Обзор конструкций микроманометров

1. Простейший U – образный микроманометр

Принцип действия жидкостных микроманометров основан на вытеснении и перемещении жидкости в сообщающихся сосудах под действием разности давлений, уравновешиваемых гидростатическим давлением столба жидкости микроманометра: простейшие U-образные, чашечные с вертикальной неподвижной шкалой, чашечные с наклонной неподвижной шкалой и чашечные с наклонной поворотной шкалой.

Простейший U – образный микроманометр и схема измерения статического давления на таком микроманометре показаны на рис. 1.1.

Микроманометр состоит из изогнутой стеклянной калиброванной трубки 1 диаметром 6-8 мм, которая крепится к рамке 2. Концы стеклянной трубки открыты, заострены для удобства надевания резинового шланга 4 и имеют местные утолщения для создания герметичности соединения. Между стеклянными трубками на рамке 2 имеется шкала 3 с миллиметровыми делениями. На рис. 1.1 изображен микроманометр с нулем шкалы посередине и длиной шкалы 300 мм.

Иногда применяются микроманометры с нулем внизу или с нулем посередине без удвоения надписей на шкале. Они более удобны для отсчетов.

На рис. 1.1 показано, что один из концов стеклянной трубки микроманометра соединен со штуцером 5 воздухопровода 6. Второй конец стеклянной трубки микроманометра открыт и на поверхность жидкости левого колена будет воздействовать атмосферное давление Р_а. На поверхность жидкости правого колена будет передаваться давление в воздухопроводе Р_в.

Рис. 1.1 – Схема измерения статического давления в воздухопроводе простейшим U - образным микроманометром при Р_с > Р_а: 1 - стеклянная калиброванная трубка; 2 - рамка; 3 - шкала; 4 - резиновая трубка; 5 - штуцер; 6 - воздуховод.

Когда давление в воздухопроводе Р_в > Р_а, уровень жидкости в правом колене опустится, а в левом поднимется на такую же величину. При Р_в < Р_а, произойдет обратное перемещение жидкости из левого колена трубки в правое.

Столб жидкости высотой h от опустившегося уровня правого колена до поднявшегося уровня в левом колене трубки микроманометра уравновешивает давление в воздухопроводе Р_в и атмосферное давление Р_а по зависимости:

Р_в= Р_а+Р_ж (1.4)

где Р_ж - давление, равное весу столба жидкости высотой h, деленному на площадь поперечного сечения;

Р_а – атмосферное давление.

На основании законов физики величина давления, создаваемого столбом известной жидкости будет равно:

+ Н = h·ρ_ж ·g (1.5)

где ρ_ж – плотность жидкости, кг/м³;

h – высота столба жидкости, м;

g – ускорение свободного падения (9.81 м/с²).

Из выражения 1.5 видно, что точность измерения зависит от плотности жидкости ρ_ж. Чем меньше плотность, тем больше высота столба жидкости при той же разности давлений (Р_в – Р_а) и тем меньше цена деления шкалы, а следовательно, меньше погрешность измерения.

При измерении малых избыточных давлений, меньше 100 Па, ошибки измерения превышают 10 %,что недопустимо. Поэтому простейшие U-образные микроманометры можно применять только для измерения повышенных избыточных давлений, больше 100 Па, с невысокой точностью. Для более точных измерений применяют чашечные микроманометры.

2. Чашечный микроманометр с вертикальной неподвижной шкалой.

Отличается он от U - образного тем, что у него одно колено трубки заменено чашкой (рис. 1.2). Площадь поперечного сечения чашки в 200-700 раз больше площади сечения трубки. Поэтому, заливая жидкость в чашку перед замерами до нуля, отсчет можно вести по одному уровню жидкости в трубке.

Уравнение равновесия 1.4 справедливы при измерении давлений и чашечным микроманометром с вертикальной шкалой. Чем больше площадь поперечного сечения чашки, тем выше точность прибора.

Сравнивая схемы измерения избыточных давлений простейшим U – образным микроманометром и чашечным, необходимо отметить важную отличительную особенность, которая состоит в следующем: в U – образных микроманометрах не имеет значения к какому концу трубки подсоединить измеряемое давление от воздухопровода, а во всех чашечных микроманометрах большее из давлений Р_а или Р_в следует подсоединять к штуцеру чашки плюс (+), а меньшее к штуцеру трубки минус (-). При подключении большего из измеряемых давлений к трубке чашечного микроманометра жидкость в трубке опустится ниже нуля шкалы прибора – замерить давление при этом невозможно.

Недостаток данного микроманометра – низкая точность измерения, так как цена деления шкалы прибора в 1 мм соответствует давлению 9,81 Па при использовании воды как у простейшего U – образного микроманометра.

Рис. 1.2 – Схема измерения статического давления в воздухопроводе чашечным микроманометром с вертикальной шкалой: 1 - штуцер; 2 - резиновая трубка.

3. Чашечные микроманометры с наклонной неподвижной шкалой.

Для измерения давлений в воздухопроводах вентустановок применяют чашечные микроманометры с наклонной шкалой, которые имеют достаточно высокую точность (до 1-2 Па).

Схема измерения избыточного давления с помощью такого микроманометра показана на рис. 1.3.

Рис. 1.3 – Схема измерения давления в воздухопроводе чашечным микроманометром с наклонной шкалой при Р_в< Р_а: 1 – штуцер чашки; 2 – штуцер трубки; 3 - резиновая трубка; 4 – штуцер воздуховода.

Для определения давления с помощью чашечного микроманометра с наклонной неподвижной шкалой используют формулу 1.5, однако необходимо воспользоваться поправочным коэффициентом, учитывающим угол наклона шкалы:

Н = l sin α·ρ_ж·g (1.6)

где l – длина шкалы, мм;

α – угол наклона шкалы.

Из выражения 1.6 видно, что чем меньше угол наклона трубки, тем точнее измерения, так как больше длина шкалы и меньше погрешность отсчета.

Для удобства получения результатов измерения давлений в Па с учетом поправки на нормальные условия выражение 1.6 применяют в следующем виде:

Н = 1 К g·Δ (1.7)

где К = ρ_ж·sin α – коэффициент чашечного микроманометра, или фактор микроманометра;

Δ = ρ_ст/ρ – поправочный коэффициент на приведение результатов замера к стандартным условиям;

ρ_ст = 1,2 кг/м³ – плотность стандартного воздуха;

ρ – плотность воздуха при фактических параметрах измерения.

Коэффициент Δ можно определить по следующей зависимости:

Δ = 345 Т/Р,

где Т=273+t°C – температура воздуха при измерениях, °К;

Р – давление воздуха при измерениях, Па.

Чашечные микроманометры с постоянным углом наклона шкалы имеют следующие недостатки: невозможность еще больше повысить точность измерения малых давлений из-за постоянства угла наклона; при малом угле наклона и повышенной точности измерения малы пределы измерения. Для устранения этих недостатков применяют чашечные микроманометры с наклонной поворотной шкалой, которые позволяют измерять малые давления с высокой точностью при малом угле наклона шкалы, а высокие давления с большим углом наклона.

4. Чашечные микроманометры с наклонной поворотной шкалой. Эти микроманометры наиболее совершенны и широко применяются в вентиляционной технике. К ним относятся микроманометры ЦАГИ и ММН. Отличительная конструктивная особенность микроманометра ЦАГИ (рис. 1.4) – цилиндрическая чашка с горизонтальной осью может поворачиваться совместно со стеклянной трубкой и шкалой в неподвижной обойме корпуса. Шкала прибора нанесена в мм. Коэффициент К в формуле (1.7) для микроманометра ЦАГИ равен К = sin α.

Рис. 1.4 – Микроманометр ЦАГИ: 1 - измерительная поворотная трубка со шкалой; 2 - цилиндрическая поворотная чашка; 3 - обойма корпуса; 4 - штуцер чашки; 5 - штуцер трубки; 6 – скоба

При такой конструкции чашки точность измерения давления в зависимости от угла наклона трубки изменяется. Во время замера уровень жидкости в чашке опускается ниже диаметрального сечения. При этом уменьшается площадь поперечного сечения жидкости в цилиндрической чашке с горизонтальной осью по сравнению с диаметральным сечением, когда площадь максимальна.

При уменьшении площади чашки величина и погрешность замеров увеличиваются с 0,14 до 1,12 %. Это является основным недостатком микроманометра ЦАГИ.

5. Мембранные микроманометры (тягонапоромеры)

Мембранные микроманометры пружинного типа являются показывающими стрелочными приборами с концентрической или профильной шкалой. Принцип работы мембранных микроманометров основан на уравновешивании разности измеряемого и атмосферного давлений силой упругой деформации мембраны и плоской пружины.

Основной недостаток мембранных микроманометров – чувствительность к вибрациям. Поэтому их применяют обычно в лабораторных условиях, монтируя на щитах с прокладками для уменьшения вибраций и заполняют глицерин внутрь шкалы.

7. Штуцера и пневмометрические трубки.

Для отбора давлений в вентиляционных установках применяют штуцера и пневмометрические трубки. Штуцера применяются для отборов статических давлений, действующих на внутренние стенки воздухопроводов, корпусов аспирационного оборудования, циклонов и фильтров. Пневмометрические трубки позволяют измерять не только статическое, но также общее и динамическое давление в любой точке поперечного сечения воздушного потока.

Основные требования, предъявляемые к правильному устройству штуцеров – перпендикулярность оси отверстия патрубка штуцера к стенке воздухопровода, а также отсутствие заусенцев и выступов кромок отверстия. Несоблюдение этих требований приводит к искажениям и ошибкам до 10 %.

Применяют различные конструкции пневмометрических трубок. Наибольшее распространение находит пневмометрическая трубка МИОТ (Московский институт охраны труда), показана на рис. 1.5.

Рисунок 1.5 – Пневмометрическая трубка типа МИОТ.

Она состоит из двух латунных трубок диаметром от 3 до 6 мм, скрепленных хомутиками или спаянными друг с другом. Одна из трубок представляет собой трубку Пито с полусферической головкой с центральным отверстием диаметром 0,3 d (где d – наружный диаметр трубки для отбора общего давления). Вторая трубка представляет собой статический зонд, имеет два отверстия диаметром 0,1d, просверленных перпендикулярно оси трубки, которые предназначены для отбора статического давления. Конец этой трубки заострен в форме клина с углом не более 10 град., чтобы устранить завихрения воздушного потока и повысить точность измерения. Измерительные концы обеих спаянных трубок изогнуты под углом 90⁰. Противоположные концы трубок отогнуты на 120⁰, и имеют выступы для плотного надевания резиновых трубок при соединении с измерительными приборами.