В жидкостных манометрах измеряемое давление или разность давлений уравновешивается гидростатическим давлением столба жидкости. В приборах используется принцип сообщающихся сосудов, в которых уровни рабочей жидкости совпадают при равенстве давлений над ними, а при неравенстве занимают такое положение, когда избыточное давление в одном из сосудов уравновешивается гидростатическим давлением избыточного столба жидкости в другом. Большинство жидкостных манометров имеют видимый уровень рабочей жидкости, по положению которого определяется значение измеряемого давления. Эти приборы используются в лабораторной практике и в некоторых отраслях промышленности.

Существует группа жидкостных дифманометров , в которых уровень рабочей жидкости непосредственно не наблюдается. Изменение последнего вызывает перемещение поплавка или изменение характеристик другого устройства, обеспечивающих либо непосредственное показание измеряемой величины с помощью отсчетного устройства, либо преобразование и передачу ее значения на расстояние.

Двухтрубные жидкостные манометры . Для измерения давления и разности давлений используют двухтрубные манометры и дифманометры с видимым уровнем, часто называемыми U -образными. Принципиальная схема такого манометра представлена на рис. 1, а. Две вертикальные сообщающиеся стеклянные трубки 1, 2 закреплены на металлическом или деревянном основании 3, к которому прикреплена шкальная пластинка 4. Трубки заполняются рабочей жидкостью до нулевой отметки. В трубку 1 подается измеряемое давление, трубка 2 сообщается с атмосферой. При измерении разности давлений к обеим трубкам подводятся измеряемые давления.

Рис. 1. Схемы двухтрубного (в) и однотрубного (б) манометра :

1, 2 - вертикальные сообщающиеся стеклянные трубки; 3 - основание; 4 - шкальная пластина

В качестве рабочей жидкости используются вода, ртуть, спирт, трансформаторное масло. Таким образом, в жидкостных манометрах функции чувствительного элемента, воспринимающего изменения измеряемой величины, выполняет рабочая жидкость, выходной величиной является разность уровней, входной - давление или разность давлений. Крутизна статической характеристики зависит от плотности рабочей жидкости.

Для исключения влияния капиллярных сил в манометрах используются стеклянные трубки с внутренним диаметром 8... 10 мм. Если рабочей жидкостью служит спирт, то внутренний диаметр трубок может быть снижен.

Двухтрубные манометры с водяным заполнением применяются для измерения давления, разрежения, разности давлений воздуха и неагрессивных газов в диапазоне до ±10 кПа. Заполнение манометра ртутью измерения расширяет пределы до 0,1 МПа, при этом измеряемой средой может быть вода, неагрессивные жидкости и газы.

При использовании жидкостных манометров для измерения разности давлений сред, находящихся под статическим давлением до 5 МПа, в конструкцию приборов вводятся дополнительные элементы, предназначенные для защиты прибора от одностороннего статического давления и проверки начального положения уровня рабочей жидкости.

Источниками погрешностей двухтрубных манометров являются отклонения от расчетных значений местного ускорения свободного падения, плотностей рабочей жидкости и среды над ней, ошибки в считывании высот h1 и h2.

Плотности рабочей жидкости и среды даются в таблицах теплофизических свойств веществ в зависимости от температуры и давления. Погрешность считывания разности высот уровней рабочей жидкости зависит от цены деления шкалы. Без дополнительных оптических устройств при цене деления 1 мм погрешность считывания разности уровней составляет ±2 мм с учетом погрешности нанесения шкалы. При использовании дополнительных устройств для повышения точности считывания h1, h2 необходимо учитывать расхождение температурных коэффициентов расширения шкалы, стекла и рабочего вещества.

Однотрубные манометры . Для повышения точности отсчета разности высот уровней используются однотрубные (чашечные) манометры (см. рис. 1, б). У однотрубного манометра одна трубка заменена широким сосудом, в который подается большее из измеряемых давлений. Трубка, прикрепленная к шкальной пластинке, является измерительной и сообщается с атмосферой, при измерении разности давлений к ней подводится меньшее из давлений. Рабочая жидкость заливается в манометр до нулевой отметки.

Под действием давления часть рабочей жидкости из широкого сосуда перетекает в измерительную трубку. Поскольку объем жидкости, вытесненный из широкого сосуда, равен объему жидкости, поступившему в измерительную трубку,

Измерение в однотрубных манометрах высоты только одного столба рабочей жидкости приводит к снижению погрешности считывания, которая с учетом погрешности градуировки шкалы не превышает ± 1 мм при цене деления 1 мм. Другие составляющие погрешности, обусловленные отклонениями от расчетного значения ускорения свободного падения, плотности рабочей жидкости и среды над нею, температурными расширениями элементов прибора, являются общими для всех жидкостных манометров.

У двухтрубных и однотрубных манометров основной погрешностью является погрешность считывания разности уровней. При одной и той же абсолютной погрешности приведенная погрешность измерения давления снижается при увеличении верхнего предела измерения манометров. Минимальный диапазон измерения однотрубных манометров с водяным заполнением составляет 1,6 кПа (160 мм вод. ст.), при этом приведенная погрешность измерения не превышает ±1 %. Конструктивное выполнение манометров зависит от статического давления, на которое они рассчитаны.

Микроманометры . Для измерения давления и разности давлений до 3 кПа (300 кгс/м2) используются микроманометры, которые являются разновидностью однотрубных манометров и снабжены специальными приспособлениями либо для уменьшения цены деления шкалы, либо для повышения точности считывания высоты уровня за счет использования оптических или других устройств. Наиболее распространенные лабораторные микроманометры - это микроманометры типа ММН с наклонной измерительной трубкой (рис. 2). Показания микроманометра определяются по длине столбика рабочей жидкости п в измерительной трубке 1, имеющей угол наклона а.

Рис. 2. :

1 - измерительная трубка; 2 - сосуд; 3 - кронштейн; 4 - сектор

На рис. 2 кронштейн 3 с измерительной трубкой 1 крепится на секторе 4 в одном из пяти фиксированных положений, которым соответствуют к = 0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 0,8 и пять диапазонов измерения прибора от 0,6 кПа (60 кгс/м2) до 2,4 кПа (240 кгс/м2). Приведенная погрешность измерений не превышает 0,5 %. Минимальная цена деления при к = 0,2 составляет 2 Па (0,2 кгс/м2), дальнейшее снижение цены деления, связанное с уменьшением угла наклона измерительной трубки, ограничено снижением точности считывания положения уровня рабочей жидкости из-за растягивания мениска.

Более точными приборами являются микроманометры типа ММ, называемые компенсационными. Погрешность считывания высоты уровня в этих приборах не превышает ±0,05 мм в результате использования оптической системы для установления начального уровня и микрометрического винта для измерения высоты столба рабочей жидкости, уравновешивающего измеряемое давление или разность давлений.

Барометры применяются для измерения атмосферного давления. Наиболее распространенными являются чашечные барометры с ртутным заполнением, отградуированные в мм рт. ст. (рис. 3).

Рис. 3. : 1 - нониус; 2 - термометр

Погрешность считывания высоты столба не превышает 0,1 мм, что достигается использованием нониуса 1, совмещаемого с верхней частью мениска ртути. При более точном измерении атмосферного давления необходимо вводить поправки на отклонение ускорения свободного падения от нормального и значение температуры барометра, измеряемой термометром 2. При диаметре трубки менее 8... 10 мм учитывается капиллярная депрессия, обусловленная поверхностным натяжением ртути.

Компрессионные манометры (манометры Мак-Леода), схема которых представлена на рис. 4, содержат резервуар 1 с ртутью и погруженной в нее трубкой 2. Последняя сообщается с измерительным баллоном 3 и трубкой 5. Баллон 3 заканчивается глухим измерительным капилляром 4, к трубке 5 подключен капилляр сравнения 6. Оба капилляра имеют одинаковые диаметры, чтобы на результатах измерения не сказывалось влияние капиллярных сил. Давление в резервуар 1 подается через трехходовой кран 7, который в процессе измерения может находиться в положениях, указанных на схеме.

Рис. 4. :

1 - резервуар; 2, 5 - трубки; 3 - измерительный баллон; 4 - глухой измерительный капилляр; 6 - капилляр сравнения; 7 - трехходовой кран; 8 - устье баллона

Принцип действия манометра основан на использовании закона Бойля-Мариотта, согласно которому для фиксированной массы газа произведение объема на давление при неизменной температуре представляет постоянную величину. При измерении давления выполняются следующие операции. При установке крана 7 в положение а измеряемое давление подается в резервуар 1, трубку 5, капилляр 6, и ртуть сливается в резервуар. Затем кран 7 плавно переводится в положение с. Поскольку атмосферное давление значительно превышает измеряемое р, ртуть вытесняется в трубку 2. При достижении ртутью устья баллона 8, отмеченного на схеме точкой О, от измеряемой среды отсекается объем газа V, находящийся в баллоне 3 и измерительном капилляре 4. Дальнейшее повышение уровня ртути сжимает отсеченный объем. При достижении ртутью в измерительном капилляре высоты hи впуск воздуха в резервуар 1 прекращается и кран 7 устанавливается в положение b. Изображенное на схеме положение крана 7 и ртути соответствует моменту снятия показаний манометра.

Нижний предел измерения компрессионных манометров составляет 10 -3 Па (10 -5 мм рт. ст.), погрешность не превышает ±1 %. У приборов пять диапазонов измерения и они охватывают давления до 10 3 Па. Чем ниже измеряемое давление, тем больше баллон 1, максимальный объем которого составляет 1000 см3, а минимальный 20 см3, диаметр капилляров равен соответственно 0,5 и 2,5 мм. Нижний предел измерения манометра в основном ограничен погрешностью определения объема газа после сжатия, зависящей от точности изготовления капиллярных трубок.

Набор компрессионных манометров совместно с мембранно- емкостным манометром входит в состав государственного специального эталона единицы давления в области 1010 -3 ... 1010 3 Па.

Достоинствами рассмотренных жидкостных манометров и дифманометров являются их простота и надежность при высокой точности измерений. При работе с жидкостными приборами необходимо исключать возможность перегрузок и резких изменений давления, так как в этом случае может происходить выплескивание рабочей жидкости в линию или атмосферу.

Манометр технический - простой и точный прибор для измерения давления. Он может быть использован для измерения вакуума, давления выше атмосферного, разности давлений. Конструкция манометра определяет каким образом измеряется каждое из видов давления.

Пожалуй, в быту самыми известными манометрами будут: манометр для измерения артериального давления и манометр для измерения давления автомобильных шин.

Принцип работы технического манометра

Принцип действия манометра основан на том, что столб жидкости определенной высоты обладает определенным давлением. Изменение величины жидкостных столбов при приложении на прибор источника давления используется как показатель изменения давления.

В качестве жидкости в манометрах большей частью используются ртуть и вода. Однако возможно использование других, специально приготовленных жидкостей, например, специального масла. В бесцветные жидкости для удобства в работе обычно добавляется краситель. Влияние веса красителя ничтожно и в расчет не принимается.

Как пользоваться техническим манометром

Основные операции по использованию манометра включают в себя проверку его состояния, обнуление, приложение давления и снятие показаний. Если жидкость в манометре загрязнилась, ее следует заменить, иначе это снизит точность производимых измерений.

Следует также проверять наличие в манометре достаточного количества жидкости для измерения давления. Если жидкости недостаточно, следует произвести ее долив в соответствии с инструкциями изготовителя прибора.

Все манометры должны быть нивелированы по уровню до проведения измерений. Без этого измерения будут неточными. В большинстве наклонных манометров имеется специальное устройство для нивелирования прибора. Устройство поворачивается до тех пор, пока пузырек в указателе уровня не примет правильного положения.

Для того, чтобы обеспечить точность, на манометре должен быть установлен эталонный нуль до того, как будет приложено давление и сняты показания. Эталонный нуль манометра выполнен в виде ручки, которая делает возможным установку нулевой отметки на шкале в соответствии с уровнем жидкости.

Эти приготовления помогут обеспечить нормальное функционирование манометра. Далее прикладывается давление и производится снятие нужных показаний.

Как читать показания манометра

После выполнения подготовительных операций можно переходить непосредственно к считыванию показаний манометра. На рисунке ниже показаны уровни водяных столбов для двух типов трубок. Открытая поверхность жидкостного столба называется мениском. Вид поверхности жидкости, показанный на рисунке, называется вогнутым мениском: центр этой поверхности расположен ниже ее внешних краев. Вода всегда образует вогнутые мениски.

На практике считывание показаний уровней для вогнутых менисков всегда производится со дна, т.е. низшей части мениска.

Существует так же и выпуклый мениск. Центр его выше, чем внешние края. Ртуть всегда образует выпуклые мениски. Считывание показаний при выпуклом мениске всегда производится с верхней точки.

В жидкостных манометрах, или дифманометрах, измеряемое давление или разность давлений уравновешивается давлением столба жидкости. Измерение давления с по­мощью жидкостных манометров основано на изменении высоты столба (уровня) рабочей жидкости в стеклянной измерительной трубке в зависимости от прилагаемого дав­ления. В качестве манометрической (рабочей) жидкости чаще всего используются: этиловый спирт, дистиллирован­ная вода, ртуть. Использование этих веществ связано со стабильностью их физических свойств, незначительной вязкостью, несмачиваемостью стенок.

Процесс измерения давления можно осуществить с высокой степенью точности. Простота устройства и легкость измерения являются причиной широкого распространения жидкостных манометров.

К приборам этого типа относятся двухтрубные (U -об­ разные, рисунок 6.1 а ) и однотрубные чашечные (рис. 6.1 б ) манометры, а также микроманометры.

а) б)

Рисунок 6.1 - Схема U-образного (а ) и однотрубного чашечного манометра (б )

Двухтрубный манометр предназна­чен для измерения избыточных давлений или разности давлений. Шкала прибора обычно выполняется подвиж­ной. Перед началом измерений производят проверку нуля, соединив с атмосферой оба колена U-образного маномет­ра. При этом уровни рабочей жидкости устанавливаются на одной горизонтали ab . Перемещая шкалу прибора, сов­мещают нулевую отметку шкалы с установившимся уров­нем жидкости. При соединении одного колена трубки с емкостью, в которой необходимо измерить давление, жидкость пере­мещается до тех пор, пока измеряемое давление не урав­новесится давлением столба жидкости высотой H. Так как уровень жидкости в одной трубке повышается, а в другой понижается, то высота столба Н определяется как раз­ность двух отсчетов. Этот недостаток U-образных маномет­ров частично устранен в чашечном манометре, состоящем из сосудов разного диаметра. Измеряемое давление пода­ется в плюсовой (широкий) сосуд, а разность уровней оп­ределяется путем снятия одного отсчета по минусовой тон­кой трубке.

Для сечения а-б (рисунок 6.1 а ) справедливо следующее равенство сил:

где р а и р б - абсолютное и атмосферное давление, Па; f - площадь отверстия измерительной трубки, м 2 ; H - высота подъема столба жидкости, м; - плотность рабо­чей жидкости, кг/м 3 ; g - ускорение свободного падения, м/с 2 .

Путем преобразования выражения (6.2) получим:

Очевидно, что при измерении избыточного давления высота подъема рабочей жидкости не зависит от площади поперечного сечения трубок. Исходя из условий удобства работы с прибором (для ограничения высоты трубок ма­нометра), при измерении избыточного давления 0,15 0,2 МПа рекомендуется в качестве рабочей жидкости исполь­зовать ртуть, при более низких давлениях воду или спирт.

Чашечный и U-образный манометры не могут исполь­зоваться при измерении малых избыточных давлений и разрежений, так как погрешность измерений становится чрезмерно большой. В этих случаях применяются специ­альные чашечные манометры с наклонной трубкой (микроманометры)

Рисунок 6.2 – Схема микроманометра с наклонной трубкой

Использование наклонной трубки (рисунок 6.2) позволяет, уменьшив угол , при той же высоте подъема столба жидкости h увеличить его длину, что превышает точность отсчета. Измерение длины и высоты столба жидкости связано соотношением h = l sin . Отсюда
. Изменяя угол наклона трубки , можно изменять пределы измерений прибора. Минимальный угол на­клона трубки 8-10°. Погрешность прибора не превышает ±0,5% конечного значения шкалы.

В жидкостных манометрах, или дифманометрах, измеряемое давление или разность давлений уравновешивается давлением столба жидкости. Измерение давления с помощью жидкостных манометров основано на изменении высоты столба (уровня) рабочей жидкости в стеклянной измерительной трубке в зависимости от прилагаемого давления. В качестве манометрической (рабочей) жидкости чаще всего используются: этиловый спирт, дистиллированная вода, ртуть. Использование этих веществ связано со стабильностью их физических свойств, незначительной вязкостью, несмачиваемостью стенок.

Процесс измерения давления можно осуществить с высокой степенью точности. Простота устройства и легкость измерения являются причиной широкого распространения жидкостных манометров.

К приборам этого типа относятся двухтрубные (U -образные, рис. 15.1) и однотрубные (чашечные, рис. 15.2) манометры, а также микроманометры.

U аb

Двухтрубный манометр (ГОСТ 9933-75) предназначен для измерения избыточных давлений или разности давлений. Шкала прибора обычно выполняется подвижной. Перед началом измерений производят проверку нуля, соединив с атмосферой оба колена U -образного манометра. При этом уровни рабочей жидкости устанавливаются на одной горизонтали аb . Перемещая шкалу прибора, совмещают нулевую отметку шкалы с установившимся уровнем жидкости.

При соединении одного колена трубки с емкостью, в которой необходимо измерить давление, жидкость перемещается до тех пор, пока измеряемое давление не уравновесится давлением столба жидкости высотой Н . Так как уровень жидкости в одной трубке повышается, а в другой понижается, то высота столба Н определяется как разность двух отсчетов. Этот недостаток U -образных манометров частично устранен в чашечном манометре, состоящем из сосудов разного диаметра. Измеряемое давление подаются в плюсовой (широкий) сосуд, а разность уровней определяется путем снятия одного отсчета по минусовой тонкой трубке.

Для сечения 1-1 (рис. 15.1) справедливо следующее равенство сил:

где p a и р б - абсолютное и атмосферное давление, Па;

f - площадь отверстия измерительной трубки, м 2 ;

Н - высота подъема столба жидкости, м;

р - плотность рабочей жидкости, кг/м 3 ;

g - ускорение свободного падения, м/с 2 .

Путем преобразования выражения (15.2) получим:

P изб =P a -P б =Hpg . (15.3)

Очевидно, что при измерении избыточного давления высота подъема рабочей жидкости не зависит от площади поперечного сечения трубок Исходя из условий удобства работы с прибором (для ограничения высоты трубок манометра), при измерении избыточного давления 0,15-0,2 МПа рекомендуется в качестве рабочей жидкости использовать ртуть, при более низких давлениях - воду или спирт.

Чашечный и U -образный манометры не могут использоваться при измерении малых избыточных давлений и разрежений, так как погрешность измерений становится чрезмерно большой. В этих случаях применяются специальные чашечные манометры с наклонной трубкой (микроманометры). Использование наклонной трубки (рис. 15.3) позволяет, уменьшив угол ф, при той же высоте подъема столба жидкости h увеличить его длину, что повышает точность отсчета. Измерение длины и высоты столба жидкости связано соотношением . Отсюда Изменяя угол наклона трубки φ , можно изменять пределы измерений прибора. Минимальный угол наклона трубки 8-10°. Погрешность прибора не превышает ±0,5% конечного значения шкалы.

Манометр жидкостный
Назначение прибора:
Манометр открытый демонстрационный предназначен для измерения давления от 0 до 400 мм ртутного или водяного столба (4000 Па) выше и ниже атмосферного давления.
Основные части прибора и их назначение: Демонстрационный жидкостный манометр состоит из U-образной стеклянной трубки высотой 48 см и диаметром 3,5 – 4,5 мм и стойки на треноге. Одно колено стеклянной трубки присоединяется к сосуду, давление в котором нужно измерить. На стойке нанесены хорошо заметные издали штриховые сантиметровые деления с оцифровкой: в середине стойки – 0 и от него вверх и вниз через каждые 10 см цифры 1 и 2. Цена деления шкалы прибора 10 мм водяного столба. С обратной стороны верхней части стойки при помощи металлической пластинки укреплен стеклянный тройник. Тройник с одной стороны соединен с манометром, с другой – с установкой и средним отростком с резиновой трубкой, на которую надет винтовой или пружинящий зажим. Это позволяет во время работы приводить жидкость в обоих коленах манометра к одному уровню, не отключая от установки другие приборы. Достаточно слегка разжать зажим, чтобы соединить манометр с атмосферой. К манометру прилагают резиновую трубку длиной 80 см и винтовой зажим. Манометр заполняют чаще всего водой и реже спиртом или ртутью. Для лучшей видимости воду подкрашивают, например нигрозином или желто-зеленым флюоресцином. Жидкостный манометр нетрудно изготовить своими силами, изогнув в пламени спиртовки стеклянную трубку или соединив внизу две прямые стеклянные трубки при помощи резиновой.
Принцип действия прибора:
Действие открытого жидкостного манометра основано на свойстве сообщающихся сосудов и законе Паскаля. Жидкость устанавливается в обоих коленах на одном и том же уровне, так как на ее поверхность действует только атмосферное давление. Чтобы понять, как работает такой манометр, его можно соединить резиновой трубкой с круглой плоской коробкой, одна сторона которой затянута резиновой пленкой. Если слегка надавить пальцем на пленку, то уровень жидкости в колене манометра, соединенном с коробкой, понизится, в другом же колене повысится. Это объясняется тем, что при надавливании на пленку увеличивается давление воздуха в коробке. По закону Паскаля это увеличение давления передается и жидкости в том колене манометра, которое присоединено к коробке. Поэтому давление на жидкость в этом колене будет больше, чем в другом, где на жидкость действует атмосферное давление. Под действием силы этого избыточного давления жидкость начнет перемещаться: в колене со сжатым воздухом жидкость опустится, в другом – поднимется. Жидкость придет в равновесие (остановится) , когда избыточное давление сжатого воздуха уравновесится давлением, которое производит избыточный столб жидкости в другом колене манометра. Чем сильнее давить на пленку, тем выше избыточный столб жидкости, тем больше его давление. Следовательно, об изменении давления можно судить по высоте этого избыточного столба.