Principiul de funcționare se bazează pe echilibrarea presiunii măsurate sau a diferenței de presiune cu presiunea unei coloane de lichid. Au un design simplu și o precizie ridicată de măsurare și sunt utilizate pe scară largă ca instrumente de laborator și de calibrare. Manometrele pentru lichide sunt împărțite în: în formă de U, clopot și inel.
în formă de U. Principiul de funcționare se bazează pe legea vaselor comunicante. Sunt disponibile în cupe cu două țevi (1) și cu o singură țeavă (2).
1) sunt un tub de sticlă 1 montat pe o placă 3 cu o scară și umplut cu un lichid barieră 2. Diferența de niveluri în coturi este proporțională cu căderea de presiune măsurată. „-” 1. serie de erori: din cauza inexactității în măsurarea poziției meniscului, modificări în T înconjurător. mediu, fenomene de capilaritate (elimină prin introducerea de corecții). 2. necesitatea a doua citiri, ceea ce duce la o crestere a erorii.
2) rep. este o modificare a celor cu două țevi, dar un cot este înlocuit cu un vas larg (cupă). Sub influența excesului de presiune, nivelul lichidului din vas scade și din tub crește.
Manometrele de presiune diferențială în formă de U cu flotor sunt similare în principiu cu manometrele de presiune diferențială cupa, dar pentru a măsura presiunea folosesc mișcarea unui flotor plasat într-o cană atunci când nivelul lichidului se modifică. Prin intermediul unui dispozitiv de transmisie, mișcarea flotorului este convertită în mișcarea săgeții indicatoare. Gamă largă de măsurare „+”.
Manometre cu clopot. Folosit pentru măsurarea căderilor de presiune și a vidurilor.
În acest dispozitiv există un clopot 1, suspendat pe a
sub tensiunea arcului întins 2, acesta este scufundat parțial în lichidul de separare 3, turnat în vasul 4. Când P1 = P2, clopoțelul dispozitivului va fi în echilibru. Când apare o diferență de presiune, echilibrul va fi perturbat și va apărea o forță de ridicare. va muta soneria. Pe măsură ce clopotul se mișcă, arcul se comprimă.
Manometre cu inel. Sunt folosite pentru a măsura diferențele de presiune, precum și presiuni mici și vid. Acțiunea se bazează pe principiul „scăzilor inelare”.
Capitolul 2. MANOMETRE DE LICHID
Problemele de alimentare cu apă pentru umanitate au fost întotdeauna foarte importante și au dobândit o relevanță deosebită odată cu dezvoltarea orașelor și apariția tipuri variate producție În același timp, problema măsurării presiunii apei, adică presiunea necesară nu numai pentru asigurarea alimentării cu apă prin sistemul de alimentare cu apă, ci și pentru operarea diferitelor mecanisme, a devenit din ce în ce mai urgentă. Onoarea descoperitorului îi aparține celui mai mare artist și om de știință italian Leonardo da Vinci (1452-1519), care a folosit pentru prima dată un tub piezometric pentru a măsura presiunea apei în conducte. Din păcate, lucrarea sa „Despre mișcarea și măsurarea apei” a fost publicată abia în secolul al XIX-lea. Prin urmare, este general acceptat că primul manometru pentru lichide a fost creat în 1643 de oamenii de știință italieni Torricelli și Viviai, studenți ai lui Galileo Galilei, care, în timp ce studiau proprietățile mercurului plasat într-un tub, au descoperit existența presiunii atmosferice. Așa s-a născut barometrul cu mercur. În următorii 10-15 ani, în Franța (B. Pascal și R. Descartes) și în Germania (O. Guericke) au fost create diverse tipuri de barometre de lichid, inclusiv cele cu umplere cu apă. În 1652, O. Guericke a demonstrat greutatea atmosferei printr-un experiment spectaculos cu emisferele evacuate, care nu puteau separa două echipe de cai (celebrele „emisfere Magdeburg”).
Dezvoltarea în continuare a științei și tehnologiei a dus la apariția cantitate mare manometre de lichid tipuri variate, sunt utilizate;: până în prezent în multe industrii: meteorologie, aviație și tehnologia vacuumului electric, geodezie și explorare geologică, fizică și metrologie etc. Cu toate acestea, datorită unei serii de caracteristici specifice ale principiului de funcționare al manometrelor pentru lichide, acestea gravitație specificăÎn comparație cu alte tipuri de manometre, este relativ mic și este probabil să scadă în viitor. Cu toate acestea, pentru măsurători deosebit de precise în domeniul de presiune apropiat de presiunea atmosferică, acestea sunt încă indispensabile. Manometrele pentru lichide nu și-au pierdut importanța într-o serie de alte domenii (micromanometrie, barometrie, meteorologie și cercetare fizică și tehnică).
2.1. Principalele tipuri manometre de lichidși principiile acțiunii lor
Principiul de funcționare a manometrelor de lichid poate fi ilustrat folosind exemplul unui manometru de lichid în formă de U (Fig. 4, a ), constând din două tuburi verticale 1 și 2 interconectate,
umplut pe jumătate cu lichid. În conformitate cu legile hidrostaticii, cu presiuni egale R eu si p 2 suprafeţele libere ale lichidului (menisci) din ambele tuburi vor fi setate la nivelul I-I. Dacă una dintre presiuni o depășește pe cealaltă (R\ > p 2), atunci diferența de presiune va face ca nivelul lichidului din tub să scadă 1 și, în consecință, se ridică în tub 2, până la atingerea unei stări de echilibru. În același timp, la nivel
Ecuația de echilibru II-P ia forma
Ap=pi -р 2 =Н Р " g, (2.1)
adică diferența de presiune este determinată de presiunea unei coloane de lichid cu o înălțime N cu densitatea p.
Ecuația (1.6) din punctul de vedere al măsurării presiunii este fundamentală, deoarece presiunea este determinată în cele din urmă de elementul fundamental mărimi fizice- masa, lungimea si timpul. Această ecuație este valabilă pentru toate tipurile de manometre de lichid fără excepție. Aceasta implică definiția că un manometru de lichid este un manometru în care presiunea măsurată este echilibrată de presiunea coloanei de lichid formată sub influența acestei presiuni. Este important de subliniat faptul că măsura presiunii în manometre de lichid este
înălțimea mesei de lichid, această circumstanță a dus la apariția unităților de măsurare a presiunii mm apă. Art., mm Hg. Artă. și altele care decurg în mod firesc din principiul de funcționare a manometrelor de lichid.
Manometru pentru lichid de cană (Fig. 4, b) constă din cupe legate între ele 1 și tub vertical 2, si zona secțiune transversală cupele sunt semnificativ mai mari decât tuburile. Prin urmare, sub influența diferenței de presiune Ar Modificarea nivelului de lichid din cană este mult mai mică decât creșterea nivelului de lichid din tub: N\ = N g f/F, Unde N ! - modificarea nivelului de lichid din cană; H 2 - modificarea nivelului lichidului din tub; / - aria secțiunii transversale a tubului; F - zona secțiunii transversale a cupei.
De aici înălțimea coloanei de lichid care echilibrează presiunea măsurată N - N x + H 2 = # 2 (1 + f/F), și diferența de presiune măsurată
Pi - Pr = H 2 p?-(1 + f/F ). (2.2)
Prin urmare, cu un coeficient cunoscut k= 1 + f/F diferența de presiune poate fi determinată de modificarea nivelului lichidului într-un tub, ceea ce simplifică procesul de măsurare.
Manometru cu două pahare (Fig. 4, V) constă din două căni conectate printr-un furtun flexibil 1 și 2, dintre care unul este fixat rigid, iar al doilea se poate deplasa pe verticală. La presiuni egale R\ Și p 2 cupe și, prin urmare, suprafețele libere ale lichidului sunt la același nivel I-I. Dacă R\ > R 2 apoi cană 2 crește până la atingerea echilibrului în conformitate cu ecuația (2.1).
Unitatea principiului de funcționare a manometrelor de lichid de toate tipurile determină versatilitatea acestora din punct de vedere al capacității de a măsura presiunea de orice tip - absolută și presiunea manometrică și diferențială.
Presiunea absolută va fi măsurată dacă p 2 = 0, adică atunci când spațiul deasupra nivelului lichidului din tub 2 pompat afară. Apoi coloana de lichid din manometru se va echilibra presiune absolutăîn tub
i,T.e.p a6c =tf р g.
Când se măsoară presiunea în exces, unul dintre tuburi comunică cu presiunea atmosferică, de exemplu, p 2 = p tsh. Dacă presiunea absolută în tub 1 mai mult decât Presiunea atmosferică (R i >р аТ m)> apoi, în conformitate cu (1.6), coloana de lichid din tub 2 se va echilibra suprapresiuneîn tub 1 } adică p și = N R g: Dacă, dimpotrivă, p x < р атм, то столб жидкости в трубке 1 va fi o măsură a excesului de presiune negativă p și = -N R g.
Când se măsoară diferența dintre două presiuni, fiecare dintre ele nu este egală cu presiunea atmosferică, ecuația de măsurare are forma Ar=p\ - p 2 - = N - R " g. La fel ca în cazul precedent, diferența poate lua atât valori pozitive, cât și negative.
O caracteristică metrologică importantă a instrumentelor de măsurare a presiunii este sensibilitatea sistemului de măsurare, care determină în mare măsură precizia și inerția măsurării. Pentru instrumentele manometre, sensibilitatea este înțeleasă ca raportul dintre modificarea citirilor instrumentului și modificarea presiunii care a provocat-o (u = AN/Ar) . În cazul general, când sensibilitatea nu este constantă în domeniul de măsurare
n = lim la Ar -*¦ 0, (2.3)
Unde UN - modificarea citirilor manometrului lichidului; Ar - modificarea corespunzătoare a presiunii.
Luând în considerare ecuațiile de măsurare, obținem: sensibilitatea unui manometru în formă de U sau cu două cupe (vezi Fig. 4, a și 4, c)
n =(2A ’ a ~>
sensibilitatea manometrului cupei (vezi Fig. 4, b)
R-gy \llF) ¦ (2 " 4 ’ 6)
De regulă, pentru manometre de cupă F „/, prin urmare scăderea sensibilității lor față de manometrele în formă de U este nesemnificativă.
Din ecuațiile (2.4, A ) și (2.4, b) rezultă că sensibilitatea este în întregime determinată de densitatea lichidului R, umplerea sistemului de măsurare al aparatului. Dar, pe de altă parte, valoarea densității lichidului conform (1.6) determină domeniul de măsurare al manometrului: cu cât acesta este mai mare, cu atât limita superioară de măsurare este mai mare. Astfel, valoarea relativă a erorii de citire nu depinde de valoarea densității. Prin urmare, pentru a crește sensibilitatea și, prin urmare, acuratețea, au fost dezvoltate un număr mare de dispozitive de citire, bazate pe diverse principii de funcționare, de la fixarea poziției nivelului lichidului față de scara manometrului cu ochiul (eroarea de citire de aproximativ 1 mm ) și terminând cu utilizarea unor metode precise de interferență (eroare de citire 0,1-0,2 microni). Unele dintre aceste metode pot fi găsite mai jos.
Domeniile de măsurare ale manometrelor de lichid în conformitate cu (1.6) sunt determinate de înălțimea coloanei de lichid, adică de dimensiunile manometrelor și de densitatea lichidului. Cel mai greu lichid în prezent este mercurul, a cărui densitate este p = 1,35951 10 4 kg/m 3. O coloană de mercur de 1 m înălțime dezvoltă o presiune de aproximativ 136 kPa, adică o presiune nu cu mult mai mare decât presiunea atmosferică. Prin urmare, la măsurarea unor presiuni de ordinul a 1 MPa, dimensiunile manometrului în înălțime sunt comparabile cu înălțimea unei clădiri cu trei etaje, ceea ce reprezintă inconveniente operaționale semnificative, ca să nu mai vorbim de volumul excesiv al structurii. Cu toate acestea, s-au făcut încercări de a crea manometre cu mercur ultra-înalt. Recordul mondial a fost stabilit la Paris, unde, pe baza desenelor celebrului turnul Eiffel a fost instalat un manometru cu o înălțime a coloanei de mercur de aproximativ 250 m, ceea ce corespunde la 34 MPa. În prezent, acest manometru este demontat din cauza inutilității sale. Totuși, manometrul cu mercur al Institutului Fizicotehnic al Republicii Federale Germania, unic prin caracteristicile sale metrologice, continuă să fie în funcțiune. Acest manometru, instalat într-un turn iO-story, are o limită superioară de măsurare de 10 MPa cu o eroare mai mică de 0,005%. Marea majoritate a manometrelor cu mercur au limite superioare de ordinul a 120 kPa și doar ocazional până la 350 kPa. Când se măsoară presiuni relativ mici (până la 10-20 kPa), sistemul de măsurare al manometrelor de lichid este umplut cu apă, alcool și alte lichide ușoare. În acest caz, intervalele de măsurare sunt de obicei de până la 1-2,5 kPa (micromanometre). Pentru presiuni și mai mici, au fost dezvoltate metode pentru a crește sensibilitatea fără utilizarea unor dispozitive de detectare complexe.
Micromanometrul (Fig. 5), este format dintr-o cupă eu, care este conectat la tubul 2, instalat în unghi A la nivel orizontal
eu-eu. Dacă, cu presiuni egale piȘi p 2 suprafețele lichidului din cană și tub au fost la nivelul I-I, apoi creșterea presiunii în cană (R 1 > Pr) va face ca nivelul lichidului din cană să scadă și să crească în tub. În acest caz, înălțimea coloanei de lichid H 2 iar lungimea sa de-a lungul axei tubului L 2 vor fi legate prin relație H2 =L2 păcat a.
Ținând cont de ecuația de continuitate a fluidului H, F = b 2 /, nu este greu de obținut ecuația de măsurare a micromanometrului
p t -р 2 =Н p "g = L 2 r h (sina + -), (2,5)
Unde b 2 - mutarea nivelului lichidului în tub de-a lungul axei sale; A - unghiul de înclinare a tubului față de orizontală; celelalte denumiri sunt aceleași.
Din ecuația (2.5) rezultă că pentru sin A « 1 și f/F „1 mișcare a nivelului lichidului în tub va fi de multe ori mai mare decât înălțimea coloanei de lichid necesară pentru echilibrarea presiunii măsurate.
Sensibilitatea unui micromanometru cu tub înclinat în conformitate cu (2.5)
După cum se poate observa din (2.6), sensibilitatea maximă a micromanometrului cu aranjament orizontal al tubului (a = O)
adică, în raport cu zonele cupei și tubului, este mai mare decât la Manometru în formă de U.
A doua modalitate de a crește sensibilitatea este de a echilibra presiunea cu o coloană de două lichide nemiscibile. Un manometru cu două căni (Fig. 6) este umplut cu lichide, astfel încât limita lor
Orez. 6. Micromanometru cu două căni cu două lichide (p, > p 2)
secţiunea a fost situată în secţiunea verticală a tubului adiacent cupei 2. Când pi = p 2 presiune la nivelul I-I
Bună Pi -N 2 R 2 (Pi >P2)
Apoi, pe măsură ce presiunea din cupă crește 1 ecuația de echilibru va avea forma
Ap=pt -p 2 =D#[(P1 -p 2) +f/F(Pi + Rg)] g, (2.7)
unde px este densitatea lichidului din paharul 7; p 2 - densitatea lichidului în cana 2.
Densitatea aparentă a unei coloane de două lichide
Pk = (Pi - P2) + f/F (Pi + Pr) (2,8)
Dacă densitățile Pi și p 2 au valori apropiate una de cealaltă, a f/F". 1, atunci densitatea aparentă sau efectivă poate fi redusă la valoarea p min = f/F (R i + p 2) = 2p x f/F.
ьр r k * %
unde p k este densitatea aparentă în conformitate cu (2.8).
La fel ca și înainte, creșterea sensibilității prin aceste metode reduce automat intervalele de măsurare ale unui manometru de lichid, ceea ce limitează utilizarea acestora la zona micromanometrului™. Ținând cont și de marea sensibilitate a metodelor luate în considerare la influența temperaturii în timpul măsurătorilor precise, de regulă, se folosesc metode bazate pe măsurători precise ale înălțimii coloanei de lichid, deși acest lucru complică proiectarea manometrelor de lichid.
2.2. Corecții la citiri și erori ale manometrelor de lichid
În funcție de acuratețea acestora, este necesar să se introducă modificări în ecuațiile de măsurare ale manometrelor lichide, ținând cont de abaterile condițiilor de funcționare față de condițiile de calibrare, tipul de presiune care se măsoară și caracteristicile schemei de circuit a manometrelor specifice.
Condițiile de funcționare sunt determinate de temperatură și de accelerația în cădere liberă la locul de măsurare. Sub influența temperaturii, atât densitatea lichidului folosit pentru echilibrarea presiunii, cât și lungimea scalei se modifică. Accelerația gravitației la locul de măsurare, de regulă, nu corespunde valorii sale normale acceptate în timpul calibrării. Prin urmare presiunea
P=Pp }
