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

Т а б л и ц а 1.6

жидкость

ниях малых разностей давлений невозможно без применения оптических систем отсчета с большой разрешающей способно­ стью. Оптическая система с ценой делений 10-2 мм, установлен-

Рис. 1.15. Схемы двухжидкостных манометров:

а—с одним мениском; б—с двумя менисками; в—с концентрически­ ми трубками

ная на наклонном микроманометре, позволяет измерять с погрешностью в 1% перепады давления, превышающие 0,1 мм рт.ст. При меньших перепадах возрастают погрешности измерения и необходимы более сложные оптические системы.

При использовании двухжидкостных манометров [8, 23] не­ обходимость в оптических устройствах отсчета может отпасть; кроме того, снижаются требования к тщательности установки и настройки манометров. Двухжидкостный манометр представляет собой U-образную трубку (рис. 1.15, а и 1.15, б), заполненную двумя жидкостями, поверхность раздела между которыми обра-

зует четкий мениск. Существуют U-образные манометры с одним и двумя менисками, а также манометры, образованные двумя концентрически расположенными трубками разного диаметра (рис. 1.15, в). В верхних частях трубок делаются уширения. Пе­ ремещение поверхности раздела жидкостей является мерой из­ меряемого перепада давления.

Основное уравнение двухжидкостного манометра можно полу­ чить из рассмотрения сил, действующих на жидкости в маномет­ ре до измерений при р\ = р2, когда мениски жидкостей в ши­ роких сосудах находятся на разных уровнях из-за разности их плотностей

Перемещение h мениска при неизменной разности (р2—Pi) возрастает с уменьшением разности плотностей жидкостей и уменьшением отношения площадей поперечных сечений U-образ- ной трубки и уширения в верхней ее части.

Увеличение h, даваемое двухжидкостным манометром, можно оценить, взяв отношение перемещения менисков в одножидкост-

двухжидкостном манометре в 10 раз больше, чем в одножидко­ стном, А » ЮА0.

При малых значениях -^выражение (1.16) упрощается:

34

Из рассмотрения основного уравнения двухжидкостного ма­ нометра можно получить предельную относительную погреш­ ность определения перепада давлений таким манометром

= 30± 0,02 мм; /1 = 200+0,05 мм ;— = 0,012 погрешность Д р~1% .

F

В двухжидкостных манометрах мениск устанавливается в течение нескольких секунд после подачи в него давления. Чув­ ствительность манометра составляет 00,05 мкм, а погрешность -<3 мкм вод. ст. Погрешность возникает при использовании некалиброванных U-образных трубок, при отклонении трубок от вертикального положения, при неравномерном нагреве трубок вследствие изменения окружающей температуры, а также из-за различия коэффициентов температурного расширения жидко­ стей. Наибольшую погрешность вносит изменение температуры. Вследствие этого манометрическая трубка защищается от влия­ ния внешней среды. Манометр устанавливается в стеклянном или пенопластовом футляре. Температура в нем контролируется полупроводниковыми терморезисторными термометрами с по­ грешностью ±0,5° С. По показаниям термометров вводится по­ правка на изменение плотностей у4 и у2. При изменении темпе­ ратуры жидкости на 1°С может возникнуть погрешность в из­ мерении перепада давлений величиной 0,15%.

Основное уравнение манометра с двумя менисками (см. рис. 1.15, б) можно получить, повторив выкладки, проделанные выше для манометра с одним мениском:

метра. Повышению чувствительности способствует уменьшение разницы между плотностями жидкостей (z— И ).

Рис. 1.16. Отношение чувствительностей двух­ жидкостных манометров с одним и двумя ме-

Отношение относительных погрешностей манометра с двумя и одним мениском при условии равенства погрешностей отсчета перемещений мениска имеет вид

Из графиков зависимости r\=f(z), приведенных на рис. 1.17 для разных а, следует, что уменьшение разницы между плотно-

Рис. 1.17. Отношение относительных погреш­ ностей двухжидкостных манометров с одним

стями жидкостей (z— >-1) также способствует снижению погреш­ ности двухжидкостных манометров. При неизменных z уменыпе-

35

ние а снижает чувствительность и увеличивает погрешности за счет второго отсчета.

Двухжидкостные манометры можно применять для измере­ ния разности давлений в диапазоне от 1 до 10 мм рт. ст. без при­ влечения сложных устройств отсчета положения мениска. При этом жидкости, заливаемые в манометр, должны иметь устойчи­ вые физико-химические свойства, близкие и не изменяющиеся во времени плотности, не смешиваться между собой и не раст­ ворять друг друга, иметь малую вязкость и хорошую подвиж­ ность, плохо абсорбировать пары и газы, иметь близкие коэф­ фициенты температурного расширения. Жидкости, используемые

Жидкости, применяемые при измерении малых разностей давлений

37

В двухжидкостных манометрах применяются жидкости, ха­ рактеристики которых приведены в табл. 1.3.

Для измерения малых перепадов давлений из них составля­ ются пары, приведенные в табл. 1.7. Все пары, за исключением пары полисилоксановая жидкость № 2 — диметилфталат, со­ ставлены из жидкостей, имеющих малую величину давления на­ сыщенных паров, и могут применяться для измерений при малых абсолютных давлениях.

1.4.5. Батарейные жидкостные манометры

Батарейные жидкостные манометры являются распростра­ ненными приборами для многоточечных измерений давлений в газовых потоках. Они уже в процессе эксперимента позволяют судить о характере исследуемых явлений при визуальном наб-

50трубок

Рис. 1.18. Батарейный бачковый манометр на 50 точек:

людении за показаниями трубок. Батарейные манометры, подоб­ но одноточечным манометрам, встречаются двух типов: банко­ вые и U-образные.

В бачковых манометрах (рис. 1.18) все трубки соединены с общим расходным бачком и жидкость в них имеет одинаковый начальный уровень, контролируемый одной или двумя крайними трубками, называемыми «нулевыми». В бачок и «нулевые» труб­

38

ки подается одинаковое давление. С ним сравниваются давле­ ния в рабочих трубках.

В U-образных батарейных манометрах все трубки независи­ мы друг от друга (рис. 1.19). Это позволяет заливать отдельные трубки жидкостью с различной плотностью, делая манометр мно­ годиапазонным. Однако такое расширение возможностей мано­ метра достигается ценой потери половины трубок по сравнению

Рис. 1.19. Батарейный U-образный манометр на 25 точек:

/—основание; 2—трубки; 3—корыто для сбора ртути

сбачковым батарейным манометром и увеличением ширины ма­ нометра из-за необходимости разместить в нижней части мано­ метра независимые соединительные каналы для каждой пары

трубок.

На рис. 1.18 и 1.19 приведены схемы батарейных манометров ИД-1 и ИД-2*, получивших широкое распространение для изме­ рения давлений в воздушных и газовых потоках. Трубки мано­ метра диамером 7 мм и толщиной 1,5 мм уложены в вертикаль­ ные пазы глубиной, равной радиусу трубок, выфрезерованные в матовых листах из плексигласа толщиной 10 мм. В промежут­ ках между пазами нанесены деления и оцифровка шкалы, затер­ тые черной краской. Прозрачная основа для крепления трубок позволяет организовать внутри манометра подсвет трубок и шкал.

Для этого на задней стенке, представляющей собой две от­ крывающиеся створки, смонтированы равномерно распределен­

* Конструкции манометров разработаны А. М. Чистяковым.

39

ные лампочки (13 В, 5 Вт). В центральной части манометра ус­ тановлен ртутный термометр, показания которого, сфотографи­ рованные или записанные одновременно с показаниями трубок, используются для внесения поправки на температурное измене­ ние плотности жидкости в трубках. Ртутный бачок в манометре ИД-1 имеет гибкое соединение с общим коллектором и может перемещаться по высоте манометра в зави­ симости от предполагаемого диапазона из­ мерения давлений.

При создании манометров всех конст­ рукций должны быть учтены требования безопасности работы для обслуживающего персонала при применении такой вредной, но все-таки широко распространенной

жидкости, как ртуть. Удовлетворение этих требований и пра­ вильное использование жидкостных манометров делает их экс­ плуатацию практически безопасной.

Для поддержания прозрачности стенок трубок жидкость, за­ ливаемая в манометры, должна быть чистой, не оставлять сле­ дов на поверхности и не давать осадка.

Во избежание поломок к трубкам манометра, испытываю­ щим нагрузку веса залитой жидкости, не должны прикладывать­ ся никакие дополнительные усилия. С этой целью нижние концы трубок 1, вставляемые в общий коллектор, уплотняются мягки­ ми резиновыми втулками 3 (рис. 1.20), а верхние концы при помощи резиновых трубок 2 (рис. 1.21) соединяются с ниппеля­ ми 4, жестко прикрепленными к соединительной раме 5, связан­ ной с корпусом манометра. При таком креплении усилия при

40

подсоединении манометрической трассы не передаются на трубки. Кроме того, облегчается и ускоряется замена лопнувших

или загрязненных трубок.

Для предотвращения разлива ртути при резких колебаниях давления в какой-либо трубке в верхней части всех трубок уста­ навливаются запорные устройства в виде обратных клапанов, перекрывающих выход жидкости из трубки в трассу при подъ­ еме ртути сверх дозволенного уровня (см. рис. 1.21). В этом случае избыток жидкости выдавливается в компенсационный

бачок н разлив ртути предотвращается.

Нижнюю перемычку между коленами U-образной трубки в манометрах, залитых легкими жидкостями, часто выполняют из резиновых, дюрнтовых или хлорвиниловых трубок. Короткие U- образные трубки изготавливаются целиком из стекла. Изготов­ ление длинных стеклянных U-образных трубок связано с боль­ шими технологическими трудностями. Кроме того, при заливке тяжелой жидкости трубки лопаются в местах изгиба из-за оста­ точных напряжений, не снятых отжигом. Поэтому более надеж­ ной является конструкция коллектора для U-образного маномет­ ра с устройством для слива жидкости, показанная на рис. 1.20. Для транспортировки батарейные манометры ИД-1 и ИД-2 ус­

танавливаются на тележки.

Внутренний размер трубок в манометрах необходимо согла­ совать с капиллярными свойствами жидкости и размерами ком­ пенсационного бачка. Трубки устанавливаются с таким внутрен­ ним сечением, при котором погрешности, вызванные капилляр­ ными явлениями жидкости, не превышают погрешностей отсчета или расшифровки негативов. В манометрах ИД-1 и ИД-2 мини­ мальная погрешность расшифровки негативов хорошего качест­ ва составляет половину цены деления шкалы, равную 2,5 мм. Максимальное изменение уровня жидкости в бачке не превышает 0,5 мм. Негативы хорошего качества получают при применении широкопленочных аэрофотокамер и съемке на аэрофотопленку чувствительностью 800—1200° по шкале 0,85 ГОСТ при равно­ мерном освещении шкалы большим количеством ламп малой мощности. В манометре ИД-1 на площади 2,4 м2 установлено 358 лампочек, в манометре ИД-2 на площади 3,6 м2 размещено 460 лампочек. Такое количество лампочек дает равномерное ос­ вещение шкалы и равномерный нагрев трубок.

Известны конструкции наклонных батарейных манометров, используемых при измерениях в потоках малых скоростей. Труб­ ки таких манометров высотой не более 800 мм заливаются лег­ кими жидкостями и имеют шкалу с ценой деления, равной 1 мм. Щит 2, на котором укреплены трубки и жестко связанный с ним фотоаппарат 3, имеют возможность поворачиваться вокруг го­ ризонтальной оси на контролируемый угол. Компенсационный бачок 1 остается неподвижным (рис. 1.22). При этом, как это имеет место в микроманометрах с наклонной трубкой, увеличи­

41

вается фиксируемая высота столба жидкости в трубках и сни­ жается относительная погрешность отсчета.

Жидкостные батарейные манометры, будучи простыми, на­ дежными и точными измерительными устройствами, имеют сле­ дующие недостатки.

1.Ограниченность верхнего предела диапазона измерения

тивную работу экспериментальных установок и задерживает вы­ дачу рекомендаций по проводимым испытаниям.

3. Большие габариты манометров (например, высота трубок в ИД-1 и ИД-2 равна 3,17 м, ширина манометра ИД-1 равна 0,96 м, а ширина ИД-2 составляет 1,26 м) требуют для их уста­ новки много места и высоких помещений.

4. Применение в манометрах тяжелых жидкостей, как прави­ ло, вредных для здоровья обслуживающего персонала, требует строгого соблюдения мер техники безопасности. Пары этих жид­ костей проникают в помещение и заражают его. Все работники должны периодически проходить медицинский осмотр. В поме­ щении должна быть хорошая вентиляция, стены и потолки долж­ ны быть окрашены масляной краской, а полы застелены лино­ леумом.

Эти обстоятельства в последние 10—15 лет привели к тому, что применение батарейных жидкостных манометров для изме­ рения давлений, превышающих (0,25... 0,3) ХЮ5 Па, несколько сократилось. Но они по-прежнему широко используются для изме­ рения малых давлений, а одиночные манометры, залитые ртутью, применяются в качестве контрольных при градуировке механи­ ческих манометров.

42