4 Примеры применения законов гидростатики в технике

4.1 приборы для измерения давления

По принципу действия приборы делят на:

- жидкостные, измеряющие давление высотою столба жидкости;

- металлические, действующие по принципу передачи упругих деформаций рабочими частями (трубками, пластинами) соответственно изменениям давлений;

- поршневые, действующие по принципу передачи давления жидкостью по закону Паскаля, посредством изменения нагрузки на поршень;

- электрические, действующие по принципу изменения емкости в цепи (емкостные) или сопротивления проводника пропорционально изменениям внешнего давления или на принципе пьезоэлектрического эффекта.

По характеру и величине измеряемого давления приборы делят на:

- манометры, измеряющие избыточное давление;

- вакуумметры, измеряющие недостаток давления до атмосферного, т.е. разрежение (вакуум);

- барометры, измеряющие давление в пределах атмосферного;

По назначению приборы делят на: рабочие, контрольные, образцовые, микроманометры, дифференциальные и специальные манометры.

По способу фиксации показаний приборы делят на: самопишущие и показывающие (несамопишущие).

4.1.1 Жидкостные манометры. Жидкостные манометры применяют для измерения небольших давлений. Давление такими манометрами измеряют разностью уровней жидкости в прозрачных стеклянных трубках, которая уравновешивает измеренное давление.

Различают такие жидкостные манометры: пьезометры, U–образные, дифференциальные, чашечные, микроманометры. Жидкостные манометры, в зависимости от их назначения, заполняют различными жидкостями.

Если измеряемое давление очень мало, такие манометры з аполняют жидкостями с малой плотностью. Исходя из этого, их делят еще на спиртовые, масляные, водяные, ртутные.

Манометры, предназначенные для измерения вакуума, называются вакуумметрами. Если жидкостный манометр подключить так, чтобы его трубка, обычно соединяющая с атмосферой, будет соединена с сосудом, в котором поддерживается вакуум, он будет работать как вакуумметр.

Пьезометры – простейшие манометры, представляющие собой тонкие, но не капиллярные трубки, подключенные к резервуарам или трубам с жидкостью в которой нужно замерить давление. На рис.4.1 изображен пьезометр, который измеряет давление в точке А - у оси трубы, к которой он подключен.

Это давление может быть подсчитано так:

Если ,

тогда

U–образные манометры представляют собой U-образную прозрачную трубку (рис.4.2, 4.3), заполненную жидкостью с плотностью, большей, чем плотность среды, давление в которой измеряется.

В зависимости от того какое давление и в какой среде измеряется, трубка частично заполняется спиртом, водой, ртутью или другой жидкостью. Если один конец манометра с помощью гибкой трубки соединить с резервуаром или трубой, где нужно измерить давление, а второй с атмосферой, то по разности уровней жидкости в коленах трубки можно измерять давление в них. При измерении манометром давления в какой-либо точке сосуда с жидкостью необходимо следить, чтобы подводящие трубки и часть трубки манометра были заполнены жидкостью, которая находится в сосуде или в трубе, кроме того, нужно учитывать положение трубки, давление в которой нужно измерять, от места расположения манометра.

Н апример, нужно измерить абсолютное давление на поверхности воды в трубе (рис.4.3), к которой подключен ртутный U-образный манометр, и его показания h_рт = 500 мм. Давление легко определяется из следующих соображений: в плоскости 1-1 давление одинаковое (на одинаковых уровнях в сообщающихся сосудах с одинаковой жидкостью давление одинаково) и составляет (р_атм+ _ртgh_рт), а на поверхности жидкости меньше, чем в плоскости 1-1 на _вgh_ж, т.к. уровень жидкости в трубе расположен выше плоскости 1-1 на h_ж = 0,25 мм.

Все изложенное можно записать в виде такого уравнения:

.

Если тогда

где - плотность ртути.

Б атарейные (U-образные) манометры могут использоваться как для исследования распределения давления на поверхности обтекаемого тела (этот случай показан на рис.4.4), так и, при подключении к ним гребенки пневматических насадков, исследования профиля скоростного напора в потоке.

Дифференциальные манометры – предназначены для измерения разности или перепада давления в двух точках трубопровода или в двух сосудах (рис.4.5). В таких манометрах используется рабочая жидкость с плотностью большей, чем плотность жидкости измеряемой системы, часто – ртуть.

Чашечные манометры – предназначены для измерения избыточного и вакуумметрического давления, состоят из питающей измерительную трубку 1 чашки 2, которая через штуцер 3 подключается к сосуду, в котором измеряется давление (рис.4.6,а). Давление в сосуде измеряется по разности уровней (h  h).

Величину h можно определить из условия равенства объемов жидкости, вытесненной из чашки в трубку , откуда . Обычно отношение выбирают так, чтобы составляло не более 0,5% от h. Тогда измерение давления можно производить по высоте h.

Чашечные поршневые манометры могут применяться для измерения высоких давлений (рис.4.7,б). Такие манометры комплектуются специальным устройством, присоединяемым к чашке 2 и состоящим из штуцера А для подключения прибора к сосуду, в к отором измеряется давление, поршня В размером d, передающего усилие создаваемое этим давлением поршню С диаметром D. Последний давит на мембрану D, контактирующей с жидкостью в чашке 2. Показания h измерительной трубки 1 связано с д авлением p_изб в сосуде соотношением .

Для измерения малых давлений с высокой точностью применяют чашечные манометры с наклонной трубкой, угол наклона которой можно изменить. Такие приборы называют микроманометрами. На рис.4.7 показано устройство жидкостного микроманометра с переменным углом наклона. На oсновании 1 укреплен цилиндрический герметично закрытый резервуар 2, на крышке которого находятся трехходовой кран 3, заливочная трубка 4 и регулятор нуля 5. К основанию шарнирно крепится кронштейн с измерительной трубкой 6. Для установки различных yглов наклона к основанию прикреплен сектор 7 с пятью oтверстиями фиксации Против каждого отверстия нанесено значение масштаба микроманометра К (0,8; 0,6; 0,4; 0,3; 0,2). Микроманометр выставляется по горизонтали с помощью уровня 8. В микроманометрах по шкале измеряется не значение столба жидкости h, определяющего давление в сосуде, а часть длины наклоненного под углом  столбика жидкости L. Замерив по шкале длину L, можно определить высоту . Чем меньше угол наклона , тем больше при одинаковом h будет растянута длина L и тем точнее можно измерить h. В результате относительная погрешность замера будет меньше.

4 .1.2 Пружинные – механические манометры применяют для измерения больших давлений. В отличие от жидкостных манометров, которые не нуждаются в проверке, пружинные - металлические манометры со временем теряют свою точность так как их металлические упругие элементы, под действием старения и усталости металла меняют свою упругость. Поэтому метал­лические манометры периодически проверяются. Проверка - тарировка манометров производится на особых гидравлических прессах (рис.4.8), где путем сравнений проверяемых манометров с показаниями эталонных, находят погрешности. В результате проверки составляют таблицы поправок или строится поправочный график, с помощью которых можно внести поправ­ки к показаниям манометра.

Так как нужные детали манометров всегда находятся под атмосфер­ным давлением, то манометры, кроме дифференциальных, показывают только избыточное давление.

П ри измерении механическим манометром давления в каком-либо сосуде с капельной жидкостью нужно учитывать расположение манометра относительно точки, в которой измеряется давление и к показанию манометра добавить давление столба жидкости в трубке, соединяющей манометр с резервуаром, в котором замеряется давление, если манометр расположен выше, в противном случае его нужно отнять. Это делается потому, что манометр показывает давление в той точке, в которой он находится.

М анометр с изогнутой трубкой (рис. 4.9). Механический манометр этого типа состоит из чувствительного элемента в виде изогнутой металлической трубки 1 с эллиптическим поперечным сечением, конец которой запаян, передаточного меха­низма В, связывающего закрытый конец трубки с указательной стрелкой 2 и градуирова­нной шкалой А. Если такой манометр подключить к сосуду, в котором нуж­но замерить давление, то жидкость, находящаяся в изогнутой трубке, будет оказывать давление на внутренние стенки изогнутой трубки и, так как поверхность наружной стенки больше внутренней, то сила, раз­гибающая трубку, будет больше силы сгибающей ее и трубка разгибается. Движение конца трубки через рычажок и сектор передается стрелке через шестеренку, на которой укреплена стрелка, и конец стрелки останавливается перед тем или иным делением шкалы, которая была полу­чена при предварительной тарировке манометра.

Мембранный манометр (рис. 4.10). Чувствительным элементом такого прибора является мембрана 1, зажатая между фланцами. Под воздействием избыточного давления мембрана упруго деформируется. Деформация мембраны через рычажки (поводки), зубчатый сектор и шестеренку, на оси кото­рой укреплена стрелка, передается стрелке, которая на шкале указывает величину замеряемого давления.

М

Рис. 4.11 - Прибор типа МЭД

еталлические вакуумметры конструктивно не отличаются от манометров, отличие лишь в том, что их реагирующие элементы более чувствительны, чем у манометров.

П ружинные механические манометры могут оборудоваться выходными преобразовательными устройствами (рис. 4.11-4.13) с дальнейшей регистрацией электрического сигнала вторичным прибором (самописцем).