Лабораторная работа №2 Изучение приборов и методов определения давления

Цель работы: Изучение приборов для измерения давления, методы измерения давления, понятие класса точности прибора, сравнение показаний приборов различного типа.

Теоретическое введение

Гидростатическим давлением называют нормальное сжимающее напряжение в неподвижной жидкости, т.е. силу, действующую на единицу площади поверхности по нормали к ней. За единицу измерения давления в международной системе единиц принят паскаль (Па = Н/м²).

Различают абсолютное, внешнее (атмосферное), избыточное (манометрическое и вакуумметрическое) давления.

Абсолютное (полное) давление p отсчитывается от абсолютного вакуума. Для жидкости оно слагается из двух составляющих: внешнего давления р₀, передаваемого жидкостью по закону Паскаля, и избыточного, определяемого величиной ρgh,

р = р₀ +ρgh,

где ρg – удельный вес, h – глубина погружения точки под уровень свободной поверхности.

Внешнее давление р₀, как правило, равно атмосферному р_а, которое создаётся силой тяжести воздуха атмосферы и принимается в расчётах равным 101325 Па или 760 мм рт.ст.

Избыток давления над внешним (атмосферным) называют манометрическим давлением. Избыточное давление в жидкости изменяется с глубиной по линейному закону:

р_м = р_изб = ρgh.

Абсолютное давление не может быть отрицательным, так как жидкость не сопротивляется растяжению. Избыточное давление как разность (р_а – р_вн) может быть как больше, так и меньше нуля. Отрицательное избыточное давление называют вакуумметрическим, а условие, при котором оно достигается – вакуумом.

Приборы для измерения атмосферного давления называются барометрами, манометрического – манометрами, вакуума – вакуумметрами.

Манометр (от греч. manоs – редкий, неплотный и metreo – измеряю), прибор для измерений давления жидкостей и газов. Основа измерительной системы манометра – чувствительный элемент, являющийся первичным преобразователем давления. В зависимости от принципа действия и конструкции чувствительного элемента различают манометры жидкостные, поршневые, деформационные (пружинные). Кроме того, находят применение приборы, действие которых основано на измерении изменений физических свойств различных веществ под действием давления.

Барометр (от греч. baros – тяжесть, вес), прибор для измерения атмосферного давления.

Широко распространены:

• жидкостные барометры, основанные на уравновешивании атмосферного давления весом столба жидкости;

• деформационные барометры, принцип действия которых основан на упругих деформациях мембранной коробки (анероид);

• гипсотермометры, основанные на использовании зависимости точки кипения некоторых жидкостей (например, воды) от внешнего давления.

Наиболее точными стандартными приборами являются ртутные.

Вакуумметры по устройству разделяются на жидкостные, механические (деформационные, мембранные и др.), компрессионные (например, вакуумметр Мак–Леода), тепловые (термопарный и теплоэлектрический), ионизационные, магнитные, электроразрядные, вязкостные, радиометрические.

Жидкостные приборы исторически стали применяться первыми. Их действие основано на принципе уравновешивания измеряемого давления р силой тяжести столба жидкости высотой h в приборе:

p=ρgh,

где ρ – плотность жидкости, g – ускорение свободного падения.

Поэтому величина давления может быть выражена высотой столба жидкости h (мм рт.ст., мм вод.ст.). Преимуществами жидкостных приборов являются простота конструкции и высокая точность. Однако они удобны только при измерении небольших давлений. Пьезометр – прибор для измерения избыточного давления и представляет собою стеклянную трубку с открытым в атмосферу верхним концом (рис. 8). Нижний конец пьезометра соединен с объектом измерения давления.

,

где h – показания пьезометра, мм. ст. ж.; h₁ – глубина расположения т. А, расположенной под уровнем нулевого штифта шкалы прибора.

Рис. 8. Пьезометр

Чувствительность прибора не ниже 1–2 мм. Прибор имеет значительную инерцию и применяется лишь для измерения практически постоянных усредненных во времени давлений.

В механических приборах (рис. 9) измеряемое давление вызывает деформацию чувствительного элемента (трубка, мембрана, сильфон), которая с помощью специальных механизмов передаётся на указатель. Такие приборы компактны и имеют большой диапазон измеряемых давлений.

Рис. 9. Механический манометр

В электрических приборах воспринимаемое чувствительным элементом давление преобразуется в электрический сигнал. Этот сигнал регистрируется показывающим (вольтметр, амперметр) или пишущим (самописец, осциллограф) приборами. В последнем случае можно фиксировать давление при быстропротекающих процессах.

Абсолютное давление в любой точке покоящейся жидкости определяется по основному уравнению гидростатики

р=р₀+ρgh,

где р₀ – давление на свободной поверхности жидкости; ρ – плотность жидкости; h – глубина погружения точки под свободной поверхностью.

Плотность и удельный вес капельных жидкостей мало изменяются с изменением давления и температуры. Можно приближённо считать, что плотность не зависит от давления, а определяется только температурой. Для расчёта изменения плотности капельных жидкостей с изменением температуры есть приближённое выражение:

.

Значение коэффициента β_Т находятся из таблиц в пределах заданного интервала температур (например для пресной воды из таблицы 1).