Глава 1. Методы прямых измерений давления

1.1. Жидкостные манометры

Вопросы водоснабжения для человечества всегда были очень важными, а особую актуальность приобрели с развитием городов и появлением в них различного вида производств. При этом все более актуальной становилась проблема измерения давления воды, т. е. напора, необходимого не только для обеспечения подачи воды через систему водоснабжения, но и для приведения в действие различных механиз­мов. Честь первооткрывателя принадлежит крупнейшему итальянскому художни­ку и ученому Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.), который впервые применил пьезометрическую трубку для измерения давления воды в трубопроводах.

Дальнейшее развитие науки и техники привело к появлению большого коли­чества жидкостных манометров различных типов, применяемых до настоящего вре­мени во многих отраслях: метеорологии, авиационной и электровакуумной техни­ке, геодезии и геологоразведке, физике и метрологии и пр. Однако, в силу ряда специфических особенностей принципа действия жидкостных манометров их удель­ный вес по сравнению с манометрами других типов относительно невелик и, веро­ятно, будет уменьшаться и в дальнейшем. Тем не менее при измерениях особо вы­сокой точности в области давлений, близких к атмосферному давлению, они пока незаменимы. Не потеряли своего значения жидкостные манометры и в ряде других областей (микроманометрии, барометрии, метеорологии, при физико-технических исследованиях).

1.1.1. Основные типы жидкостных манометров и принципы их действия

Принцип действия жидкостных манометров можно проиллюстриро­вать на примере U-образного жидкостного манометра (рис. 2, а), состоя­щего из двух соединенных между собой вертикальных трубок 1 и 2, наполовину заполненных жидкостью.

Рис. 2. Основные типы жидкостных манометров

В соответствии с законами гидро­статики при равенстве давлений р₁ и р₂ свободные поверхности жидкос­ти (мениски) в обеих трубках установятся на уровне I-I. Если одно из давлений превышает другое (р₁ >р₂), то разность давлений вызовет опускание уровня жидкости в трубке 1 и, соответственно, подъем в труб­ке 2, вплоть до достижения состояния равновесия. При этом на уровне II-II уравнение равновесия примет вид:

Δр=р₁ -р₂ = Н - р • g , (3)

т. е. разность давлений определяется давлением столба жидкости высо­той Н с плотностью р.

Уравнение (2) с точки зрения измерения давления является фундаментальным, так как давление, в конечном итоге, определяется основ­ными физическими величинами - массой, длиной и временем. Это урав­нение справедливо для всех без исключения типов жидкостных маномет­ров. Отсюда следует определение, что жидкостный манометр - манометр, в котором измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, образующегося под действием этого давления. Важно подчеркнуть, что мерой давления в жидкостных манометрах является высота столба жидкости. Именно это обстоятельство привело к появле­нию единиц измерений давления мм вод. ст., мм рт. ст. и других которые естественным образом вытекают из принципа действия жид­костных манометров.

Чашечный жидкостный манометр (рис. 2, б) состоит из соединенных между собой чашки 1 и вертикальной трубки 2, причем площадь попереч­ного сечения чашки существенно больше, чем трубки. Поэтому под воз­действием разности давлений Δр изменение уровня жидкости в чашке гораздо меньше, чем подъем уровня жидкости в трубке: Н₁ = Н₂ • f/F, гае Н₁ - изменение уровня жидкости в чашке.; Н₂ - изменение уровня жидкости в трубке; f - площадь сечения трубки; F - площадь сечения чашки.

Отсюда высота столба жидкости, уравновешивающей измеряемое давление

Н = Н₁ + Н₂ = Н₂ (1 + f/F), (4)

а измеряемая разность давлений

р₁-p₂=Н₂•g(1+f/ F), (5)

Поэтому при известном коэффициенте k = 1 + f/F разность давлений может быть определена по изменению уровня жидкости в одной трубке, что упрощает процесс измерений.

Двухчашечный манометр (рис. 2, в) состоит из двух соединенных при помощи гибкого шланга чашек 1 и 2, одна из которых жестко за­креплена, а вторая может перемещаться в вертикальном направлении. При равенстве давлений p_l и р₂ чашки, а следовательно, свободные по­верхности жидкости находятся на одном уровне I-I. Если р₁ > р₂, то чашка 2 поднимается вплоть до достижения равновесия в соответствии с уравнением (3).

Единство принципа действия жидкостных манометров всех типов обусловливает их универсальность с точки зрения возможности изме­рения давления любого вида — абсолютного и избыточного и разности давлений.

К важной метрологической характеристике средств измерения дав­ления относится чувствительность измерительной системы, которая во многом определяет точность отсчета при измерениях и инерционность. Для манометрических приборов под чувствительностью понимается от­ношение изменения показаний прибора к вызвавшему его изменению давления (п =ΔН/Δр).

Диапазоны измерений жидкостных манометров в соответствии с (2) определяются высотой столба жидкости, т. е. размерами маномет­ра и плотностью жидкости. Наиболее тяжелой жидкостью в настоящее время является ртуть, плотность, которой р = 1,35951 • 10⁴ кг/м . Столб ртути высотой 1 м развивает давление около 136 кПа, т. е. давле­ние, не из много превышающее атмосферное давление. Поэтому при из­мерении давлений порядка 1 МПа размеры манометра по высоте соизме­римы с высотой трехэтажного дома, что представляет существенные экс­плуатационные неудобства, не говоря о чрезмерной громоздкости кон­струкции. Тем не менее, попытки создания сверхвысоких ртутных ма­нометров предпринимались. Мировой рекорд был установлен в Париже, где на базе конструкций знаменитой Эйфелевой башни был смонтирован манометр высотой ртутного столба около 250 м, что соответствует 34 МПа. В настоящее время этот манометр разобран в связи с его бес­перспективностью.