Рідинні манометри та дифманометри

Рідинні манометри засновані на гідростатичному принципі, коли вимірю-

ваний тиск врівноважується гідростатичним тиском стовпа манометричної

рідини, висота якого визначає вимірюваний тиск.

Самими розповсюдженими із них є: ■ двохтрубний (U - подібний) манометр

або вакуумметр (рис. 1,а) та ■ однотрубний (чашковий) манометр з постійним (рис. 1,б) або ■ змінним (рис. 1,в) кутом нахилу (мікроманометр).

■ U – подібний манометр (двотрубний), що показаний схематично на рис. 1,а, – простіша різновидність рідинного манометра, який використовується для вимірювання надлишкових тисків так і різниці тисків. Для виготовлення використовують скляну трубку внутрішнім діаметром 6-8 мм і довжиною на 10-20% більше подвоєного граничного значення тиску, і що суттєво – незмінного по довжині внутрішнього перерізу, який повинен бути достатньо рівномірним.

Наприклад, капля ртуті розміром 20 мм при її переміщенні від початку до

кінця трубки повинна змінювати розмір не більше ніж 0,2 мм, тобто 1%.

Трубку згинають U – подібно і до половини заповнюють манометричною рідиною (спирт, дистильована вода, ртуть).

Шкалу роблять рухомою з міліметровими поділками (показана умовно в

середині на рис. 1,а). При проведенні вимірювання тиску прилад встановлюють

вертикально по рівню, а результат отримують в міліметрах робочої рідини.

Перед початком роблять перевірення нуля, з’єднавши з атмосферою кінці трубок обох кінців і виставляють нуль шкали.

г) Рис. 1. а..в) - рідинні манометри та г) – електропневматичний перетворювач.

Якщо праве коліно з’єднати з простором, де вимірюється тиск Р_абс, а ліве – залишити під впливом атмосферного тиску Р_атм, то в залежності від того, абсолютний тиск Р_абс більше чи менше від атмосферного Р_атм, дістаємо або манометр (напоромір) або вакуумметр (тягомір). Якщо до кожного коліна

підвести тиск, відмінний від атмосферного, то дістаємо – диференціальний

манометр (дифманометр).

Якщо Р_абс > Р_атм, то рівень манометричної рідини в правому коліні опускається на h₁ мм. Так як Р_атм < Р_абс, торівень рідини у лівому коліні піднімається на h₂ мм, після чого система приходить в рівновагу. В цьому стані тиски в обох колінах рівні і складаються із тисків, які діють на поверхні рідин в кожному із колін (Р_абс - в правому та Р_атм - в лівому), та плюс додаткові тиски стовпа середовища над манометричною рідиною у правому коліні, утвореного зміщенням манометричної рідини вниз, і стовпа манометричної рідини у лівому

коліні, утвореного зміщенням манометричної рідини вверх, тобто:

Р_абс + (h₁+ h₂) ּ ρ₂ * g = Р_атм + (h₁+ h₂) * ρ₁ ּ g, (1)

і звідки витікає рівняння рідинного манометра:

Р_абс - Р_атм = (h₁+ h₂) * (ρ₁- ρ₂) * g,

або Р_абс = Р_атм + (h₁+ h₂) * (ρ₁- ρ₂) * g, (2)

де Р_абс – абсолютний вимірюваний тиск у апараті, Н/ м ² (Па); Р_атм – атмосферний тиск; ρ та ρ₂ – відповідно густина манометричної рідини та середовища над манометричною рідиною, які заповнюють ліве та праве коліно

манометру (кг/м ³); g – місцеве прискорення вільного падіння (м/с ²).

Таким чином, вимірювані надлишковий чи вакуумметричний тиски, або різниця тисків вимірюється стовпом h робочої рідини, що визначається як сума стовпів (h = h₁+ h₂) в обох колінах. Для визначення висоти стовпа маномет-

ричної рідини необхідно виконувати два відліки (зниження в одному коліні та піднімання - у другому). По залежності (2) результат вимірювання може бути наданий у Па, а якщо його помножити на 0,102, то отримуємо результат, виражений у кгс/м ².

Рідинні манометри прості в експлуатації, їх абсолютна похибка вимірювання не перевищує 2 мм стовпа робочої рідини (по резуль-татам відліку висоти рідини у кожному із двох колін, що є недоліком таких приладів).

Якщо над рідиною в такому приладі знаходиться газ (ρ >> ρ₂ = ρ), то

Р_абс = Р_атм + (h₁+ h₂) * ρ * g = Р_атм + h * ρ * g. (3)

Якщо кінець трубки лівого коліна (рис. 1,а) запаяти і із нього повністю видалити повітря (для цього така трубка повністю заповнюється ртуттю на таку довжину, що при приведенні її у вертикальне положення частина ртуті перетікає у праве коліно, а у лівому коліні із запаяним кінцем утворюється вакуум), то отримуємо сифонний ртутний барометр. В такому барометрі тиск у лівому коліні дорівнює нулю, а правому – вимірюваному абсолютному тиску, який дорівнює атмосферному тиску. По аналогії з рівнянням (1), рівняння рівноваги тисків для правого та лівого коліна може бути записане у вигляді:

Р_атм + h₁ * ρ₁ * g = h₂ * ρ₁ * g. (4)

В цьому випадку інформацією про атмосферний тиск є різниця (h₂ - h₁ ),

так як Р_атм = (h₂ - h₁) * ρ₁ * g. (5)

■ Перевагою однотрубного (чашкового) манометра (рис.1,б) є один відлік положення меніску рідини в трубці приладу. Він являє собою модифікацію двохтрубного, в якому одне із колін замінене широким резервуаром (чашкою).

При вимірюванні - надлишковий тиск під’єднують до резервуару, вимірюване розрідження - до трубки, а результатом вимірювання є висота стовпа рідини у вертикальні трубці приладу. При підніманні рідини в трубці на висоту h₂ рідина в резерварі опускається на висоту h₁ і ці величини зв’язані рівністю: s * h₂ = S * h₁, де s та S площина перерізу трубки та резервуару відповідно. Істинна висота стовпа рідини дорівнює: h = h₁+ h₂ = h₁ (1+ s/ S).

Вимірюваний тиск: Р_абс = Р_атм + h₂ * g *(1+ s/ S)(ρ₁- ρ₂). (6)

Як бачимо похибка, вимірювання приладу залежить від співвідношення площин поперечного перерізу трубки та резервуару і може (при потребі) бути скільки завгодно малою. В основному для чашкових манометрів вибирають відношення s/S≤ 1/400, яким нехтують. При цьому без внесення суттєвої

похибки можна рахувати, що Р_абс = Р_атм + h₂ * g *(ρ₁- ρ₂). (7)

Верхня межа вимірювання тиску розглянутих рідинних манометрів

обмежується їх допустими габаритними розмірами і вони воготовляються на вимірювання тисків не більше 0,2 МПа.

■ Для вимірювання малих тисів в межах 157-980 Па з γ_пр ≤1,5% використовуються мікроманометри з трубкою під нахилом (рис.1,в). В наслідок розміщення трубки під нахилом висота h₂ стовпа рідини, що зрівноважує вимі-рюваний тиск, h₂ = l ּ sinα, де l – переміщення меніска рідини в трубці, що відліковується по шкалі.Вимірюваний тиск дорівнює:

Р_абс = Р_атм + l ּ sinα * g ּ(1+ s/ S)(ρ₁- ρ₂). (8)

При точних вимірюваннях тиску рідинними манометрами необхідно вводити поправку на висоту стовпа рідини в трубці, яка залежить від величини приско-рення g вільного падіння в даній місцевості, визначаємого в спеціальних граві-таційних центрах. Коригована h_к дорівнює: h_к = h₂ (g/g_н), де g_н =9,80665м/с2.