Методы и средства измерения давления

По принципу действия ЧЭ средства измерения давления можно разделить на следующие основные группы.

1. Средства измерения давления, основанные на прямых абсолютных методах: поршневые манометры и ИПД, в том числе и грузопоршневые манометры, манометры с нецилиндрическим неуплотненным поршнем, колокольные, кольцевые и жидкостные манометры.

В первых трех манометрах метод измерений реализуется уравнением (1), основанным на определении величины давления по отношению си­лы к площади; в жидкостных манометрах - уравнением (2) , основан­ным на уравновешивании давления столбом жидкости.

2. Средства измерения давления, основанные на прямых относитель­ных методах: деформационные манометры и ИПД, в том числе и с силовой компенсацией; полупроводниковые манометры и ИПД; манометры других типов, основанные на изменении физических свойств ЧЭ под дей­ствием давления.

3. Средства измерения давления, основанные на методах косвенных измерений: установки и приборы для определения давления по результа­там измерения других физических величин; установки и приборы для определения давления по результатам измерения параметров физических свойств измеряемой среды (термопарные и ионизационные вакууммет­ры, ультразвуковые манометры, вязкостные вакуумметры и др.).

Следует отметить, что абсолютные методы измерений, заложенные в поршневых и жидкостных манометрах, во многих случаях на практике не реализуются. Например, жидкостные манометры, исключая первичные эталоны, градуируются и поверяются не абсолютным, а относительным методом, путем их сличения с образцовыми средствами измерений соот­ветствующей точности.

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 (1452-1519 гг.), 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. 2, а), состоя­щего из двух соединенных между собой вертикальных трубок 1 и 2, наполовину заполненных жидкостью.

Рис. 2. 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. 2, 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.

Двухчашечный манометр (рис. 2, 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 pl и р2 чашки, а следовательно, свободные по­верхности жидкости находятся на одном уровне I-I. Если р1 > р2, то чашка 2 поднимается вплоть до достижения равновесия в соответствии с уравнением (3).

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).

Диапазоны измерений жидкостных манометров в соответствии с (2) определяются высотой столба жидкости, т. е. размерами маномет­ра и плотностью жидкости. Наиболее тяжелой жидкостью в настоящее время является ртуть, плотность, которой р = 1,35951 • 104 кг/м . Столб ртути высотой 1 м развивает давление около 136 кПа, т. е. давле­ние, не из 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.

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" (рис. 3), состоящий из тороидального кор­пуса 1, внутренняя полость которого в верхней части разделена перего­родкой 2, а нижняя часть до половины заполнена жидкостью 4. Таким образом, корпус имеет две измерительные камеры А и Б, в которые че­рез гибкие шланги подаются измеряемые давления pl и р2. Корпус мо­жет поворачиваться относительно опоры 3, расположенной в его геомет­рическом центре. К нижней части корпуса прикреплен противовес 5.

При равенстве давлений в камерах А и Б корпус прибора располага­ется в соответствии с рис. 4, а. Если одно из давлений больше другого, например, р1 > р2 то под действием разности давлений Δр = p1 – р2, воздействующей на перегородку, корпус повернется на определенный угол α, а уровни жидкости внутри корпуса займут положения, соответствующие рис. 4, б. При этом уравнения равновесия измерительной сис­темы принимают вид

, (6)

Рис. 3. Дифференциальный манометр типа „Кольцевые весы"

где F — площадь перегородки (внутренняя площадь поперечного сечения тороида); r1 — средний радиус тороида; R2 — расстояние от оси враще­ния до центра тяжести противовеса; т — масса противовеса; g — ускоре­ние свободного падения; α — угол поворота корпуса.

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. 4) : 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. 4. 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 (Российская Академия наук) 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.

Большой вклад в развитие поршневой манометрии внесли проф. М.К. Жохов-ский, который впервые разработал целостную теорию приборов с неуплотненным поршнем, П.В. Индрик, В.Н. Граменицкий и многие другие их последователи.

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.5 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.  5. 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.

Благодаря высокой стабильности эффективной площади, которая определяется в основном геометрическими размерами пары поршень - цилиндр, а также возможности учета внешних влияний расчетными методами, поршневые манометры являются идеальными преобразова­телями давления в силу.

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.

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.