Из чего состоит манометр: Манометры — урок. Физика, 7 класс.

alexxlab | 10.03.2023 | 0 | Разное

U-образные манометры – книга «МАНОМЕТРЫ» от НПО «ЮМАС»

      U-образный манометр – это жидкостный манометр, состоящий из сообщающихся сосудов, в которых измеряемое давление определяют по одному или нескольким уровням жидкости/16/.

В U-образных стеклянных манометрах свободный конец трубки сообщается с атмосферой, а к другому концу подводится измеряемое давление. Простейшая схема измерения давления жидкостным стеклянным манометром показана на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схема функционирования  стеклянного   жидкостного  манометра

        Атмосферное давление р_атм воздействует на один конец U-образной трубки, частично заполненной рабочей жидкостью. Другой конец трубки с помощью различного рода подводящих устройств соединен с областью измеряемого давления р_абс. При р_абс  > р_атм жидкость, находящаяся в части подведенного измеряемого давления, будет вытесняться в часть, соединенную с атмосферой.

В результате между уровнями жидкостей, находящимися в разных частях U-образной трубки, образуется столб жидкости, высота h которого определяется из выражения  

h = (р_абс – р_атм)/((r_ж – r_атм )g),                   (3.1) 

где р_абс – абсолютное измеряемое давление; r_ж – плотность рабочей жидкости; r_атм – то же окружающей атмосферы; g – ускорение свободного падения, принимаемое в среднем равным 9,80665 м/с², но имеющее зависимость от географической широты местности.

Высота столба рабочей жидкости h состоит из двух частей: высоты h₁, представляющей понижение столба жидкости относительно начального – «нулевого» уровня, и высоты h₂ – отражающей его повышение в другой части U-образной трубки, т. е. увеличение относительно начального положения – («нуля»).

Плотностью окружающей среды, т. е. воздуха из-за условия r_ж >> r_атм можно пренебречь. Учитывая выражение (1.3), определяющее разность между абсолютным и атмосферным давлением как избыточное, зависимость (3.1) может быть представлена как 

                     h = р_изб/(r_ж g).                              (3.2) 

Здесь р_изб – измеряемое избыточное давление.

Из (3.2) измеряемое избыточное давление, определяемое с помощью стеклянного жидкостного манометра, может определяться как

                       р_изб = hr_жg.                               (3.3) 

     Для измерения давления разряженных газов используются жидкостные стеклянные манометры, схема которых представлена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Схема стеклянного жидкостного вакуумметра абсолютного давления

        В этих приборах к одному концу стеклянной U-образной трубки подводится вакуумметрическое давление, другой конец герметично запаян. Для этого случая выражение (3.1) в общем виде можно представить как  

                          – h = (р_атм – р_абс)/(r_ж g).                 (3.4) 

 

В торце запаянного конца давление равно нулю.

Если в запаянном конце будет находиться воздух, то вакуумметрическое избыточное давление может быть определено как 

 р_атм – р_абс = р

_изб – hr_ж g.                       (3.5) 

В некоторых типах приборов воздух в запаянном конце «откачивается» и при заполнении рабочей жидкостью близко к «абсолютному нулю», т. е. прибор заполняется рабочей жидкостью под вакуумом и давление противодействия р_атм = 0. Тогда выражение (3.5) может быть представлено в следующем виде:  

                   р_абс= hr_ж g.                                (3.6) 

Конструкция, в которой запаянный конец перед заполнением рабочей жидкостью вакууммируется, может использоваться в качестве барометра. Отсчет значения барометрического давления производится по величине столба жидкости в запаянной части трубки.

Минус в уравнении (3.4) определяет вакуумметрическое давление. Высота столба жидкости h в этом случае определяет верхний предел диапазона измерения и является составляющей 

h = h₁ + h₂.                                (3.7)

   Здесь h₁ и h₂ – высота столбов жидкости, вытесненной под воздействием измеряемого давления от начальной отметки – нуля в двух трубках U-образного манометра.

Рис. 3.3. U-образный жидкостный стеклянный мановаку-умметр: 1 – U-образная стеклянная трубка; 2 – крепежные скобы;    3   –   основание;    4   – шкальная пластина

       На рис.3.3 показан U-образный жидкостный стеклянный мановакуумметр. U-образная стеклянная трубка

1 с помощью скоб 2 крепится на металлическом или деревянном основании 3. На нем же между двумя трубками установлена шкальная пластина 4 с нанесенной линейной разметкой. Трубка заполняется рабочей жидкостью до нулевой отметки относительно шкальной пластины. Утолщения на концах стеклянной трубки предназначены для более плотного подсоединения резиновых шлангов. 

При измерении избыточного давления к одному концу U-образной трубки подается среда измеряемого давления. Второй выход остается свободным и сообщается с атмосферой. Аналогичная ситуация происходит при измерении вакуумметрического давления. Симметричность линейной разметки на шкальной пластине обеспечивает применимость прибора для измерения избыточного и (или) вакуумметрического давления.

При измерении дифференциального (разностного) давления «плюсовый» и «минусовый» каналы подсоединяются к концам стеклянной U-образной трубки 1. Из-за симметричности линейной разметки практически отсутствуют различия в соответствии подведенного давления

на концах трубки.

U-образные жидкостные манометры с водой в качестве рабочей жидкости могут использоваться как напоромеры, тягонапоромеры и тягомеры для измерения давления воздуха, неагрессивных газов в диапазоне ±10 кПа. При давлении ±0,1 МПа рабочей жидкостью манометра может служить ртуть. Такие приборы применяются для измерения давления воды, неагрессивных жидкостей и газов.    

Ниже приведены приблизительные оценки основных погрешностей, воздействующих, по данным С. Ф. Чистякова/2/, на точность показаний стеклянного жидкостного ма-нометра:

· погрешность градуировки шкалы составляет до 0,2-0,4 мм;

· смачиваемость стекла – капиллярные силы вносят неточность до 0,1-0,2 мм;

· отклонение прибора от строго вертикального положения может приводить к погрешности до 0,03 % на каждый градус.

Кроме этого, достаточно большую погрешность могут вносить: неравномерность сечения стеклянных трубок по их высоте, а при точных измерениях, как это следует из (3.3), варьирование плотности рабочей жидкости r_ж с изменением ее температуры, а также ускорение свободного падения g.

При использовании табличных данных погрешность определения плотности рабочей жидкости r_ж, по показателям разных авторов, не превышает 0,005 %. Следует обратить внимание на применение жидкостей, способных поглощать влагу или испаряться. Так, в большинстве случаев теоретическая и реальная плотности спиртов различаются, и табличные данные принимаются по некорректным начальным параметрам, что изначально приводит к появлению погрешности.

Некоторые производители к документации на жидкостный измеритель давления прилагают таблицу изменения плотности рабочей жидкости и поправок на вариацию этой плотности в зависимости от температуры, а также, например, для спиртов, таблицу зависимости плотности от его крепости.

Ускорение свободного падения g незначительно зависит от географической широты местности. его величина остается постоянной в рабочем регионе, не зависит от измеряемого давления, и поэтому вносимые этим параметром погрешности не превышают  10^–3-10^–4 %.

Визуальная оценка оператором уровня также может влиять на погрешность измерения. Разработаны различные методы снижения такой погрешности. Например, установка несложной оптической системы, позволяющей «накладывать» реальный и перевернутый мениски жидкости, обеспечивает значительное повышение точности отсчета уровня жидкости в жидкостном манометрическом приборе.

М. А. Гуляев и А. В. Ерюхин /24/ предложили в зависимости от применяемых способов следующие значения погрешностей отсчета уровня ртутного манометра:

· по миллиметровой шкале – ±1 мм;

· по зеркальной шкале – ±0,2-0,3 мм;

· с помощью нониусного устройства – ±0,05-0,1 мм;

· катетометром – ±0,2 мм;

· интерференционным методом – ±10^–5 мм.

   При отсчете измеряемого уровня необходимо учитывать свойства рабочих жидкостей, у которых угол смачиваемости x различен (рис. 3.4). Так, при использовании высокосмачиваемых жидкостей (вода, спирт) отсчет рекомендуется вести по вогнутой части мениска, а при применении несмачиваемых жидкостей (таких, как ртуть) – по выпуклой его части на оси трубки. Кроме этого, смачиваемость и текучесть жидкости предопределяют минимальный диаметр используемых трубок. При применении спирта в качестве рабочей жидкости рекомендуется минимальный внутренний диаметр стеклянных трубок 5 мм, ртути – 8 мм, воды – 15 мм.

Рис. 3.4. Вид менисков для различных жидкостей: а – смачивающей и  б – несмачивающей

      При использовании ртути в качестве рабочей жидкости, особенно при точных измерениях, когда в чашечных манометрах применяются капилляры и сечения широкого сосуда и капилляра существенно отличаются, может наблюдаться эффект капиллярной депрессии. Сущность этого эффекта состоит в различии уровней несмачиваемой жидкости в сообщающихся капилляре и широком сосуде при воздействии одного и того же давления на поверхности жидкостей в этих объемах.

В промышленных условиях, как следует из приведенного выше материала, требуется тщательный контроль применяемых в жидкостных манометрах стеклянных трубок, так как их внутренний диаметр на практике может колебаться от 8 до 12 мм, что вносит существенные погрешности в результат измерения.  

 По данным разных специалистов/25/, без дополнительных оптических приспособлений погрешность показаний стеклянных жидкостных манометров принимается в лучшем случае равной ±1 мм. При использовании U-образных жидкостных манометрических приборов отсчет двух уровней (на каждой трубке) приводит к погрешности измерений ±2 мм при температуре  окружающей  среды  20 ± 5 °С. Верхние пределы измерений для стеклянных жидкостных манометров 100, 160, 250, 400, 600 и 1000 мм. Соответственно при одной и той же погрешности отсчета высоты столба жидкости класс точности жидкостного прибора колеблется от 2 до 0,2.

   Для обеспечения корректности измерений обязательным является очистка внутренних поверхностей стеклянных трубок от пыли и грязи. С этой целью стеклянные жидкостные манометры промывают насыщенным раствором двухромовокислого калия (хромпика) в серной кислоте, затем – спиртом и водой.

Другие конструкции жидкостных манометров – книга «МАНОМЕТРЫ» от НПО «ЮМАС»

     Жидкости в качестве индикатора величины измеряемого давления применяются в манометрических приборах, в которых под воздействием измеряемого давления смещается уровень жидкости, что приводит к перемещению центра тяжести и указательной стрелки. Такие устройства называются кольцевыми. 

Кольцевой жидкостный манометрический прибор функционирует на основе смещения под воздействием измеряемого давления центра тяжести столба жидкости, заключенного в кольцевой канал. Подвижность оси этого канала приводит к его повороту, угол которого отражает величину измеряемого давления.

Одна из конструкций кольцевого жидкостного манометра приведена на рис. 3.7а. Трубка 1, а в некоторых моделях может использоваться цилиндр с двойной стенкой, изготовлена в виде замкнутого кольца с внутренней перегородкой 2, по обе стороны которой имеются входные штуцеры 3. На внутреннем диаметре кольцевой трубки имеется жестко соединенная с ней перемычка 4, центр которой установлен на подвижной оси 5. Перпендикулярно перемычке неподвижно закреплен отвес 6, на конце которого для обеспечения устойчивости системы находится груз 7. 

Среда измеряемого давления через гибкие эластичные трубки подводится к входным штуцерам (при измерении избыточного давления один входной штуцер соединяется с атмосферой). Под ее воздействием (рис. 3.7,б) рабочая жидкость вытесняется из одной половины кольцевой трубки в другую, образуя при этом разницу уровней рабочей жидкости h₁. Это приводит к смещению центра тяжести кольцевой трубки и повороту как этой трубки, так и перемычки с отвесом. Угол q отражает значение разницы давлений во входных штуцерах, и по его величине, считываемой со шкалы 8, определяют измеряемый параметр. Таким образом 

                   р_изм = сq,                                  (3.13)

 где с – постоянная прибора, которая практически не изменяется при угле q, равном 0…30°.

Рис. 3.7. Кольцевой жидкостный манометр: а – при равновесии подведенных давлений; б – в состоянии не равновесия; 1 – кольцевая трубка; 2 –внутренняя  перегородка; 3 – входные штуцеры;  4 – перемычка;  5 – подвижная ось; 6 – отвес; 7 – груз; 8 – шкала

      Груз задает масштаб зависимости угла q поворота от величины измеряемого давления.

Достоинство кольцевых манометров заключается в независимости их показаний от плотности рабочей жидкости и находящейся над ней газовой среды, а также отсутствии специальных уплотнений. Однако приборы этого типа дорогостоящи при изготовлении, требуют более совершенных технологических решений, сложны их монтаж и обслуживание.

   Другой разновидностью жидкостного манометра является устройство, работа которого основана на вытеснении стороннего штока измеряемым давлением и уравновешивании положения этого штока дополнительными калиброванными грузами. На рис. 3.8 показана схема такого прибора. Измеряемая  среда давлением  р_изм подается в замкнутую камеру 1, заполненную жидкостью, и выталкивает шток 2. При оптимальном подборе массы штока с грузами его выталкивание осуществляется на величину, удобную для контроля и пропорциональную измеряемому давлению.

Рис. 3.8.   Манометр   жидкостно-поршневой: 1 – камера; 2 – шток; 3 – грузы

      При калиброванной площади торца штока масса грузов, возвращающих этот шток в первоначальное положение, является мерой значения измеряемого давления.

Что такое манометр? | Наука

Обновлено 5 декабря 2020 г.

Автор Allan Robinson

Манометром может быть любое устройство, измеряющее давление. Однако, если не указано иное, термин «манометр» чаще всего относится конкретно к U-образной трубке, частично заполненной жидкостью. Вы можете легко построить этот тип манометра в рамках лабораторного эксперимента, чтобы продемонстрировать влияние давления воздуха на столб жидкости.

TL;DR (слишком длинный; не читал)

Манометр – это научный прибор или манометр, измеряющий давление.

Сборка манометра

Простой манометр можно построить, частично наполнив прозрачную пластиковую трубку цветной жидкостью, чтобы можно было легко наблюдать за уровнем жидкости. Затем трубку сгибают в U-образную форму и фиксируют в вертикальном положении. Уровни жидкости в двух вертикальных колоннах в этот момент должны быть одинаковыми, так как в настоящее время они подвергаются одинаковому давлению. Поэтому этот уровень отмечается и идентифицируется как нулевая точка манометра.

Измерение давления

Манометр размещается напротив измерительной шкалы, чтобы учесть любую разницу в высоте двух столбцов. Этот перепад высот можно использовать непосредственно для сравнительного сравнения различных испытательных давлений. Этот тип манометра также можно использовать для расчета абсолютного давления, когда известна плотность жидкости в манометре.

Как это работает

Один конец трубки соединен газонепроницаемым уплотнением с источником испытательного давления. Другой конец трубки остается открытым для атмосферы и, следовательно, будет подвергаться давлению приблизительно в 1 атмосферу (атм). Если испытательное давление превышает эталонное давление в 1 атм, жидкость в испытательной колонке продавливается по колонке. Это приводит к тому, что жидкость в эталонном столбце поднимается на такую ​​же величину.

Расчет давления

Давление, создаваемое столбом жидкости, можно определить по уравнению P = hgd. В этом уравнении P — расчетное давление, h — высота жидкости, g — сила тяжести, d — плотность жидкости. Поскольку манометр измеряет перепад давления, а не абсолютное давление, мы используем замену P = Pa – P0. В этой замене Pa — испытательное давление, а P0 — эталонное давление.

Пример: Использование манометра

Предположим, что жидкостью в манометре является ртуть, а высота жидкости в эталонном столбе на 0,02 метра выше, чем высота жидкости в испытательном столбе. Используйте 13 534 килограмма на кубический метр (кг/м ³ ) для плотности ртути и 9,8 метра в секунду в квадрате (м/с ² ) для ускорения свободного падения. Вы можете рассчитать перепад давления между двумя столбцами как:

hgp=0,02\times 92

В качестве единиц давления можно использовать паскаль, приблизительно 101 325 паскалей соответствует 1 атм давления. Таким образом, перепад давления в манометре:

P_a-P_0=\frac{2,653}{101,325}=0,026\text{ атм}

Итак, давление в испытательном столбе (Па) равно:

P_0 +0,026 = 1 + 0,026 = 1,026\text{ атм}

Объяснение манометра | Принцип работы манометра

Что такое манометр? В этой статье мы собираемся познакомить вас с манометром, который является одним из старейших приборов для измерения давления, который используется до сих пор.

Манометр – один из самых точных приборов для измерения давления в нижних диапазонах.

Поскольку манометры очень точны, их часто используют в качестве калибровочных эталонов.

Применение манометров

Некоторые типичные области применения промышленных манометров включают:

– Измерение расхода жидкости

– Обслуживание систем HVAC0003

Основы манометра

Хорошо… приступим. Все манометры работают по тому принципу, что изменения давления заставляют жидкость подниматься или опускаться в трубке.

Существует несколько различных типов манометров, и мы обсудим многие из них в этой статье.

Как упоминалось ранее, все манометры работают по принципу, согласно которому изменение давления вызывает подъем или опускание жидкости в трубке.

Типы манометров

1) U-образный манометр

Давайте рассмотрим U-образный манометр  , так как это, вероятно, самый распространенный манометр, используемый сегодня. Мы обсудим, как он используется для измерения давления.

Типы жидкостей

Как мы уже говорили ранее, манометр заполнен жидкостью. Типичными жидкостями для манометров являются ртуть, вода и легкие масла.

Здесь стоит сказать, что в прошлом ртуть была обычной жидкостью для манометров, но ее в значительной степени заменили из-за ее опасности для окружающей среды и здоровья.

Довольно часто жидкость окрашивается, чтобы облегчить обнаружение движения жидкости.

Измерение давления

Трубка заполняется примерно до половины с обеих сторон. Когда давления равны, столбы жидкости с каждой стороны будут на одной высоте. Это обычно отмечается как ноль на шкале.

Когда обе стороны манометра открыты в атмосферу, уровень жидкости на одной стороне будет таким же, как и на другой стороне, поскольку P1 равен P2.

Хорошо… Теперь предположим, что один конец U-образного манометра подключен к неизвестному давлению P1, значение которого необходимо определить. Другой конец остается открытым для атмосферного давления, P2.

Разница высоты жидкости по обеим сторонам трубы является перепадом давления .

В этом случае манометр обеспечивает измерение манометрического давления, поскольку он привязан к атмосфере.

OK… Таким образом, общая разница в высоте жидкости составляет 4 единицы. И вот здесь измерение давления становится интересным! Что представляет собой разница в 4 единицы?

Предположим, наш U-образный манометр заполнен водой. Это означает, что наш перепад давления составляет 4 дюйма водяного столба.

Из нашей предыдущей статьи Тестирование и повторная калибровка датчика расхода DP вы знаете, что дюймов водяного столба — это единица измерения давления. Используя таблицы преобразования, мы могли легко преобразовать 4 дюйма водяного столба в 0,144 фунта на квадратный дюйм (изб.).

Как вы понимаете, U-образный манометр, наполненный водой, способен измерять только очень небольшое давление. Для иллюстрации подадим давление 5 фунтов на квадратный дюйм на сторону P1 U-образного манометра. Ой… мы не хотим, чтобы это произошло!

Повышение точности измерения

Что, если мы хотим точно измерить значения очень низкого давления?

Если мы заменим воду жидкостью Meriam Red Oil, мы получим большую разницу в уровнях жидкости. Почему это?

Вода имеет удельный вес или относительную плотность 1,0, в то время как жидкость Meriam представляет собой масло и имеет удельный вес 0,83.

С жидкостью Meriam мы получим гораздо большую разницу в уровне жидкости, что приведет к более точному измерению давления.

В некоторых случаях поставщики предоставляют манометр с U-образной трубкой, шкала которого измеряется непосредственно в единицах измерения давления, таких как килопаскали (кПа).

Ошибка мениска

Пользователи манометров должны знать об ошибке мениска.

Мениск возникает, когда частицы жидкости прилипают к стенкам стеклянной трубки. В зависимости от направления приложенного давления мениск может быть вогнутым или выпуклым. В любом случае может возникнуть ошибка чтения.

Давайте посмотрим на пару других типов манометров. Одним из распространенных типов манометров является барометр, используемый для прогнозирования погодных условий путем измерения атмосферного давления.

2) Барометр

Барометр состоит из стеклянной трубки с запаянным концом. Открытый конец вакуумной трубки погружен в открытый сосуд с ртутью.

Давление столба ртути уравновешивается давлением атмосферы. Стеклянная трубка откалибрована в единицах давления.

В барометре может использоваться любая жидкость, но ртуть используется из-за ее высокого удельного веса.

Ртутный барометр должен быть не менее 30 дюймов в высоту. Заполненный водой барометр должен быть более 33 футов в высоту!

3) Наклонный манометр

Наклонный манометр обеспечивает даже лучшую точность, чем U-образный манометр.

Этот манометр имеет лунку с жидкостью и прозрачную колонку.

Колонна установлена ​​под углом.

Давление определяется высотой подъема или опускания жидкости в колонне по вертикали. Из-за наклона небольшое изменение давления вызовет большее движение жидкости в колонне.

Резюме

– Манометр – один из самых точных приборов для измерения давления в нижних диапазонах.