1. Общие сведения.

Давление относится к числу распространенных измеряемых физических величин. Контроль за протеканием большинства технологических процессов в тепловой и атомной энергетике, металлургии, химии связан с измерением давления или разности давлений газовых и жидких сред.

Давление является широким понятием, характеризующим нормально распределенную силу, действующую со стороны одного тела на единицу поверхности другого. Если действующая среда – жидкость или газ, то давление, характеризуя внутреннюю энергию среды, является одним из основных параметров состояния. Единицей измерения давления в системе СИ является паскаль (Па), который равен давлению, создаваемому силой в 1 ньютон, действующей на площадь в 1 м² : 1Па = 1н / 1м².

Таблица. Единицы измерения давления и соотношение между ними.

Единица	Па	Бар	кгс/см2	кгс/м2 (мм вод.ст.)	мм рт. ст.
1 Па =	1	10–5	1,0197▪10–5	0,10197	7,5006▪10–3
1 Бар =	105	1	1,0197	1,0197▪104	750,06
1 кгс/см2 =	9,8066▪104	0,98066	1	104	735,56
1 кгс/м2 = (мм вод.ст.)	9,8066	0,98066▪10–4	10–4	1	7,3556▪10-2
1 мм рт.ст. =	133,32	1,3332▪10–3	1,3595▪10–3	13,595	1

2. Классификация давлений и манометров.

Различают следующие виды давления:

• барометрическое (атмосферное) р_ат;

• абсолютное (полное) давление р_а = р + р_ат;

• избыточное давление (сверх атмосферного) р;

• вакуумметрическое давление (вводится при измерении давления ниже атмосферного) р_в = р_ат – р_а

Средства измерения предназначены для измерения давления и разности давлений. Общее название – манометры.

Классификация манометров по назначению:

• барометры,

• манометры избыточного давления,

• вакуумметры,

• манометры абсолютного давления.

Манометры, предназначенные для измерения давления или разрежения в диапазоне до 40 кПа, называются напоромерами и тягомерами.

Дифференциальные манометры применяются для измерения разности давлений.

Классификация манометров по принципу действия:

• жидкостные,

• деформационные,

• грузопоршневые,

• электрические,

• ионизационные,

• тепловые.

3. Характеристика отдельных типов манометров.

3.1. Жидкостные манометры и дифманометры.

Принцип действия. В жидкостных манометрах измеряемое давление или разность давлений уравновешивается давлением столба жидкости. В приборах используется принцип сообщающихся сосудов, в которых уровни рабочей жидкости совпадают при равенстве давлений над ними, а при неравенстве занимают такое положение, когда избыточное давление в одном из сосудов уравновешивается гидростатическим давлением избыточного столба жидкости в другом. Большинство жидкостных манометров имеют видимый уровень рабочей жидкости, по которому производится непосредственное снятие показаний. Эти приборы используются в лабораторной практике и при проведении промышленных испытаний. Существует группа жидкостных дифманометров. В них уровень рабочей жидкости непосредственно не наблюдается. Изменение последнего вызывает перемещения поплавка или изменение характеристик другого устройства, обеспечивающих либо непосредственное показание измеряемой величины, с помощью отсчетного устройства, либо преобразование и передачу ее значения на расстояние. Рассмотрим разновидности жидкостных манометров.

Схема двухтрубного манометра .

Двухтрубные жидкостные манометры. Для измерения давления и разности давлений используют двухтрубные манометры и дифманометры с видимым уровнем, часто называемыми U-образными. Принципиальная схема такого манометра представлена на рис. Две вертикальные сообщающиеся стеклянные трубки 1, 2 закреплены на металлическом или деревянном основании 3, к которому прикреплена шкальная пластинка 4. Трубки заполняются рабочей жидкостью до нулевой отметки. В трубку / подается измеряемое давление, трубка 2 сообщается с атмосферой. При измерении разности давлений к обеим трубкам подводятся измеряемые давления.

Столб жидкости высотой h уравновешивает разность давлений

р₁ – р₂ = ρgh; h = (p₁ – p₂) / (ρg) , где ρ – плотность рабочей жидкости, кг/м³; g – местное ускорение свободного падения, м/с².

В качестве рабочей жидкости используются вода, ртуть, спирт, трансформаторное масло. Таким образом, в жидкостных манометрах функции чувствительного элемента, воспринимающего изменения измеряемой величины, выполняет рабочая жидкость. Выходной величиной является разность уровней, входной – давление или разность давлений. В соответствии с формулами, крутизна статической характеристики зависит от плотности рабочей жидкости. С увеличением плотности чувствительность (коэффициент передачи) снижается, поскольку S = ΔН/Δр = 1/(ρg)

Если плотность среды над рабочей жидкостью соизмерима с плотностью последней, то выражение видоизменяется: р₁ – р₂ = (ρ₁ – ρ₂) gh = g (ρ₁ – ρ₂) (h₁ + h₂), где ρ₁ , ρ₂ – соответственно плотности рабочей жидкости и среды над ней.

Высота столба h определяется как сумма высот h₁ и h₂. Удвоение высоты h₁ либо h₂ недопустимо, так как из-за непостоянства внутреннего сечения стеклянных трубок 1, 2 высоты h₁ и h₂ могут различаться. Для исключения влияния капиллярных сил в манометрах используются стеклянные трубки с внутренним диаметром 8 – 10 мм. Если рабочей жидкостью служит спирт, то внутренний диаметр трубок может быть снижен.

Двухтрубные манометры с водяным заполнением используются для измерения давления, разрежения, разности давлений воздуха и неагрессивных газов в диапазоне до ±10 кПа. При заполнении манометра ртутью пределы измерения расширяются до 0,1 МПа, при этом измеряемой средой могут быть вода, неагрессивные жидкости и газы.

При использовании жидкостных манометров для измерения разности давлений сред, находящихся под статическим давлением до 5 МПа, в конструкцию приборов вводятся дополнительные элементы, предназначенные для защиты прибора от одностороннего статического давления и проверки начального положения уровня рабочей жидкости.

Погрешности и способы их устранения. Согласно выражению, источниками погрешностей двухтрубных манометров являются отклонения от расчетных значений местного ускорения свободного падения, плотностей рабочей жидкости и среды над ней, ошибки в считывании высот h₁ и h₂.

Местное ускорение свободного падения рассчитывается по формуле

g = g_H (1 – 0,0026 cos (2Δφ) – 2  10^–7H),

где g_H – нормальное ускорение свободного падения, равное 9,80665 м/с²; Δφ – отклонение географической широты от широты 45°, соответствующе нормальному ускорению свободно падения; Н – высота над уровнем моря, м.

Плотности рабочей жидкости и среды даются в таблицах теплофизических свойств веществ в зависимости от температуры и давления. Погрешности считывания разности высот уровней рабочей жидкости зависит от цены деления шкалы. Без дополнительных оптических устройств при цене деле 1 мм погрешность считывания разности уровней составляет ±2 мм с учетом погрешности нанесения шкалы. При использовании дополнительных устройств для повышения точности считывания h₁ , h₂ необходимо учитывать расхождение температурных коэффициентов расширения шкалы, стекла и рабочего вещества. Разность высот уровней приводят к 0°С с использованием формулы: h₀ = h_t (1–(β–α)t), где β – коэффициент видимого расширения рабочего вещества в стекле, у ртути β = 0,00018 1/°С; α – температурный коэффициент линейного расширения материала шкалы, для латуни α = 0,000019 1/°С.

Однотрубные манометры. Для повышения точности отсчета разности высот уровней используются однотрубные (чашечные) манометры (рис.). У однотрубного манометра одна трубка заменена широким сосудом, в который подается большее из измеряемых давлений. Трубка, прикрепленная к шкальной пластинке, является измерительной и сообщается с атмосферой, при измерении разности давлений к ней подводится меньшее из давлений. Рабочая жидкость заливается в манометр до нулевой отметки.

Под действием давления часть рабочей жидкости из широкого сосуда перетекает в измерительную трубку. Поскольку объем жидкости, вытесненной из широкого сосуда, равен объему жидкости, поступившей в измерительную трубку, h₁F = h₂f, h₁ = h₂ f/F, где f, F — площади поперечного сечения измерительной трубки и широкого сосуда.

При f<<F имеем h₁ << h₂ . Если F/f ≥ 400, то изменением уровня в широком сосуде пренебрегают и при измерении учитывается только изменение уровня в измерительной трубке. Если для повышения точности измерения необходимо учесть это изменение, то шкала градуируется в единицах давления в соответствии с уравнением: р₁ – р₂ = ρ g (h₁ + h₂) = ρ g h₂ (1+f/F).

Измерение в однотрубных манометрах высоты одного столба рабочей жидкости приводит к снижению погрешности считывания, которая с учетом погрешности градуировки шкалы не превышает ±1 мм при цене деления 1 мм.

Другие составляющие погрешности, обусловленные отклонениями от расчетного значения ускорения свободного падения, плотности рабочей жидкости и среды над нею, температурными расширениями элементов прибора, являются общими для всех жидкостных манометров и рассчитываются по методике, рассмотренной выше.

Схема однотрубного манометра

Схема микроманометра ММН.

У двухтрубных и однотрубных манометров основной погрешностью является погрешность считывания разности уровней. При одной и той же абсолютной погрешности приведенная погрешность измерения давления снижается при увеличении пределов измерения манометров. Минимальный диапазон измерения однотрубных манометров с водяным заполнением составляет 1,0 кПа (160 мм вод. ст.), при этом приведенная погрешность измерения не превышает ±1 %• Конструктивное выполнение манометров зависит от статического давления, на которое они рассчитаны.

Микроманометры. Для измерения давления и разности давлений до 3 кПа (300 кгс/м²) используются микроманометры, которые являются разновидностью однотрубных манометров и снабжены специальными приспособлениями либо для уменьшения цены деления шкалы, либо для повышения точности считывания высоты уровня за счет использования оптических или других устройств. Наиболее распространенными лабораторными микроманометрами являются микроманометры типа ММН с наклонной измерительной трубкой (рис. И.З). Показания микроманометра определяются по длине столбика рабочей жидкости n в измерительной трубке 1, имеющей угол наклона α. Исходя из равенства объемов рабочей жидкости, вытесненной из широкого сосуда 2 в измерительную трубку 1, получаем

h₁ F = nf, h₁ = n f/F,

где h₁ – изменение уровня в широком сосуде; F, f – площади поперечного сечения широкого сосуда и трубки. Поскольку h₂ = n sin α,

р₁ – р₂ = ρ g (h₁ + h₂) = ρ g n (f/F + sin α).

При определенной плотности рабочей жидкости ρ_Р, в качестве которой обычно используют спирт, и нормальном ускорении свободного падения g_H все сомножители при n в этом выражении обозначают одним коэффициентом k, изменяющимся от 0,2 до 0,8. При изменении плотности спирта вследствие изменения температуры или использовании рабочей жидкости с плотностью ρ≠ρ_Р, а также при местном ускорении g, отличном от g_Н, измеряемая разность давлений рассчитывается по показаниям микроманометра n по следующей формуле:

р₁ – р₂ = k n ρ g / (ρ_Рg_Н).

На рис. кронштейн 3 с измерительной трубкой 1 крепится на секторе 4 в одном из пяти фиксированных положений, которым соответствуют k ==0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 0,8 и пять диапазонов измерения прибора от 0,6 кПа (60 кгс/м²) до 2,4 кПа (240 кгс/м²). Приведенная погрешность измерения не превышает 0,5 %• Минимальная цена деления при k = 0,2 составляет 2 Па (0,2 кгс/м²), дальнейшее снижение цены деления, связанное с уменьшением угла наклона измерительной трубки, ограничено снижением точности считывания положения уровня рабочей жидкости из-за растягивания мениска.

Более точными приборами являются микроманометры типа ММ, называемые компенсационными. Погрешность считывания высоты уровня в этих при­борах не превышает ±0,05 мм в результате использования оптической системы для установления начального уровня и микрометрического винта для измерения высоты столба рабочей жидкости, уравновешивающего измеряемое давление или разность давлений.

Барометры. Барометры применяются для измерения атмосферного давления. Наиболее^; распространенными являются чашечные барометры с ртутным заполнением, отградуированные в мм рт. ст. (рис. 11.4). Погрешность считывания высоты столба не превышает ±0,1 мм, что достигается использованием нониуса 1, совмещаемого с верхней частью мениска ртути. При точном измерении атмосферного давления необходимо вводить рассмотренные выше поправки на отклонение ускорения свободного падения от нормального и значение температуры барометра, измеряемой термометром 2. При диаметре трубки менее 8–10 мм учитывается капиллярная депрессия, обусловленная поверхностным натяжением ртути.

Схема чашечного ртутного барометра.

Схема компрессионного манометра.

Компрессионные манометры. Компрессионные манометры (манометры Мак-Леода), схема которых представлена на рис., содержат резервуар 1 с ртутью с погруженной; в нее трубкой 2. Последняя сообщается с измерительным баллоном 3 и трубкой 5. Баллон 3 заканчивается глухим измерительным капилляром 4, к трубке 5 подключен капилляр сравнения 6. Оба капилляра имеют одинаковые диаметры, чтобы на результатах измерения не сказывалось влияние капиллярных сил. Давление в резервуар 1 подается через трехходовой кран 7, который в процессе измерения может находиться в положениях, указанных на схеме.

Принцип действия манометра основан на использовании закона Бойля–Мариотта, согласно которому для фиксированной массы газа произведение объема на давление при неизменной температуре представляет постоянную величину. При измерении давления выполняются следующие операции. При установке крана 7 в положение а измеряемое давление подается в резервуар 1, трубки 5, 6 и ртуть сливается в резервуар. Затем кран 7 плавно переводится в положение с. Поскольку атмосферное давление значительно превышает измеряемое р, ртуть вытесняется в трубку 2. При достижении ртутью устья баллона 3, отмеченного на схеме точкой 0, от измеряемой среды отсекается объем газа V, находящегося в баллоне 3 и измерительном капилляре 4. При дальнейшем повышении уровня ртути отсеченный объем сжимается. При достижении ртутью высоты h_s в измерительном капилляре впуск воздуха в резервуар 1 прекращается и кран 7 устанавливается в положение b. Изображенное на схеме положение крана 7 и ртути соответствует моменту снятия показаний манометра. Поскольку капилляры 6 и 4 сообщаются, разность уровней в них h_С – h_И определяется разностью давлений:

p_И – p = g ρ (h_С – h_И),

где р_И, p – соответственно давления в изме­рительном капилляре 4 и измеряемое.

Давление по закону Бойля–Мариотта определяется выражением

p_И = pV / ((h₀ – h_И) f)

где f – сечение измерительного капилляра.

Подставляя значение р_И в выражение, получаем уравнение измерения компрессионного манометра

p = f g ρ (h_С – h_И).

В этом уравнении все величины являются постоянными, кроме высоты ртути в капилляре сравнения h_C, который определяет измеряемое давление р.

Нижний предел измерения компрессионных манометров составляет 10^-3 Па (10^-5 мм рт.ст.), погрешность не превышает ±1%. У приборов пять диапазонов измерения. Они охватывают давления до 10³ Па. Чем ниже измеряемое давление, тем больше баллон 1, максимальный объем которого составляет 1000 см³, а минимальный 20 см³; диаметр капилляров равен соответственно 0,5 и 2,5 мм.

Нижний предел измерения манометра в основном ограничен погрешностью определения объема газа после сжатия, зависящей от точности изготовления капиллярных трубок.

Набор компрессионных манометров совместно с мембранно-емкостным манометром входит в состав государственного специального эталона единицы давления в области 10^–3–10³ Па.

Поплавковые дифманометры. Принцип уравновешивания измеряемого давления силой тяжести столба рабочей жидкости используется в жидкостных поплавковых дифманометрах, которые являются разновидностью однотрубных манометров, но в отличие от рассмотренных выше приборов этого типа не имеют видимого уровня рабочей жидкости. Схема поплавкового дифманометра представлена на рис. В широком сосуде 1, куда подается большее из измеряемых давлений, плавает поплавок 2. Его перемещение, определяемое измеряемой разностью давлений, передается показывающей стрелке или записывающему устройству.

Схема поплавкового дифманометра.

Перемещение поплавка h₁ связано с измеряемой разностью давлений следующим соотношением:

h₂ = h₁ F/f; p₁– p₂ = ρ g h₁ (1 + F/f),

где h₂, f – изменение уровня в узком сосуде я его сечение; F – сечение широкого сосуда.

Ход поплавка h₁ зависит от соотношения площадей сосудов. Узкий сосуд 3 является сменным. Поскольку за счет изменения сечения сменного сосуда можно получить один и тот же ход поплавка при различных пределах измерения дифманометра.

Отечественной промышленностью выпускаются показывающие и самопишущие поплавковые дифманометры типа ДП, которые входят в ряд механических крупногабаритных приборов. Производятся семь типоразмеров сменных сосудов, обеспечивающих в соответствии со стандартным рядом (табл. 11.2) измерение разности давлений от 6,3 кПа (630 кгс/м²) до 0,1 МПа (1 кгс/см²) при статическом давлении до 25 МПа. Предельные погрешности приборов не превышают ±2 % диапазона измерения. Показывающие поплавковые дифманометры могут иметь дополнительные устройства для сигнализации отклонений (ДП-778) и получения унифицированного пневматического сигнала (ДП-787). Дифманометры показывающие и самопишущие, предназначенные для измерения расхода, могут иметь встроенный интегратор для получения показаний суммарного расхода (ДП-781Р, ДП-712Р). Основным недостатком показывающих и самопишущих поплавковых дифманометров является наличие вывода механического перемещения из внутренней полости прибора, часто находящейся под высоким статическим давлением,

Достоинствами рассмотренных выше жидкостных манометров и дифманометров являются их простота и надежность при высокой точности измерений. При работе с жидкостными приборами необходимо исключать возможность перегрузок и резких изменений давления, так как в этом случае может происходить выплескивание рабочей жидкости в линию или атмосферу.

Основной недостаток – сильная температурная зависимость показаний.