Методы косвенных измерений давления

Глава 1. Методы прямых измерений давления.

1.1. 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, который впервые применил пьезометрическую трубку для измерения давления воды в трубопроводах.

    Дальнейшее  развитие науки и техники привело  к появлению большого количества жидкостных манометров различных типов, применяемых 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). 

    1.1.1. Основные типы  жидкостных манометров  и принципы их  действия

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

    Рис. 1. Основные типы жидкостных манометров

    В соответствии с законами гидростатики при равенстве давлений р₁ и р₂ свободные поверхности жидкости (мениски) в обеих трубках установятся на уровне I-I. Если одно из давлений превышает другое (р₁ >р₂), 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-II уравнение равновесия примет вид:

    Δр=р₁ -р₂ = Н - р • g , (3), т. е. разность давлений определяется давлением столба жидкости высотой Н с плотностью р.

    Уравнение (2) 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 столба жидкости. Именно 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. 1, 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 Δр изменение уровня жидкости в чашке гораздо меньше, чем подъем уровня жидкости в трубке: Н₁ = Н₂ • f/F, гае Н₁ - изменение уровня жидкости в чашке.; Н₂ - изменение уровня жидкости в трубке;  f - площадь сечения трубки; F - площадь сечения чашки.

    Отсюда  высота столба жидкости, уравновешивающей измеряемое давление

    Н = Н₁ + Н₂ = Н₂ (1 + f/F), (4)

 а  измеряемая разность давлений

    р₁-p₂=Н₂•g(1+f/ F),  (5)

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

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

    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 (п =ΔН/Δр).  

    1.1.2. Жидкостно-поршневые  манометры

    Очень часто к жидкостным манометрам относят  приборы, измерительная система которых хотя и содержит в качестве одного из элементов жидкость, но по принципу действия в корне отличается от жидкостных манометров. К таким приборам относится дифференциальный манометр типа „кольцевые весы", состоящий из тороидального корпуса, внутренняя полость которого в верхней части разделена перегородкой, а нижняя часть до половины заполнена жидкостью. Таким образом, корпус имеет две измерительные камеры А и Б, в которые через гибкие шланги подаются измеряемые давления p_l и р₂. Корпус может поворачиваться относительно опоры, расположенной в его геометрическом центре. К нижней части корпуса прикреплен противовес.

    Таким образом, давление определяется массой противовеса, геометрическими параметрами прибора и углом поворота корпуса, а роль заполняющей измерительную систему жидкости сводится к созданию жидкостного затвора между камерами А и Б. Поэтому по виду первичного преобразования - давления в силу, действующую на перегородку, - прибор аналогичен поршневым манометрам.

    Еще в большей мере сказанное относится  к колокольным манометрам, применяемым  в качестве образцовых и эталонных  приборов. Основные элементы измерительной системы манометра (рис. 2): наполовину заполненный водой сосуд 5, цилиндрический колокол 3, подвеска 2 с чашкой 6 для наложения грузов 7, рычаг 1 весового компаратора с указателем положения равновесия 8 и подвески 9 с тарировочным грузом 10. Измеряемое давление подводится под колокол трубкой 4.

    Измерительной камерой прибора является внутренняя полость колокола, ограниченная дном и внутренней поверхностью цилиндрической части колокола и свободной поверхностью жидкости в его нижней части. При проведении измерений камера предварительно сообщается с атмосферным давлением и вес частично погруженного в жидкость колокола уравновешивается тарировочным грузом 10.

    Рис. 2. Измерительная система манометра 

      Тогда при подаче в камеру измеряемого  давления для сохранения положения  равновесия на чашку 6 необходимо наложить грузы  7, вес которых и является мерой измеряемого давления. При этом давление в камере будет уравновешиваться противодавлением столба жидкости в кольцевом зазоре между наружной поверхностью колокола и внутренней поверхностью сосуда 5. Таким образом, роль жидкости так же, как и в вышеописанном приборе, ограничивается созданием жидкостного затвора для удержания давления в измерительной камере, так как составляющими сил давления на боковую поверхность колокола в вертикальном направлении при условии соблюдения технологии его изготовления можно пренебречь.  

    1.2.  Поршневые манометры

    Поршневые манометры появились позже жидкостных. Впервые поршневой манометр был  применен для измерения давления в 1833 г. Парротом и Ленцем при изучении сжимаемости воздуха и других свойств газов, причем значение давления для того времени было очень большим (10 МПа). Дальнейшее развитие поршневой манометрии шло, в основном, в сторону увеличения точности и верхних пределов измерений, а, начиная с тридцатых годов текущего столетия поршневые манометры стали вытеснять жидкостные и при точных измерениях давлений, близких к атмосферному давлению.

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

    1.2.1. Принцип действия, основы теории  и типы поршневых  манометров

    На  рис.3 изображен простейший поршневой манометр, который состоит из цилиндрического поршня 1, притертого к цилиндру 2 с минимально возможным зазором. Если на нижний торец поршня действует измеряемое давление р, то для его уравновешивания к поршню должна быть приложена сила Р. Уравнение равновесия с учетом силы трения на боковую поверхность поршня, возникшей при протекании жидкости или газа через зазор между поршнем и цилиндром под действием измеряемого давления, имеет вид

    рF = P-T, (7), где F — геометрическая площадь поперечного сечения поршня; Т — сила жидкостного трения на боковую поверхность поршня.

    Рис.  3. Простейший поршневой манометр 

    Наиболее  часто измеряемое давление уравновешивают весом грузов, что явно предпочтительно  с точки зрения достижения высокой  точности измерений, хотя и представляет известные неудобства в эксплуатации.

    Наиболее  существенное достоинство поршневых  манометров состоит в том. что они непосредственно воспроизводят давление по определению: давление равно силе, деленной на площадь поршня. Этот метод так же, как и метод уравновешивания давления столбом жидкости, является фундаментальным, т. е. измерение давления в конечном итоге сводится к измерению массы, длины и времени. Вышеизложенное позволяет сформулировать следующее определение.

    Одно  из обязательных условий, обеспечивающих возможность выполнения измерения — сохранение постоянства измеряемого давления при его измерении. В жидкостно-поршневых манометрах это достигается уравновешиванием измеряемого давления гидростатическим давлением столба жидкости.

    Повышение качества изготовления поршневых пар  — одна из важнейших задач в развитии поршневой манометрии. Применение в качестве материалов поршневых пар сверхтвердых сплавов на основе карбида вольфрама, прочностные характеристики которых (твердость, модуль упругости) существенно выше, чем у обычно применяемых легированных сталей, а температурный коэффициент линейного расширения ниже, позволяет соответственно снизить влияние измеряемого давления и температуры на постоянство эффективной площади поршня и ее стабильность в период эксплуатации манометра.  

    1.3. Деформационные манометры

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

    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 дали давление воды. 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.

    Простота  и компактность деформационных манометров, возможность их применения в различных  условиях эксплуатации очень быстро поставили их на первое место в  технике измерения давления практически  во всех отраслях народного хозяйства.

    Диапазон  измерений деформационных манометров охватывает почти 10 порядков, простираясь  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 %. 

    1.3.1. Основные принципы  преобразования давления  деформационным манометром

    Принципиальное  отличие деформационных манометров от жидкостных и поршневых состоит в применении упругого чувствительного элемента (УЧЭ) в качестве первичного преобразователя давления. Чувствительный элемент, воспринимающий измеряемое давление, представляет собой упругую оболочку, которая обычно выполняется в форме тела вращения, причем толщина стенки оболочки существенно меньше ее внешних размеров. Под действием измеряемого давления упругая оболочка деформируется так, что в любой точке оболочки возникают напряжения, уравновешивающие действующее на нее давление.

    Понятие „деформационный манометр" в  общем виде может быть сформулировано следующим образом. Деформационный манометр - манометр, в котором измеряемое давление, действующее на упругую оболочку УЧЭ, уравновешивается напряжениями, которые возникают в материале упругой оболочки. Таким образом УЧЭ преобразует давление, являющееся входной величиной, в выходную величину, несущую измерительную информацию о значении давления. Для УЧЭ естественно выбрать в качестве выходной величины в зависимости от принципа действия деформационного манометра: перемещение заданной точки УЧЭ; напряжение в материале заданной точки и усилие, развиваемое УЧЭ под действием давления.