjerač tlaka demontiran zbog beskorisnosti. Međutim, živin manometar Fizičko-tehničkog instituta SR Njemačke, jedinstven po svojim mjeriteljskim karakteristikama, i dalje je u funkciji. Ovaj mjerač tlaka, ugrađen u toranj na katu iO, ima gornju granicu mjerenja od 10 MPa s pogreškom manjom od 0,005%. Velika većina živinih manometara ima gornje granice reda veličine 120 kPa, a samo povremeno do 350 kPa. Pri mjerenju relativno malih tlakova (do 10-20 kPa) mjerni sustav tekućih tlakomjera puni se vodom, alkoholom i drugim lakim tekućinama. U tom slučaju, mjerni rasponi su obično do 1-2,5 kPa (mikromanometri). Za još niže tlakove razvijene su metode za povećanje osjetljivosti bez upotrebe složenih senzorskih uređaja.
Mikromanometar (slika 5), sastoji se od čašice ja, koji je spojen na cijev 2, postavljenu pod kutom A na horizontalnu razinu
ja-ja. Ako, uz jednake pritiske pi I str 2 površine tekućine u čaši i cjevčici bile su na razini I-I, zatim porast tlaka u čaši (R 1 > Pr) uzrokovat će spuštanje razine tekućine u šalici i podizanje u cijevi. U ovom slučaju, visina stupca tekućine H 2 a njegova duljina duž osi cijevi L 2 bit će povezani relacijom H2=L2 grijeh a.
Uzimajući u obzir jednadžbu kontinuiteta fluida H, F = b 2 /, nije teško dobiti jednadžbu mjerenja mikromanometra
p t -r 2 =N p "g = L 2 r h (sina + -), (2,5)
Gdje b 2 - pomicanje razine tekućine u cijevi duž svoje osi; A - kut nagiba cijevi prema horizontali; ostale oznake su iste.
Iz jednadžbe (2.5) slijedi da je za sin A « 1 i f/f “1 pomicanje razine tekućine u cijevi bit će mnogo puta veće od visine stupca tekućine potrebne za uravnoteženje izmjerenog tlaka.
Osjetljivost mikromanometra s nagnutom cijevi u skladu s (2.5)
Kao što se vidi iz (2.6), najveća osjetljivost mikromanometra s horizontalnim rasporedom cijevi (a = O)
tj. U odnosu na površine čašice i cijevi veća je od na Manometar u obliku slova U.
Drugi način povećanja osjetljivosti je uravnotežiti tlak pomoću stupca dviju tekućina koje se ne miješaju. Manometar s dvije šalice (slika 6) napunjen je tekućinama tako da njihova granica
Riža. 6. Mikromanometar s dvije čaše s dvije tekućine (p, > p 2)
dio se nalazio unutar okomitog presjeka cijevi uz šalicu 2. Kada pi = p 2 tlak na razini I-I
bok Pi -N 2 R 2 (Pi >P2)
Zatim, kako se tlak u šalici povećava 1 jednadžba ravnoteže će imati oblik
Ap=pt -p 2 =D#[(P1 -p 2) +f/F(Pi + Rg)] g, (2.7)
gdje je px gustoća tekućine u šalici 7; p 2 - gustoća tekućine u čaši 2.
Prividna gustoća stupca dviju tekućina
Pk = (Pi - P2) + f/f (Pi + Pr) (2,8)
Ako gustoće Pi i p 2 imaju vrijednosti bliske jedna drugoj, a f/F". 1, tada se prividna ili efektivna gustoća može smanjiti na vrijednost p min = f/f (R ja + p 2) = 2p x f/f.
ʹr r k * %
gdje je p k prividna gustoća u skladu s (2.8).
Kao i prije, povećanje osjetljivosti ovim metodama automatski smanjuje mjerne raspone tekućinskog manometra, što ograničava njihovu upotrebu na područje mikromanometra™. Uzimajući u obzir i veliku osjetljivost razmatranih metoda na utjecaj temperature tijekom točnih mjerenja, u pravilu se koriste metode koje se temelje na točnim mjerenjima visine stupca tekućine, iako to komplicira dizajn tekućinskih mjerača tlaka.
2.2. Ispravci očitanja i pogreške tekućinskih mjerača tlaka
Ovisno o njihovoj točnosti potrebno je unijeti izmjene u mjerne jednadžbe tekućinskih manometara koje uzimaju u obzir odstupanja radnih uvjeta od uvjeta umjeravanja, vrstu tlaka koji se mjeri i značajke sheme strujnog kruga pojedinih manometara.
Radni uvjeti određeni su temperaturom i ubrzanjem slobodnog pada na mjestu mjerenja. Pod utjecajem temperature mijenja se i gustoća tekućine koja se koristi za uravnoteženje tlaka i duljina ljestvice. Ubrzanje gravitacije na mjestu mjerenja u pravilu ne odgovara njegovoj normalnoj vrijednosti prihvaćenoj tijekom kalibracije. Stoga pritisak
P=Pp }
