Вимірювання тиску
Крім класифікації за основними методами вимірювань та видами тиску, засоби вимірювань тиску класифікують за принципом дії, функціональним призначенням, діапазоном та точності вимірювань.
Найбільш суттєва класифікаційна ознака - принцип дії засобу вимірювання тиску, відповідно до нього і побудовано подальший виклад.
Сучасні засоби вимірювань тиску є вимірювальні системи, ланки яких мають різне функціональне призначення. Узагальнені блок-схеми манометрів та вимірювальних перетворювачів тиску наведені відповідно на рис. 1,аіб.Найважливішою ланкою будь-якого засобу вимірювання тиску є його чутливий елемент (ЧЕ), який сприймає вимірюваний тиск і перетворює його на первинний сигнал, що надходить у вимірювальний ланцюг приладу. За допомогою проміжних перетворювачів сигнал від ЧЕ перетворюється на показання манометра або реєструється ним, а у вимірювальних перетворювачах (ІНД) - в уніфікований витівкою сигнал, що надходить до системи вимірювання, контролю, регулювання та управління. При цьому проміжні перетворювачі та вторинні прилади у багатьох випадках уніфіковані та можуть застосовуватись у поєднанні з ЧЕ різних типів. Тому важливі особливості манометрів та ІПД залежать, насамперед, від типу ЧЕ [1].
Мал. 1. Структурні блок-схеми:
а -манометра;б -вимірювального перетворювача тиску;р -вимірюваний тиск;1 -чутливий елемент (первинний перетворювач);2 -проміжні перетворювачі;3- свідчення;4- реєстрація; 5 - вихідний сигнал; → до систем: I — вимірювання та контроль; II – реєстрації; III - регулювання; IV - управління
За принципом діїЧЕ засоби вимірювання тиску можна поділити на такі основні групи.
1. Засоби вимірювання тиску, засновані на прямих абсолютних методах: поршневі манометри та ІПД, у тому числі вантажопоршневі манометри, манометри з нециліндричним неущільненим поршнем, дзвонові, кільцеві та рідинні манометри.
У перших трьох манометрах метод вимірювань реалізується рівнянням (1), заснованим на визначенні величини тиску по відношенню до сили до площі; в рідинних манометрах - рівнянням (2), заснованим на врівноважуванні тиску стовпом рідини.
2. Засоби вимірювання тиску, що ґрунтуються на прямих відносних методах: деформаційні манометри та ІПД, у тому числі і з силовою компенсацією; напівпровідникові манометри та ІПД; манометри інших типів, що ґрунтуються на зміні фізичних властивостей ЧЕ під дією тиску.
3. Засоби вимірювання тиску, що ґрунтуються на методах непрямих вимірювань: установки та прилади для визначення тиску за результатами вимірювання інших фізичних величин; установки та прилади для визначення тиску за результатами вимірювання параметрів фізичних властивостей вимірюваного середовища (термопарні та іонізаційні вакуумметри, ультразвукові манометри, в'язкісні вакуумметри та ін.).
Слід зазначити, що абсолютні методи вимірювань, закладені в поршневих та рідинних манометрах, у багатьох випадках практично не реалізуються. Наприклад, рідинні манометри, виключаючи первинні еталони, градуюються і повіряються не абсолютним, а відносним методом, шляхом їх звірення зі зразковими засобами вимірювань відповідної точності.
Глава 1.Методи прямих вимірювань тиску
Питання водопостачання для людства завжди були дуже важливими, а особливу актуальність набули з розвитком міст тапоявою них різного виду виробництв. При цьому дедалі актуальнішою ставала проблема вимірювання тиску води, тобто напору, необхідного не тільки для забезпечення подачі води через систему водопостачання, але й для приведення в дію різних механізмів. Честь першовідкривача належить найбільшому італійському художнику та вченому Леонардо да Вінчі (1452-1519 рр.), який уперше застосував п'єзометричну трубку для вимірювання тиску води у трубопроводах.
Подальший розвиток науки і техніки призвело до появи великої кількості рідинних манометрів різних типів, що застосовуються дотепер у багатьох галузях: метеорології, авіаційної та електровакуумної техніки, геодезії та геологорозвідки, фізики та метрології та ін. Проте, в силу ряду специфічних особливостей принципу дії манометрів їхня питома вага в порівнянні з манометрами інших типів відносно невелика і, ймовірно, буде зменшуватися і надалі. Проте при вимірах особливо високої точності в області тиску, близьких до атмосферного тиску, вони поки незамінні. Не втратили свого значення рідинні манометри й у інших областей (мікроманометрії, барометрії, метеорології, при фізико-технічних дослідженнях).
1.1.1. Основні типи рідинних манометрів та принципи їх дії
Принцип дії рідинних манометрів можна проілюструвати на прикладіU-подібного рідинного манометра(рис. 2,а),що складається з двох з'єднаних між собою вертикальних трубок1і2,наполовину заповнених рідиною.
Мал. 2. Основні типи рідинних манометрів
Відповідно до законів гідростатики при рівності тисківр1ір2вільні поверхні рідини (мениски) вобох трубках встановляться лише на рівні I-I. Якщо один із тисків перевищує інший(р1>р2), то різниця тисків викликає опускання рівня рідини в трубці>1і, відповідно, підйом у трубці2,аж до досягнення стану рівноваги. При цьому на рівні II-II рівняння рівноваги набуде вигляду:
тобто різниця тисків визначається тиском стовпа рідини заввишкиНіз щільністюр.
Рівняння (2) з погляду вимірювання тиску є фундаментальним, оскільки тиск, зрештою, визначається основними фізичними величинами - масою, довжиною та часом. Це рівняння справедливе всім без винятку типів рідинних манометрів. Звідси випливає визначення, що рідкісний манометр - манометр, в якому вимірюваний тиск врівноважується тиском стовпа рідини, що утворюється під дією цього тиску. Важливо підкреслити, що мірою тиску в манометрах рідини є висота стовпа рідини. Саме ця обставина призвела до появи одиниць вимірювань тиску мм вод. ст., мм рт. ст. та інших які природним чином випливають із принципу дії рідинних манометрів.
Чашковий рідинний манометр(рис. 2,б)складається зі з'єднаних між собою чашки1і вертикальної трубки2,причому площа поперечного перерізу чашки значно більше, ніж трубки. Тому під впливом різниці тисківΔрзміна рівня рідини в чашці набагато менше, ніж підйом рівня рідини в трубці:Н1=Н2• f/F, гаїН1-зміна рівня рідини в чашці.;Н2- зміна рівня рідини у трубці;f- площа перерізу трубки;F -площа перерізу чашки.
Звідси висота стовпарідини, що врівноважує вимірюваний тиск
а вимірювана різниця тисків
Тому при відомому коефіцієнтіk =1 +f/Fрізниця тисків може бути визначена щодо зміни рівня рідини в одній трубці, що спрощує процес вимірювань.
Двочашечний манометр(рис. 2, в) складається з двох з'єднаних за допомогою гнучкого шланга чашок1і 2, одна з яких жорстко закріплена, а друга може переміщатися у вертикальному напрямку. При рівності тисків чашки, а отже, вільні поверхні рідини знаходяться на одному рівні I-I. Якщор1> р2,то чашка 2 піднімається аж до досягнення рівноваги відповідно до рівняння (3).
Єдність принципу дії рідинних манометрів всіх типів зумовлює їх універсальність з погляду можливості вимірювання тиску будь-якого виду - абсолютного і надмірного та різниці тисків.
До важливої метрологічної характеристики засобів вимірювання тиску відноситься чутливість вимірювальної системи, яка багато в чому визначає точність відліку при вимірах та інерційність. Для манометричних приладів під чутливістю розуміється відношення зміни показань приладу до зміни тиску, що викликав його(п =ΔН/Δр).
Діапазони вимірювань рідинних манометрів відповідно до (2) визначаються висотою стовпа рідини, тобто розмірами манометра та щільністю рідини. Найбільш важкою рідиною в даний час є ртуть, щільність якоїр= 1,35951 • 10 4 кг/м . Стовп ртуті висотою 1 м розвиває тиск близько 136 кПа, тобто тиск, що не багато перевищує атмосферний тиск. Тому при вимірюванні тисків порядку 1 МПа розміри манометра по висоті можна порівняти звисотою триповерхового будинку, що становить суттєві експлуатаційні незручності, не кажучи про надмірну громіздкість конструкції. Проте спроби створення надвисоких ртутних манометрів робилися. Світовий рекорд було встановлено в Парижі, де на базі конструкцій знаменитої Ейфелевої вежі було змонтовано манометр заввишки ртутного стовпа близько 250 м, що відповідає 34 МПа. В даний час цей манометр розібраний у зв'язку з його безперспективністю.
1.1.2. Рідинно-поршневі манометри
Дуже часто до рідинних манометрів відносять прилади, вимірювальна система яких хоч і містить як один з елементів рідину, але за принципом дії в корені відрізняється від рідинних манометрів. До таких приладів відноситься диференціальний манометр типу "кільцеві ваги" (рис. 3), що складається з тороїдального корпусу1,внутрішня порожнина якого у верхній частині розділена перегородкою2,а нижня частина до половини заповнена рідиною4.Таким чином, корпус має дві вимірювальні камериАіБ,в які через гнучкі шланги подаються вимірювані тискуplі р2. Корпус може повертатися щодо опори3,розташованої в його геометричному центрі.До нижньої частини корпусу прикріплений противагу 5.
При рівності тисків у камерахАіБкорпус приладу розташовується відповідно до рис.4, а.Якщо один із тисків більший за інший, наприклад,р1> р2під дією різниці тисківΔр=p1–р2,що впливає на перегородку, корпус повернеться на певний кут α, а рівні рідини всередині корпусу займуть положення, що відповідають рис. 4,б.При цьому рівняння рівноваги вимірювальної системинабувають вигляду
Мал. 3. Диференціальний манометр типу „Кільцеві ваги”
деF -площа перегородки (внутрішня площа поперечного перерізу тороїда);r1—середній радіус тороїда;R2- відстань від осі обертання до центру ваги противаги;т -маса противаги;g -прискорення вільного падіння; α – кут повороту корпусу.
Таким чином, тиск визначається масою противаги, геометричними параметрами приладу і кутом повороту корпусу, а роль рідини, що заповнює вимірювальну систему, зводиться до створення рідинного затвора між камерамиАіБ.Тому по виду первинного перетворення - Тиску в силу, що діє на перегородку, - прилад аналогічний поршневим манометрам.
Ще більшою мірою сказане відноситься до дзвонових манометрів, що застосовуються як зразкові та еталонні прилади. Основні елементи вимірювальної системи манометра (рис. 4): наполовину заповнена водою посудина5, циліндричний дзвін3,підвіска2з чашкою6для накладання вантажів7, важіль1вагового компаратора з покажчиком положення рівноваги8та підвіски9з вантажем тариру10.Вимірюваний тиск підводиться під дзвін трубкою4.