ТИСК ЯК ФІЗИЧНА ВЕЛИЧИНА

При точних вимірюваннях рідинними лабораторними приладами необхідно вводити поправки на величину прискорення сили тяжіння і на температуру. Поправка на прискорення сили тяжіння рівна

, (2.16)

де h_н висота стовпа рідини при нормальному прискоренні;

g_н=9,80665 м/с²;

h₁ – спостережувана висота стовпа;

g₁ – прискорення сили тяжіння в даній місцевості.

Поправка на температуру включає поправки на зміну густини рідини і зміну довжини шкали від зміни температури.

Сумарна температурна поправка:

(2.17)

де h - висота стовпа рідини при нормальній температурі;

t₀ – для ртуті 0° З, для води +4° З;

h₁ – спостережувана висота стовпа рідини при температурі t;

a – коефіцієнт лінійного розширення матеріалу шкали;

b – коефіцієнт об'ємного розширення рідини.

Мікроманометр з нахиленою трубкою.При малих значеннях вимірюваного тиску або розрідження звичайні U-подібні та чашкові манометри не можуть забезпечити необхідної точності вимірювання [35].

Для підвищення точності вимірювання малих значень тиску і розрідження застосовують мікроманометри з нахиленою трубкою. Такий ЗВТ (рис.2.3) являє собою чашковий манометр, в якого трубка знаходиться під кутом α до горизонталі. Це приводить до збільшення довжини стовпа рідини у трубці та зменшення похибки вимірювань.

При вимірюванні малого тиску застосовують прилади з похилою трубкою (рис.2.3)

1 - дошка; 2 - посудина; 3 - трубка; 4 - рівень

Рисунок 2.3 – Мікроманометр з нахиленою трубкою

Прилад складається з скляної посудини, до якої під деяким кутом j до горизонту припаяна скляна трубка. Посудина з трубкою закріплена на дерев'яній дошці зі шкалою. Шкала зроблена рухомою, щоб при заповненні приладу рідиною можна було сумістити нуль шкали з меніском рідини в трубці. Кінець трубки приєднується до порожнини, в якій вимірюється розрідження. Для точної установки приладу в горизонтальній площині він забезпечений рівнем. В якості замкової рідини у мікроманометрах використовують етиловий спирт. Приєднання порожнини з вимірюваним надлишковим тиском здійснено до чашки ЗВТ, а з розрідженням - до трубки. Внаслідок похилого положення трубки висота стовпа рідини, зрівноважуюча вимірюваний тиск, буде рівна:

(2.18)

де l - переміщення меніска рідини в трубці, відлічене за шкалою.

Тиск

Мікроманометри з похилою трубкою виготовляються звичайно для вимірювання тиску 157—980 Н/м²(16—100 мм вод. ст.). Похибка цих приладів не перевищує ±1,5% граничного значення шкали. У тих випадках, коли доводиться вимірювати тиск або розрідження в ширших межах, користуються мікроманометрами із змінним кутом нахилу трубки.

Для технічних вимірювань рідинні прилади виконуються у вигляді так званих комбінованих рідинно-механічних приладів, а це такі: поплавкові, дзвонові і кільцеві.

Поплавкові дифманометриє U-подібними рідинними манометрами, у яких одне з колін розширене і в ньому поміщений поплавець, пов'язаний із стрілкою, що рухається вздовж шкали. Поплавкові прилади найчастіше використовують як диференційні манометри (дифманометри) для вимірювання перепаду тиску[35].

На рис. 2.4показана схема поплавкового дифманометра. Якщо в лівій посудині буде тиск Р₁, а в правій Р₂, то при P₁ > Р₂ рівень рідини в лівій посудині знизиться на висоту h₂, а у правій підвищиться на висоту h₁. Різниця тиску зрівноважується стовпом рідини з висотою:

(2.19)

Рисунок 2.4 - Схема диференційного поплавкового манометра.

Умова рівноваги рідини виражається формулою:

(2.20)

У посудинах циліндричної форми

, (2.21)

звідки

, (2.22)

тоді

(2.23)

Замінюючи Н його виразом, одержимо:

(2.24)

Для даного приладу величина є постійною. Постійною буде також і різниця густини r-r₁. Виражаючи ці величини постійними коефіцієнтами k і k₁ одержимо:

(2.25)

тобто різниця тиску може бути виражена величиною переміщення поплавка.

При незмінних розмірах широкої посудини зміною діаметру d і висоти вузької посудини можна у певних межах змінити граничні значення вимірювання різниці тиску. З сумісного розв’язку рівнянь (2.22) і (2.23) знаходимо

(2.26)

З рівняння (2.26) визначається необхідний діаметр вузької посудини при заданих значеннях H, h₂ і D.

Хід поплавка для всіх модифікацій дифманометрів при максимальному перепаді тиску становить 30,5 мм.

Іноді показуючі поплавкові дифманометри виготовляються з контактним пристроєм (для сигналізації), виконаним у вигляді ртутно-скляних перемикачів.

Коли необхідно передати дані на відстані більше 50м, а також у тих випадках, коли прилади встановлюються на щитах управління, застосовуються дифманометри з електричною або пневматичною передачею. Прилади з пневматичною передачею застосовуються при наявності вибухо- і пожежонебезпечних виробничих умов.

Дзвонові дифманометривикористовуються для вимірювання малих тисків розріджень (тягоміри і напороміри) і як диференційні манометри[35].

Як затворну рідину у дзвонових дифманометрах використовують трансформаторне масло, при умові, що розділювальна рідина виконує тільки розділювальні функції. Чутливим елементом дифманометра є дзвін, підвішений на гвинтовій пружині, переміщення якого під дією різниці тисків вимірюється за допомогою вихідного дифтрансформаторного або феродинамічного перетворювачів.

На рис.2.5 схематично показаний дзвоновий дифманометр. Дзвін 1, що підвішений на постійно розтягнутій гвинтовій пружині, частково занурений у замкову рідину 2 (трансформаторне масло), яка налита в посудину 3.

Дзвін ЗВТ буде знаходитись у рівновазі, а рівень замкової рідини на відмітці 0–0 до того часу, поки під дзвоном і в посудині над ним тиски однакові ( ). У цьому випадку рівнодіюча сила, що дорівнює різниці між силою тяжіння дзвону і гідравлічним тиском, зрівноважується силою пружності гвинтової пружини:

, (2.27)

де – жорсткість гвинтової пружини, Н×м^-1;

– довжина початкового розтягу пружини, яка приймається рівною початковій глибині занурення дзвону, м;

– площа поперечного перерізу стінок дзвону, м²;

– густина замкової рідини, кг×м^-3;

– сила тяжіння дзвону, Н;

– місцеве прискорення вільного падіння, м×с^-2.

Рисунок 2.5 – Схема дзвонового дифманометра

Для дифманометрів із тонкостінним дзвоном можна знехтувати гідростатичним тиском і прийняти в рівнянні (2.27) площу поперечного перерізу дзвону через її невелике значення. У цьому випадку рівняння (2.27) буде мати вигляд:

. (2.28)

При виникненні різниці тисків (при умові, що Р₁>Р₂) рівновага сил, що прикладені до дзвону, порушуватиметься. При цьому від перепаду тиску з’являється підіймальна сила, яка буде переміщувати дзвін угору. Це, у свою чергу, викличе виникнення протидіючої сили, яка обумовлена зміною пружних сил гвинтової пружини внаслідок її деформації. Коли підіймальна сила стане рівною за своїм значенням протидіючій силі, то дзвін, який перемістився на висоту , займе нове положення рівноваги.

Рівняння, що визначає новий стан рівноваги дзвону, а разом з цим і встановлює залежність між вимірюваною різницею тисків і значенням , матиме вигляд:

, (2.29)

або з урахуванням рівняння (1.28)

, (2.30)

де – внутрішня площа дзвону, м².

Із рівняння (2.30) випливає, що для ЗВТ з тонкостінним дзвоном значення не залежить від густини замкової рідини, а густину визначає той максимальний перепад hgr_p, який може бути виміряний цим ЗВТ. Таким чином, при застосуванні дзвонового дифманометра цього типу найбільший вимірюваний ним перепад тиску можна прийняти рівним граничному номінальному перепаду тиску ЗВТ.

Рівняння, що визначає чутливість дифманометрів даного типу, має вигляд:

. (2.31)

Отже, змінюючи жорсткість пружини і внутрішню площу дзвона, можна змінювати чутливість ЗВТ, а відповідно, і верхню границю вимірювання.

На рис.2.6 наведена будова дзвонового дифманометра, який випускається на підприємстві ВАТ „Івано-Франківський завод „Промприлад”[47]. Тонкостінний стальний дзвін 3, який підвішений на розтягнутій гвинтовій пружині 5, занурений у замкову рідину, що знаходиться у корпусі 4.

Рисунок 2.6 – Будова дзвонового дифманометра типу ДКО

У нижній частині дзвону для підвищення його стійкості закріплена кільцева вага 10. Вимірювану різницю тисків до дзвону підводять за допомогою з’єднувальних трубок 1 та 6 із запірними вентилями, при цьому більший тиск Р₁ з трубки 1 через трубку 2 подається у простір під дзвоном, а менший Р₂ - з трубки 6 через трубку 12 у простір над дзвоном.

Під дією вимірюваної різниці тисків дзвін пересувається і разом з ним пересувається всередині розділювальної трубки 8 шток 7 осердя 11 дифтрансформаторного перетворювача 9, що приводить до зміни взаємної індуктивності між первинною та вторинною обмотками перетворювача та зміни вихідного сигналу, який вимірює вторинний перетворювач.

Дифманометри типу ДКО випускають з верхньою границею вимірювання різниці тисків від 100 до 1000 Па та класом точності 1.

Харківський завод КВП випускає аналогічні за принципом дії, але з деякими відмінностями у конструкції, дзвонові дифманометри типу ДКОФМ з вихідним феродинамічним перетворювачем. Границі вимірюваної різниці тисків становлять від 40 до 400 Па, клас точності 2,5 та 4 [47].

Кільцеві дифманометрипризначені для вимірювання малого тиску, розріджень і різниці тиску.

1 – кільце; 2 – перегородка; 3 – опора; 4 і 5 – підвідні трубки;

6 – вантаж.

Рисунок 2.7 – Схема кільцевого приладу

На рис.2.7 показана схема кільцевого приладу у вигляді порожнистого замкнутого кільця 1, розділеного вгорі перегородкою 2. Кільце підвішене за допомогою ножової опори у геометричному центрі 3. З обох боків перегородки у кільце входять трубки 4, 5, що служать для з'єднання порожнин кільця з порожниною, в якій вимірюється тиск або розрідження. До нижньої частини кільця прикріплений вантаж 6. Порожнина кільця до половини заповнена рідиною (водою, маслом, ртуттю).

При з'єднанні обох порожнин кільця з порожнинами, у яких тиск рівний p₁ і p₂ (причому p₁>p₂), рівень рідини у лівій половині кільця знизиться, а у правій відповідно підвищиться; різниця рівнів буде пропорційна різниці тиску p₁-p₂=hrg. В той же час сила від різниці тиску p₁-p₂, діюча на перегородку, створює обертаючий момент

, (2.32)

де S – площа перегородки;

r – середній радіус кільця.

Під дією цього моменту кільце повертається навколо точки опори за годинниковою стрілкою. Поворот кільця створює протидіючий момент:

, (2.33)

де G – сила тяжіння вантажу;

а – відстань центру тяжіння вантажу від точки опори;

j – кут повороту кільця.

При урівноваженні обох моментів кільце зупиниться у новому положенні рівноваги (Mр = MG):

(2.34)

Оскільки сила тяжіння вантажу і геометричні розміри кільця є постійними величинами, то рівняння (2.32) можна представити у виді:

, (2.35)

Вимірюваний тиск (або різниця тиску) буде пропорційним синусу кута повороту кільця. Внаслідок цього шкала приладу буде нерівномірною. Крім того, з конструктивних міркувань кут повороту кільця не можна зробити більшим за 60°, що обмежує довжину шкали при безпосередньому з'єднанні кільця із показуючою стрілкою. Для збільшення довжини шкали між стрілкою приладу і кільцем вводять передачу, що збільшує переміщення стрілки і одночасно вирівнює шкалу приладу [35].

Кут повороту кільця визначають з формули (2.34), попередньо підставивши в неї значення моментів і з рівнянь (2.32) і (2.33) відповідно:

, (2.36)

де - параметр ЗВТ, його стала.

Кут повороту кільця залежить від ваги G і вимірюваного перепаду тиску DР і не залежить від густини рідини r і густини середовища r_с , що знаходиться над ним. Зважаючи також на те, що геометричні розміри кільця та маса вантажу постійні, значення кута повороту кільця буде визначати значення вимірюваного тиску.

Верхня межа вимірювання таких ЗВТ визначається розмірами кільця і густиною робочого середовища. Для зміни меж вимірювання у них застосовуються змінні вантажі G.

Залежність (2.36) є нелінійною, що призводить до нерівномірності шкали дифманометра. Тому у промислових конструкціях дифманометрів застосовують спеціальні лінеаризуючі лекальні пристрої.

Харківський завод КВП випускає кільцеві дифманометри типу ДК-Ф з границями вимірювання різниці тисків 400, 630, 1000 та 1600 Па.Дифманометри мають місцеву шкалу і обладнані вихідним феродинамічним перетворювачем для передавання показів до вторинного перетворювача. Дифманометри можна використовувати у якості тягомірів, напоромірів, тягонапоромірів та дифманометрів-витратомірів.

Клас точності кільцевих дифманометрів – 1,5.

Прилади кільцевого типу виготовляються показуючими, показуючо-самописними і з дистанційною передачею показів. Найбільша можлива величина верхньої межі вимірювання визначається головним чином розмірами кільця і густиною рідини затвора та зазвичай становить 0,033325МН/м² (250мм рт. ст.) для приладів з ртутним заповненням і 2,425 кН/м² (250 мм вод. ст.) для приладів з водяним або масляним заповненням. Зміна меж вимірювання здійснюється зміною зрівноважуючого вантажу.

Прилади з водяним і масляним заповненням призначаються для роботи при надлишковому тиску до 0,049 МН/м² (0,5 кгс/см2); прилади з ртутним заповненням - до 0,98 - 9,80 МН/м² (10 - 100 кгс/см²). Основна похибка кільцевих приладів не перевищує 1,1 - 1,5% верхньої межі вимірювання.

У приладах низького тиску вимірюване середовище підводиться за допомогою гумових трубок, що створюють дуже невеликий протидіючий момент, значенням якого можна нехтувати. У приладах середнього тиску вимірюване середовище підводиться через бронзові або металеві трубки, витки яких направлені протилежно. Зусилля, що виникають у спіралях при повороті кільця, діють в різні боки і взаємно зрівноважуються.

Переваги кільцевих приладів перед поплавковими і дзвоновими полягають у відсутності ущільнювачів у передавальному механізмі (що особливо важливе для приладів високого тиску) і незалежності чутливості приладу від змін густини робочої рідини і середовища над нею.

До недоліку кільцевих приладів можна віднести наявність трубок, що підводять тиск, які можуть вносити похибки у вимірювання.