книги из ГПНТБ / Петунин А.Н. Измерение параметров газового потока. (Приборы для измерения давления, температуры и скорости)

Манометр для измерения разности двух давлений, ни одно из которых не является давлением окружающей среды, получил название дифференциального манометра.

Для определения абсолютного давления при отсутствии спе­ циального прибора можно воспользоваться показаниями д в у х приборов: манометра избыточного давления и барометра, пока­ зывающего атмосферное давление. В этом случае погрешность определения абсолютного давления связана с погрешностями измерения величин, его определяющих

Р — Ризб Т Ра-

Следовательно, к измерению атмосферного давления следует относиться с такой же тщательностью, с какой осуществляется измерение избыточного давления. Это тем более надо иметь в ви­ ду при измерениях в газовых потоках больших сверхзвуковых скоростей. В этом случае абсолютное значение статического дав­ ления или полного давления за прямым скачком уплотнения, че­ рез посредство которых определяются основные газодинамиче­ ские параметры потока М, w, q, имеют значения, исчисляющиеся единицами и десятками мм рт. ст., и должны определяться достаточно точно.

1.2.ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Вмеждународной системе единиц (СИ) согласно ГОСТ 9867—61 единицей измерения давления является ньютон на квад­ ратный метр (Н/м2). Эта единица получила название «паскаль» (Па). Размер единицы: (1Н) : (1 м2).

Наравне с единицами СИ в Советском Союзе все еще при­ меняются другие единицы [4]. В табл. 1.1 перечислены эти еди­ ницы, приведены их обозначения и их значения в системе СИ.

Таблица 1.1

10

1.3. КЛАССИФИКАЦИЯ МАНОМЕТРОВ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ

Манометры классифицируются по роду измеряемой величи­ ны, принципу действия и классу точности. Не установлена чет­ кая классификация по диапазонам измерения, быстродействию и чувствительности.

Классификация по роду измеряемой величины дана в ГОСТ 15115—69. Рассматриваются: манометры избыточного давления, вакуумметры, мановакуумметры, барометры, манометры абсо­ лютного давления, дифференциальные манометры.

По принципу действия приборы для измерения давления де­ лятся на следующие группы: жидкостные, механические (грузо­ поршневые, деформационные — мембранные, сильфонные, с трубчатой пружиной), электрические (пьезоэлектрические, иони­ зационные, сопротивления), тепловые, специальные (радиомет­ рические, вязкостные, электроразрядные, магнитные).

В жидкостных манометрах используется гидростатический принцип действия. В практике измерения газовых потоков уме­ ренных скоростей жидкостные манометры нашли очень широкое применение.

Механические манометры основаны на принципе уравновеши­ вания. В грузопоршневых манометрах измеряемое давление, действующее на одну сторону поршня, уравновешивается силой, действующей на его противоположную сторону. Эта сила созда­ ется контрольными грузами. Такой принцип положен в основу создания лабораторных образцовых грузопоршневых маномет­ ров всех разрядов [21, 22]. Для измерений в газовых потоках такие манометры, как правило, не применяются и в настоящей

11

работе они не рассматриваются. В пружинных манометрах из­ меряемое давление преобразуется в силу, вызывающую дефор­ мацию чувствительного элемента, и силы давления уравновеши­ ваются упругими силами чувствительного элемента. Величина деформации служит мерой давления. Она выражается перемеще­ нием какого-либо указателя по шкале. Этот принцип положен в основу действия подавляющего числа технических манометров, используемых в народном хозяйстве, а также группы образцо­ вых манометров, используемых для единичных измерений в га­ зовых потоках при экспериментальных исследованиях.

Электрические и специальные манометры широкого распро­ странения в практике измерения воздушных потоков не получи­ ли и используются главным образом для физических исследо­ ваний при очень больших давлениях или глубоких разрежениях.

Приборы, широко используемые при измерениях в газовых потоках, относятся к группе электромеханических. В них соче­ таются преимущества принципа силового уравновешивания с дистанционностью и быстродействием электрических способов пре­ образования, передачи и регистрации давлений.

Требования к точности измерения давлений в газовых пото­ ках определяются желаемой точностью определения основных параметров: скорости, расхода, чисел М и 1 , скоростного напора. Для подавляющего числа задач, в связи с которыми осущест­ вляются измерения давлений в газовых потоках, погрешность таких измерений может составлять +0,5% максимальной изме­ ряемой величины. К таким задачам, например, относится опре­ деление распределения давлений по поверхности обтекаемых по­ током тел или ограничивающих его стенок.

Значительно более высокая точность требуется при измере­ нии давлений, определяющих основные параметры газового по­ тока. В этом случае погрешность не должна превышать 0,02 . . .

...0,1% максимального значения измеряемой величины. Следует подчеркнуть, что при совокупных измерениях ряда

величин (в их число могут входить и давления), используемых для определения какой-либо физической величины, функцио­ нально связанной с измеряемыми, следует предварительно оце­ нить влияние на погрешность определения искомой величины частных погрешностей измеряемых величин. Может оказаться, что не следует стремиться измерять давления с минимальной погрешностью, так как вклад в результирующую погрешность частных погрешностей других величин делает это стремление неоправданным. А вместе с тем, даже небольшое снижение по­ грешности измерения давления может быть связано с преодоле­ нием больших технических трудностей.

При выборе прибора для измерения давления следует так­ же правильно использовать такие его характеристики, как чув­ ствительность и быстродействие. Очень чувствительные приборы, как правило, не обладают быстродействием, так как внешние

12

возмущения делают процесс установления показаний длитель­ ным, а возникающая необходимость в осреднении показаний по­ вышает погрешность отсчета или регистрации. С другой стороны, высокая чувствительность сужает диапазон измерения и при том же классе прибора можно уменьшить абсолютную погрешность измерения.

Отечественная приборостроительная промышленность вы­ пускает большое количество стрелочных пружинных манометров различного класса, из которых для единичных измерений давле­ ний в газовых потоках, с целью определения их параметров, ис­ пользуются образцовые манометры и вакуумметры класса 0,16; 0,25 и 0,4. Более грубые манометры используются в качестве эксплуатационных приборов. Грузопоршневые манометры класса 0,1 и выше применяются в качестве контрольных приборов при градуировке рабочих приборов.

Приборы для многоточечных измерений давлений при иссле­ дованиях газовых потоков выпускаются промышленностью в крайне ограниченном количестве типоразмеров. Их разработка является заботой организаций, занимающихся научными иссле­ дованиями газовых потоков.

1.4. ЖИДКОСТНЫЕ МАНОМЕТРЫ

Жидкостные манометры в недалеком прошлом были единст­ венными приборами для измерения давлений при исследовании газовых потоков малых скоростей. Они применялись для измере­ ния атмосферного давления, разрежения, небольших избыточ­ ных давлений, обычно < ;(4 ...5 )1 0 5 Па, и малых абсолютных давлений (манометры Мак-Леода). В жидкостных манометрах эффективная площадь, воспринимающая давление, равна по­ верхности жидкости, залитой в полость манометра, а усилие, про­ тиводействующее давлению, создается силой тяжести жидкости. Эти величины легко определяются, и можно добиться, чтобы их изменения во времени под воздействием внешних факторов были минимальными. Это обеспечивает малые погрешности и стабиль­ ные показания жидкостных манометров.

Манометрические жидкости должны удовлетворять следую­ щим требованиям [16, 22, 31]:

1.Безвредность для обслуживающего персонала.

2.Химическая инертность в отношении материалов, исполь­ зуемых в манометрах (стекло, сталь, дуралюмин, резина).

3.Малая вязкость.

4.Малые температурные расширения.

5.Малая величина капиллярной постоянной.

6.Слабая испаряемость и низкая способность поглощения влаги из окружающей атмосферы.

7.Сохранение во времени цвета, прозрачности и жидкого со­ стояния.

13

8.Плохая способность адсорбировать грязь.

9.Невысокая стоимость.

Указанные требования преследуют цель снизить погрешно­ сти измерений давлений, так как при удовлетворении этим тре­ бованиям сохраняется стабильной плотность жидкости (п. 2 и 6), уменьшаются температурные погрешности (п. 4) и погрешности

точных давлений. Известны и другие жидкости, плотность кото­ рых превышает плотность воды, но из-за токсичности и вредно­ го воздействия на металлы и резину не нашедшие широкого при­ менения в измерительной практике. К ним относятся: бромистый

(у = 3450 кг/м3 при 20° С).

В табл. 1.3 приведены характеристики и свойства жидкостей, используемых в манометрах для измерения низких абсолютных давлений, исчисляющихся единицами и десятками миллиметров

давления насыщенных паров, способствующая их быстрой «от­

отсчитываются по положениям менисков жидкостй'относитёльно

17

!

19

Из приведенных в табл. 1.2 жидкостей наибольшее приме­ нение при положительных избыточных давлениях имеют ртуть и спирт. Реже применяется вода, вызывающая коррозию металли­

ческих деталей.

Жидкости, величина плотности которых лежит между плот­ ностью спирта и ртути, применяются в случаях, когда чувстви­ тельность ртутного манометра dhjd(p2—pi) недостаточна, а диа­ пазон измерения манометром, залитым спиртом или водой, мень­ ше диапазона изменения измеряемого давления.

Жидкости с плотностью больше 1000 кг/м3 в разное время применялись для частичной замены ртути. Из них наибольшее распространение получили тетрабромэтан и жидкость Туле. Од­ нако широкого применения эти жидкости не получили, так как ни одна из них не удовлетворяет всем вышеперечисленным тре­ бованиям к жидкостям, заливаемым в манометры.

При наиболее распространенной высоте лабораторных жид­ костных манометров, равной 3 м, манометры, залитые разными жидкостями, имеют диапазоны измерения давлений, указанные в табл. 1.4.

Для того чтобы использовать при измерениях всю длину труб­ ки и предотвратить при резком изменении давления выброс жидкости из манометра в помещение или в соединительную трассу, в конструкции манометра предусматриваются уширения трубок в верхней приемной части, как это показано на рис. 1.1, или устанавливаются запорные клапаны, которые будут описа­ ны в разделе, посвященном батарейным манометрам.

1.4.2. Бачковый, или чашечный, манометр

Бачковый, или чашечный, манометр представляет собой раз­ новидность U-образного манометра, у которого одна трубка за­ менена сосудом с площадью, во много раз превышающей пло­

22