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

щадь манометрической трубки. Схема манометра приведена на

рис. 1.2.

В общем виде при p2 >Pi уравнение равновесия для сечения А—А, когда над жидкостью находится воздух, имеет вид

Для hi можно получить

Это уравнение позволяет определить перепад (рг—pi) по пе­ ремещению уровня жидкости только в одной трубке.

При измерении положительного избыточного давления его подают в бачок, а измерительная трубка соединяется с атмос­ ферой. Под действием разности давлений жидкость выдавливается из бачка в труб­ ку и перемещается вверх до наступления равновесия. При измерении отрицатель­ ных избыточных давлений оно подается в трубку и вызывает ту же реакцию жидкости на возникающий перепад давле­ ний в бачке и в трубке.

Уравнение (1.6) называют основным уравнением бачкового манометра.

Если т велико (его делают 150 и бо­ лее) и над жидкостью воздух (т. е. Yi<Cy), то выражение (1.6) принимает вид (1.3)

и шкала прибора делается с миллиметровыми делениями. При использовании бачковых манометров в качестве образцовых их шкалу следует градуировать по эталонному прибору или брать

т х 500.

Погрешность за счет пренебрежения в уравнении (1.3) чле­ ном 1{т можно оценить, рассмотрев относительное значение пе­ репада, вычисленное по выражениям (1.6) и (1.3):

23

грешность определения высоты столба жидкости в этом мано­ метре < 0,05 мм.

Попытка автоматизировать измерение высоты столба жидко­ сти в байковом манометре привела к созданию электрического устройства [40], изображенного на рис. 1.4. Устройство состоит из подвижной каретки 4, на которой размещены фотоэлемент 5 и осветитель 10, мостовой схемы 6, одним плечом которой явля­ ется сопротивление фотоэлемента, усилителя переменного тока 7, реверсивного двигателя 11, вращающего ходовой микрометри­ ческий винт 2 каретки 4, счетчика оборотов 12 ходового винта и источников питания моста, осветителя и двигателя.

Мост находится в равновесии при освещенном состоянии фо­ тосопротивления. Как только жидкость перекрывает луч, сопро­ тивление фотоэлемента изменяется, нарушается баланс моста и усиленное напряжение разбаланса приводит во вращение двига­ тель привода каретки, перемещающий каретку в положение, при котором на фотосопротивление вновь попадает луч осветителя. Число оборотов ходового винта, измеренное счетчиком при пе­ ремещении каретки, служит мерой высоты столба жидкости в манометре.

1.4.3. Микроманометры

Микроманометром называется манометр лабораторного типа для измерения давления газовой среды с верхним пределом измерения не более ~ 40 000 Па.

Известны микроманометры следующих конструкций: жидко­ стные, весовые, поплавковые, крутильные, мембранные, электри­ ческие.

Жидкостными микроманометрами называют байковые мано­ метры с высотой трубки до 300 мм. Они применяются для из­ мерения малых перепадов давлений, соответствующих малым скоростям потока воздуха. Повышение чувствительности и сни­ жение погрешности отсчета высоты столба жидкости в микрома­ нометрах достигается применением оптического отсчета или ус­ тановкой манометрической трубки наклонно к горизонту.

Примером жидкостных микроманометров первой группы яв­ ляется микроманометр АЛД [19], представляющий собой бай­ ковый манометр с оптическим устройством для наблюдения за мениском жидкости и с нониусным отсчетом перемещения ме­

ка 7. Верхний конец трубки резиновым шлангом подключен к укрепленному на бачке штуцеру 3, в который (а не непосредст­

* Микроманометр АЛД — образцовый прибор производства завода «Эта­ лон» для градуировки микроманометров низших разрядов. Погрешность при­ бора 0,04 . .. 0.06 мм вод. ст.

25

венно в манометрическую трубку во избежание нарушения ее установки) подается большее из измеряемых давлений. В верх­ ней части стеклянная трубка жестко связана с металлической цилиндрической пустотелой стойкой 12, внутри которой размещен ходо­ вой винт (поз. 1 на рис. 1.6), по ко­ торому перемещается каретка (поз. 2 на рис. 1.6) оптического устройства

для наблюдения за мениском.

Оптическое устройство (рис. 1.6) состоит из лупы 4 и зерка­ ла 5, размещенных в металлических оправах. В лупе наблюда­ тель видит прямое и обратное изображения мениска. Отсчет по шкале берется при касании изображений. Для достижения ка­ сания каретка перемещается по ходовому винту специальной ру­ кояткой 9 (см. рис. 1.5), а для отсчета используется вертикаль­ ная шкала с миллиметровыми делениями от 0 до 200 мм и шкала на головке ходового винта с делениями от 0 до 20. Погрешность отсчета выражается одним делением шкалы на головке. Она равна 0,05 мм.

26

Основание прибора содержит уровень 13 и установочные вин­ ты 1, при помощи которых манометрическая трубка устанавли­ вается вертикально. Демпфирование колебаний жидкости дости­ гается при помощи капиллярных втулок, размещенных в мано­ метрической трубке.

Схема микроманометра с наклонной трубкой приведена на рис. 1.7. Связь между разностью поданных в микроманометр дав­ лений и перемещением жидкости по трубке определяется урав­ нением

Уравнение (1.9) является основным уравнением наклонного микроманометра.

Чувствительность микроманометра тем выше, чем легче за­ литая в него жидкость и меньше угол наклона трубки а. В нак­ лонных микроманометрах чаще других жидкостей используется спирт, калиброванные трубки имеют диаметр 1,5 ... 3 мм, милли­ метровая шкала выгравирована на самой трубке. Погрешность микроманометра зависит от его конструкции. Суммарная отно­

Последний член характеризует долю относительной погрешности за счет пренебрежения массой вещества над жидкостью и чле­ ном 1/т.

Величина Ау/у при определении плотности поплавковым аре­ ометром или весами Вестфаля составляет 0,00125; величина Asin a/sin а при качественном изготовлении манометра не превы­ шает 0,002, отаошение АЦ1 зависит от /; Д/ ;>0,05 мм. Суммарная

погрешность б может быть сведена к величине 0,5 . . . 0,6%. Для расширения диапазона микроманометра в нем предус­

матривается возможность дискретного изменения угла наклона трубки. На рис. 1.8 приведен общий вид микроманометра ЦАГИ, широко используемого при измерении скорости в аэродинамиче­

27

ских трубах и вентиляционных устройствах [5, 9, 16, 19, 33]. Бачок микроманометра выполнен в виде цилиндра, положенно­ го на образующую. С бачком жестко соединена манометрическая трубка, установленная в металлическую оправу. Бачок помещен в обойму, соединенную с основанием. Для установки по гори­ зонту основание имеет поперечный и продольный уровни с чувствительностью 1' и регулируемые установочные опоры. Бачок в обойме свободно вращается относительно своей горизон­ тальной оси, наклоняя трубку под тем или иным углом к гори­ зонту. На основании прибора размещена стойка с тремя отвер­ стиями. При совмещении соединенного с оправой трубки фиксатора с отверстиями в стойке трубка занимает наклонные по­

ввернут приемный ниппель. В положении, когда мениск жидко­ сти в трубке совмещается с нулевой отметкой шкалы, жидкость заполняет бачок по максимальному сечению. Поскольку при дан­ ной конструкции бачка погрешности манометра зависят от на­ чального положения жидкости в бачке и увеличиваются при за­ ливке меньшего количества жидкости, следует строго следить за тем, чтобы перед началом измерений мениск занимал нулевое положение. При этом отношение площадей жидкости в бачке и в трубке составляет 700 и влиянием изменения уровня жидкости в бачке можно пренебречь. При измерении положительного из­ быточного давления оно подается в бачок, а при измерении от­ рицательного избыточного давления для подачи давления ис­ пользуется ниппель, соединенный с трубкой.

Микроманометры после изготовления и периодически в про­ цессе эксплуатации должны градуироваться. Градуировки поз­ воляют учесть влияние капиллярной депрессии, кривизну трубок, непостоянство диаметра по длине, погрешности в изготовлении

28

отверстий в стойках. В результате уравнение (1.9) приобретает вид

где k — коэффициент микроманометра, определенный при граду­ ировке по контрольному микроманометру.

Микроманометр ЦАГИ отличается от других микроманомет­ ров жестким соединением трубки и бачка. В противоположность шарнирному соединению, доставляющему большие заботы при обслуживании микроманометра, жесткое соединение более на­ дежно.

Рис. 1.9. Микроманометр с непрерывным изменением угла наклона

На рис. 1.9 изображен микроманометр, в котором трубка мо­ жет устанавливаться под любым углом к горизонту: от 90° до очень малых углов. Установка на малых углах осуществляется при помощи микрометрического винта. Применение манометра на очень малых углах ограничивается влиянием капиллярной депрессии. Погрешности, вызываемые капиллярностью, не зави­ сят от угла наклона трубки, поэтому при очень малых углах на­ клона (<6°) погрешности вследствие капиллярности становятся соизмеримыми с измеряемой величиной давления. Погрешность микроманометра составляет +0,5% . Снижение погрешности воз­ можно за счет снижения погрешности отсчета, определения плот­ ности жидкости перед заливкой в манометр и введения поправ­ ки на изменение жидкости в бачке.

Правильность измерения микроманометром с наклонной трубкой зависит от чувствительности уровней, по которым конт­ ролируется горизонтальное положение основания микроманомет­ ра, и от тщательности, с которой эта операция выполняется.

В лабораторной практике микроманометры различной конст­ рукции применяются для контрольных и градуировочных целей. Из-за их сложности, большой стоимости и продолжительности

29

отсчета показании они не нашли применения для рабочих изме­ рений в газовых потоках.

На рис. 1.10 изображен микроманометр с перемещающимся сосудом, рассчитанный на измерение давлений величиной до 120 мм с погрешностью отсчета 0,01 мм [42]. Перемещение подвижного сосуда J служит мерой давления, поданного в неподвиж­ ный сосуд 8 и подлежащего изме­ рению. Перемещающийся сосуд используется для поддержания не­ изменным начального уровня в не­ подвижном сосуде, оборудованном

устройством для оптического наблюдения за уровнем. Это устрой­ ство (рис. 1.11) состоит из лупы 1 и зеркала 2, при помощи кото­ рых уровень жидкости контролируется по вершине треугольной пластины 7 (см. рис. 1.10), жестко укрепленной в неподвижном бачке. Начальный уровень устанавливается по уровню при гори­ зонтальном положении микроманометра и нулевых показаниях вертикальной и горизонтальной шкал прибора. При этом поверх­ ность жидкости совмещается с вершиной пластины.

Существует большое количество прецизионных поплавковых, колокольных, весовых и жидкостных наклонных микроманомет­ ров с погрешностью отсчета высоты столба жидкости 0,005 ...

0,05 мм [33, 38, 41, 46].

1.4.4. Сложные жидкостные манометры

Стремление использовать жидкостные манометры для изме­ рения избыточных давлений, превышающих высоту столба зали­ той в них жидкости, а также для измерения малых абсолютных

30

давлений привело к созданию сложных схем жидкостных мано­ метров: с перемещающимся бачком, с противодавлением, с опор­ ным давлением, с двумя жидкостями.

1. В манометрах с перемещающимся по высоте бачком (рис. 1.12) жидкость в измерительной трубке может занимать любое начальное положение по высоте. Рабочий диапазон манометра

В верхнем положении бачка измеряются положительные из­ быточные давления: + yh, в нижнем положении бачка измеряют­ ся отрицательные избыточные давления: —yh.

2. Манометры с противодавлением используются для изме­ рения давлений, превышающих величину yh. На рис. 1.13 изображена схема жидкостного бачкового манометра с противо­ давлением. Перед началом измерений измерительная и конт­ рольная трубки соединены с атмосферой. Под действием давле­ ния /7Пд, поданного в бачок от специального источника, жидкость в трубках находится на уровне 1—1. При этом кран на контроль­ ной трубке, служащей для измерения давления рт , открыт. За­ тем кран закрывается и в измерительную трубку подается иссле­ дуемое давление. Жидкость из измерительной трубки перемеща­ ется в бачок. Измеренное манометром давление определяется выражением

При h = hm = hMдиапазон манометра составляет

При выборе величины противодавления следует учитывать прочность стеклянных трубок. Этим объясняется, что манометры

31

из стеклянных трубок с внутренним диаметром 4 мм и толщиной стенки 1,5 мм не могут быть использованы для измерения из­ быточных давлений, превышающих ~ 5 - 105 Па.

3. Схемы манометров с опорным давлением используются для измерения малых абсолютных давлений в газовых потоках, дви­ жущихся с большими сверхзвуковыми скоростями. При боль­ ших числах М значения статических давлений р и дав­ лений за прямым скачком уплотнения р0' для различных полных

Из табл. 1.5 следует, что задача измерения абсолютных дав­ лений порядка единиц и десятков мм рт. ст. достаточно часто встречается в практике исследования газовых потоков. При про­ ведении таких измерений в качестве опорного выбирается дав­ ление, равное 1*10-2 ... 1- 10-3 мм рт. ст. От этого давления, как от нуля, ведется отсчет измеряемых давлений (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Схема измерения малых абсолютных давлений ртут­ ными манометрами с опорным давлением

В табл. 1.6 приведены диапазоны измерения жидкостных манометров различной высоты /гм.

В зависимости от величины опорного давления диапазон из­ мерения может перемещаться в интервале абсолютных давлений

ОТ О ДО Ра-

4. Использование U-образных манометров, заполненных лег­ кой жидкостью, для измерения при низких абсолютных давле-

32