Princip činnosti zařízení pro použití kapalinových tlakoměrů. Zařízení kapalinových tlakoměrů. Tlak, který může měřit tlakoměr
Kapalinový teploměr je zařízení pro měření teploty technologických procesů pomocí kapaliny, která reaguje na změny teploty. Kapalinové teploměry jsou dobře známé každému v každodenním životě: pro měření pokojová teplota nebo teplotu lidského těla.
Kapalinové teploměry se skládají z pěti hlavních částí, kterými jsou: teploměrová kulička, kapalina, kapilára, bypassová komora a stupnice.
Teploměrová koule je část, kde je umístěna kapalina. Kapalina reaguje na změny teploty stoupáním nebo klesáním kapilárou. Kapilární trubice je úzký válec, kterým se pohybuje kapalina. Často je kapilára vybavena obtokovou komorou, což je dutina, do které proudí přebytečná kapalina. Pokud není obtoková komora, jakmile je kapilára naplněna, vytvoří se dostatečný tlak na zničení trubice, pokud bude teplota dále stoupat. Stupnice je součástí kapalinový teploměr, pomocí kterého se odečítají. Stupnice je kalibrována ve stupních. Stupnice může být upevněna na kapiláru nebo může být pohyblivá. Pohyblivé měřítko umožňuje jeho nastavení.
Princip činnosti kapalinového teploměru
Princip činnosti kapalinových teploměrů je založen na schopnosti kapalin stlačovat se a expandovat. Když se kapalina zahřívá, obvykle expanduje; Kapalina v baňce teploměru expanduje a pohybuje se kapilární trubicí nahoru, čímž indikuje zvýšení teploty. Naopak, když se kapalina ochladí, obvykle se smrští; kapalina v kapilární trubici kapalinového teploměru klesá a tím indikuje pokles teploty. V případě, že dojde ke změně měřené teploty látky, dochází k přenosu tepla: nejprve z látky, jejíž teplota je měřena, do kuličky teploměru a poté z kuličky do kapaliny. Kapalina reaguje na změny teploty pohybem kapiláry nahoru nebo dolů.
Typ kapaliny použité v kapalinovém teploměru závisí na rozsahu teplot, které teploměr měří.
Rtuť, -39-600 °C (-38-1100 °F);
Slitiny rtuti, -60-120 °C (-76-250 °F);
Alkohol, -80-100 °C (-112-212 °F).
Částečné ponorné kapalinové teploměry
Mnoho kapalinových teploměrů je navrženo k zavěšení na stěnu, přičemž celý povrch teploměru je v kontaktu s látkou, jejíž teplota je měřena. Některé typy průmyslových a laboratorních teploměrů kapalin jsou však navrženy a kalibrovány pro ponoření do kapaliny.
Z takto používaných teploměrů jsou nejpoužívanější částečně ponorné teploměry. Chcete-li získat přesný údaj s částečně ponorným teploměrem, ponořte žárovku a kapiláru pouze do této rysky.
Částečné ponorné teploměry jsou ponořeny po značku, aby se kompenzovaly změny okolní teploty, které mohou ovlivnit kapalinu uvnitř kapiláry. Pokud jsou změny okolní teploty (změny teploty vzduchu v okolí teploměru) pravděpodobné, mohou způsobit expanzi nebo kontrakci kapaliny uvnitř kapiláry. V důsledku toho budou odečty ovlivněny nejen teplotou měřené látky, ale také teplotou okolního vzduchu. Ponořením kapiláry k vyznačené rysce se odstraní vliv okolní teploty na přesnost odečtů.
V podmínkách průmyslová produkceČasto je nutné měřit teploty látek procházejících potrubím nebo obsažených v nádobách. Měření teploty za těchto podmínek vytváří pro obsluhu přístroje dva problémy: jak měřit teplotu látky, pokud k této látce nebo kapalině není přímý přístup, a jak vyjmout kapalinový teploměr za účelem kontroly, testování nebo výměny bez zastavení. technologický postup. Oba tyto problémy jsou eliminovány, pokud jsou pro vkládání teploměrů použity měřicí kanály.
Měřicí kanál pro vložení teploměru je kanál ve tvaru trubky, který je na jednom konci uzavřený a na druhém otevřený. Měřicí kanál je navržen tak, aby pojal kuličku kapalinového teploměru a chránil ji tak před látkami, které mohou způsobit korozi, toxickými látkami nebo pod. vysoký tlak. Při použití měřicích kanálů pro vložení teploměrů dochází k výměně tepla ve formě nepřímého kontaktu (přes měřicí kanál) látky, jejíž teplota je měřena, a teploměrové kuličky. Měřící kanály jsou těsnění pro vysoký krevní tlak a zabránit úniku kapaliny, jejíž teplota se měří.
Měřící kanály jsou vyrobeny standardní velikosti, takže je lze použít s různými typy teploměrů. Když je teploměr instalován v měřicím kanálu, jeho kulička je vložena do kanálu a na horní straně teploměru je našroubována matice pro zajištění teploměru.
Princip činnosti je založen na vyrovnávání naměřeného tlaku nebo tlakového rozdílu tlakem sloupce kapaliny. Mají jednoduchý design a vysokou přesnost měření a jsou široce používány jako laboratorní a kalibrační přístroje. Tlakoměry kapalin se dělí na: tvar U, zvon a prsten.
ve tvaru U. Princip fungování je založen na zákonu komunikujících nádob. Dodávají se ve dvoutrubkových (1) a jednotrubkových miskách (2).
1) jsou skleněná trubice 1 upevněná na desce 3 se stupnicí a naplněná bariérovou kapalinou 2. Rozdíl hladin v kolenech je úměrný naměřené tlakové ztrátě. “-” 1. série chyb: v důsledku nepřesnosti měření polohy menisku, změny T okolí. prostředí, kapilární jevy (eliminuje zavedením korekcí). 2. potřeba dvou odečtů, což vede ke zvýšení chybovosti.
2) rep. je modifikací dvoutrubkových, ale jedno koleno je nahrazeno širokou nádobou (hrnkem). Pod vlivem přetlaku se hladina kapaliny v nádobě snižuje a v trubici zvyšuje.
Plovák ve tvaru U Diferenční tlakoměry jsou v principu podobné jako hrnkové, ale k měření tlaku využívají pohyb plováku umístěného v kelímku při změně hladiny kapaliny. Pomocí převodového zařízení se pohyb plováku převádí na pohyb indikační šipky. „+“ široký rozsah měření. Princip fungování kapalina manometry vycházejí z Pascalova zákona - naměřený tlak je vyvážen hmotností kolony pracovní kapalina: P = ρgh. Skládá se z rezervoáru a kapiláry. Používanými pracovními kapalinami jsou destilovaná voda, rtuť, ethanol. Používají se pro měření malých přetlaků a vakua, barometrického tlaku. Jsou jednoduchého designu, ale nedochází k dálkovému přenosu dat.
Někdy je pro zvýšení citlivosti kapilára umístěna pod určitým úhlem k horizontu. Pak: P = ρgL Sinα.
V deformace manometry se používají k potlačení elastické deformace snímacího prvku (SE) nebo jím vyvinuté síly. Existují tři hlavní formy SE, které se rozšířily v praxi měření: trubkové pružiny, vlnovce a membrány.
Trubková pružina(průměrná pružina, Bourdonova trubka) - elastická kovová trubka, jejíž jeden konec je utěsněn a má schopnost pohybu a druhý je pevně upevněn. Trubkové pružiny se používají hlavně k převodu naměřeného tlaku aplikovaného na vnitřní prostor pružiny, do proporcionálního pohybu jejího volného konce.
Nejběžnější je jednootáčková trubková pružina, což je trubka zahnutá o 270° s oválným nebo eliptickým průřezem. Vlivem přiváděného přetlaku se trubice odvíjí a vlivem podtlaku se kroutí. Tento směr pohybu trubky se vysvětluje tím, že pod vlivem vnitřního přetlaku se vedlejší osa elipsy zvětšuje, zatímco délka trubky zůstává konstantní.
Hlavní nevýhodou uvažovaných pružin je jejich malý úhel natočení, což vyžaduje použití převodových mechanismů. S jejich pomocí se posunutí volného konce trubkové pružiny o několik stupňů nebo milimetrů převede na úhlový pohyb šípu o 270 - 300°.
Výhodou je statická charakteristika blízká lineární. Hlavní aplikací jsou indikační přístroje. Rozsahy měření tlakoměrů od 0 do 10 3 MPa; vakuometry - od 0,1 do 0 MPa. Třídy přesnosti přístroje: od 0,15 (příkladná) do 4.
Trubkové pružiny jsou vyrobeny z mosazi, bronzu, z nerezové oceli.
Měchy. Měch je tenkostěnný kovový pohár s příčným zvlněním. Dno sklenice se pohybuje pod tlakem nebo silou.
V rámci linearity statických charakteristik vlnovce zůstává poměr síly na něj působící a jím způsobené deformace konstantní. a nazývá se tuhost měchu. Měchy jsou vyrobeny z bronzu různé značky, uhlíková ocel, nerez, hliníkové slitiny atd. Sériově jsou vyráběny vlnovce o průměru 8–10 až 80–100 mm a síle stěny 0,1–0,3 mm.
Membrány. Existují elastické a elastické membrány. Elastická membrána je flexibilní kulatá plochá nebo vlnitá deska, která se může ohnout pod tlakem.
Statická charakteristika plochých membrán se mění nelineárně s rostoucím. tlak, proto je jako pracovní plocha využita malá část možného zdvihu. Vlnité membrány lze použít pro větší průhyby než ploché, protože mají výrazně menší nelinearitu charakteristik. Membrány jsou vyrobeny z různých druhů oceli: bronz, mosaz atd.
Kapitola 2. MANOMETY KAPALINY
Otázky zásobování vodou pro lidstvo byly vždy velmi důležité a nabyly zvláštního významu s rozvojem měst a se vznikem různé typy Výroba Zároveň se stále naléhavěji stával problém měření tlaku vody, tedy tlaku nutného nejen k zajištění dodávky vody vodovodním systémem, ale také k provozu různých mechanismů. Pocta objevitele patří největšímu italskému umělci a vědci Leonardu da Vinci (1452-1519), který jako první použil piezometrickou trubici k měření tlaku vody v potrubí. Bohužel jeho dílo „O pohybu a měření vody“ vyšlo až v 19. století. Proto se obecně uznává, že první kapalinový tlakoměr vytvořili v roce 1643 italští vědci Torricelli a Viviai, studenti Galilea Galileiho, kteří při studiu vlastností rtuti umístěné v trubici zjistili existenci atmosférický tlak. Tak se zrodil rtuťový barometr. Během následujících 10-15 let byly ve Francii (B. Pascal a R. Descartes) a Německu (O. Guericke) vytvořeny různé typy kapalinových barometrů, včetně těch s vodní náplní. V roce 1652 O. Guericke demonstroval tíhu atmosféry spektakulárním experimentem s evakuovanými polokoulemi, které nemohly oddělit dvě spřežení koní (slavné „magdeburské polokoule“).
Další rozvoj vědy a techniky vedl ke vzniku velkého množství kapalinových tlakoměrů různých typů, které se dodnes používají v mnoha průmyslových odvětvích: meteorologie, letectví a elektrická vakuová technika, geodézie a geologický průzkum, fyzika a metrologie, geodézie a geologický průzkum, fyzika a metrologie, měřiče tlaku a měřiče tlaku. atd. Vzhledem k řadě specifik principiálního působení kapalinových tlakoměrů je však jejich měrná hmotnost ve srovnání s tlakoměry jiných typů poměrně malá a v budoucnu se bude pravděpodobně dále snižovat. Přesto jsou pro obzvláště vysoce přesná měření v tlakové oblasti blízké atmosférickému tlaku stále nepostradatelná. Kapalinové tlakoměry neztratily svůj význam v řadě dalších oblastí (mikromanometrie, barometrie, meteorologie, fyzikální a technický výzkum).
2.1. Hlavní typy kapalinových tlakoměrů a principy jejich činnosti
Princip činnosti kapalinových tlakoměrů lze ilustrovat na příkladu kapalinového tlakoměru ve tvaru U (obr. 4, a ), sestávající ze dvou vzájemně propojených vertikálních trubek 1 a 2,
z poloviny naplněné tekutinou. V souladu se zákony hydrostatiky se stejnými tlaky R já a p 2 volné povrchy kapaliny (menisky) v obou zkumavkách budou nastaveny na úroveň I-I. Pokud jeden z tlaků převyšuje druhý (R\ > p 2), pak rozdíl tlaků způsobí pokles hladiny kapaliny v trubici 1 a v souladu s tím stoupat v trubici 2, dokud není dosaženo rovnovážného stavu. Přitom na úrovni
Rovnováha II-P má tvar
Ap=pi -р 2 =Н Р "g, (2.1)
tj. tlakový rozdíl je určen tlakem sloupce kapaliny s výškou N s hustotou p.
Rovnice (1.6) z hlediska měření tlaku je zásadní, protože tlak je nakonec určen základními fyzikálními veličinami - hmotností, délkou a časem. Tato rovnice platí pro všechny typy kapalinových tlakoměrů bez výjimky. Z toho vyplývá definice, že měřič tlaku kapaliny je měřič tlaku, ve kterém je měřený tlak vyvažován tlakem sloupce kapaliny vytvořeného pod vlivem tohoto tlaku. Je důležité zdůraznit, že měření tlaku v kapalinových manometrech je
výška tabulky kapaliny, byla to tato okolnost, která vedla ke vzniku jednotek měření tlaku mm vody. Art., mm Hg. Umění. a další, které přirozeně vyplývají z principu činnosti kapalinových tlakoměrů.
Hrníčkový kapalinový manometr (obr. 4, b) sestává z pohárků navzájem spojených 1 a vertikální trubice 2, a oblast průřez pohárky jsou výrazně větší než tuby. Tedy pod vlivem tlakového rozdílu Ar Změna hladiny kapaliny v šálku je mnohem menší než nárůst hladiny kapaliny v trubici: N\ = N g f/F, Kde N ! - změna hladiny tekutiny v šálku; H 2 - změna hladiny kapaliny v trubici; / - plocha průřezu trubky; F - plocha průřezu šálku.
Odtud výška sloupce kapaliny vyvažující měřený tlak N - N x + H 2 = # 2 (1 + f/F), a naměřený tlakový rozdíl
Pi - Pr = H 2 p?-(1 + f/F ). (2.2)
Tedy se známým koeficientem k= 1 + f/F rozdíl tlaků lze určit změnou hladiny kapaliny v jedné trubici, což zjednodušuje proces měření.
Tlakoměr s dvojitým hrnkem (obr. 4, PROTI) se skládá ze dvou šálků spojených pomocí flexibilní hadice 1 a 2, z nichž jeden je pevně upevněn a druhý se může pohybovat ve vertikálním směru. Při stejných tlacích R\ A p 2 pohárky, a proto jsou volné povrchy kapaliny na stejné úrovni I-I. Li R\ > R 2 pak šálek 2 stoupá, dokud není dosaženo rovnováhy podle rovnice (2.1).
Jednota principu činnosti kapalinových tlakoměrů všech typů určuje jejich všestrannost z hlediska schopnosti měřit tlak jakéhokoli typu - absolutního i manometrického a diferenčního tlaku.
Absolutní tlak bude měřen, pokud p 2 = 0, tj. když je prostor nad hladinou kapaliny v trubici 2 vypumpovaný. Poté sloupec kapaliny v manometru vyrovná absolutní tlak v trubici
i,T.e.p a6c =tf р G.
Při měření přetlaku jedna z trubic komunikuje s atmosférickým tlakem, např. p 2 = p tsh. Pokud je absolutní tlak v trubici 1 více než atmosférický tlak (R i >р аТ m)> pak podle (1.6) sloupec kapaliny ve zkumavce 2 vyrovná přetlak v trubici 1 } tj. p a = N R G: Pokud naopak p x < р атм, то столб жидкости в трубке 1 bude mírou podtlaku p a = -N R G.
Při měření rozdílu mezi dvěma tlaky, z nichž každý není roven atmosférickému tlaku, má rovnice měření tvar Ar=p\ - p2- = N - R "g. Stejně jako v předchozím případě může rozdíl nabývat kladných i záporných hodnot.
Důležitou metrologickou charakteristikou tlakoměrů je citlivost měřicího systému, která do značné míry určuje přesnost měření a setrvačnost. U tlakoměrů se citlivostí rozumí poměr změny odečtu přístroje ke změně tlaku, která ji způsobila (u = AN/Ar) . V obecný případ když citlivost není konstantní v celém rozsahu měření
n = lim at Ar -*¦ 0, (2.3)
Kde AN - změna údajů na tlakoměru kapaliny; Ar - odpovídající změna tlaku.
Vezmeme-li v úvahu rovnice měření, získáme: citlivost manometru ve tvaru U nebo dvou kelímků (viz obr. 4, a a 4, c)
n =(2A ' a ~>
citlivost tlakoměru pohárku (viz obr. 4, b)
R-gy \llF) ¦ (2 " 4 ’ 6)
Zpravidla pro hrnkové tlakoměry F "/, proto je pokles jejich citlivosti oproti tlakoměru ve tvaru U nevýznamný.
Z rovnic (2.4, A ) a (2.4, b) vyplývá, že citlivost je zcela určena hustotou kapaliny R, plnění měřicího systému zařízení. Ale na druhou stranu hodnota hustoty kapaliny podle (1.6) určuje rozsah měření tlakoměru: čím větší je, tím větší je horní mez měření. Relativní hodnota chyby čtení tedy nezávisí na hodnotě hustoty. Pro zvýšení citlivosti, a tím i přesnosti, bylo proto vyvinuto velké množství čtecích zařízení založených na různých provozních principech, počínaje fixací polohy hladiny kapaliny vůči stupnici tlakoměru okem (chyba odečítání asi 1 mm ) a končící použitím přesných interferenčních metod (chyba čtení 0,1-0,2 mikronů). Některé z těchto metod naleznete níže.
Rozsahy měření kapalinových tlakoměrů podle (1.6) jsou určeny výškou sloupce kapaliny, tj. rozměry tlakoměru a hustotou kapaliny. Nejtěžší kapalinou v současnosti je rtuť, jejíž hustota je p = 1,35951 10 4 kg/m 3 . Sloupec rtuti vysoký 1 m vyvine tlak asi 136 kPa, tj. tlak, který není o mnoho vyšší než atmosférický tlak. Při měření tlaků řádově 1 MPa jsou proto rozměry tlakoměru na výšku srovnatelné s výškou třípodlažní budovy, což představuje značné provozní nepohodlí, nemluvě o nadměrné objemnosti konstrukce. Přesto byly učiněny pokusy vytvořit manometry s ultravysokým obsahem rtuti. Světový rekord byl stanoven v Paříži, kde na základě návrhů slavných Eiffelova věž byl instalován tlakoměr s výškou rtuťového sloupce cca 250 m, což odpovídá 34 MPa. V současné době je tento tlakoměr demontován z důvodu jeho marnosti. Rtuťový manometr Fyzikálního ústavu Spolkové republiky Německo, unikátní svými metrologickými vlastnostmi, je však nadále v provozu. Tento manometr, instalovaný v iO-story věži, má horní limit měření 10 MPa s chybou menší než 0,005 %. Naprostá většina rtuťových manometrů má horní limity řádově 120 kPa a jen výjimečně až 350 kPa. Při měření relativně malých tlaků (do 10-20 kPa) se měřicí systém kapalinových tlakoměrů plní vodou, lihem a jinými lehkými kapalinami. V tomto případě jsou rozsahy měření obvykle do 1-2,5 kPa (mikromanometry). Pro ještě nižší tlaky byly vyvinuty metody pro zvýšení citlivosti bez použití složitých snímacích zařízení.
Mikromanometr (obr. 5), sestává z misky já, který je připojen k trubce 2, instalované pod úhlem A na horizontální úroveň
Já-já. Pokud, se stejnými tlaky pí A p 2 povrchy kapaliny v kalíšku a zkumavce byly na úrovni I-I, pak nárůst tlaku v kalíšku (R 1 > Pr) způsobí snížení hladiny kapaliny v nádobce a její vzestup v trubici. V tomto případě výška sloupce kapaliny H 2 a jeho délka podél osy trubky L 2 bude souviset vztahem H2=L2 hřích a.
Vezmeme-li v úvahu rovnici kontinuity tekutiny H, F = b 2 /, není obtížné získat rovnici měření mikromanometrem
p t -р 2 = Н p"g = L2 r h (sina + -), (2,5)
Kde b 2 - pohyb hladiny kapaliny v trubici podél její osy; A - úhel sklonu trubky k horizontále; ostatní označení jsou stejná.
Z rovnice (2.5) vyplývá, že pro hřích A « 1 a f/F „1 pohyb hladiny kapaliny v trubici bude mnohonásobně větší než výška sloupce kapaliny potřebná k vyrovnání měřeného tlaku.
Citlivost mikromanometru se skloněnou trubicí podle (2.5)
Jak je vidět z (2.6), maximální citlivost mikromanometru s horizontálním uspořádáním trubek (a = O)
tj. ve vztahu k plochám kalíšku a trubičky je větší než na Tlakoměr ve tvaru U.
Druhým způsobem zvýšení citlivosti je vyrovnání tlaku sloupcem dvou nemísitelných kapalin. Dvouhrnkový tlakoměr (obr. 6) je naplněn kapalinami tak, aby jejich hranice
Rýže. 6. Dvouhrnkový mikromanometr se dvěma kapalinami (p, > p 2)
sekce byla umístěna ve svislé části trubice přilehlé k misce 2. Když pi = p 2 tlak na úrovni I-I
Ahoj Pi -N 2 R 2 (Pi >P2)
Poté, jak se tlak v šálku zvyšuje 1 rovnice rovnováhy bude mít tvar
Ap=pt -p 2 =D#[(P1 -p 2) +f/F(Pí + Rg)] G, (2.7)
kde px je hustota kapaliny v šálku 7; p 2 - hustota kapaliny v šálku 2.
Zdánlivá hustota sloupce dvou kapalin
Pk = (Pi - P2) + f/F (Pi + Pr) (2,8)
Pokud mají hustoty Pi a p 2 hodnoty blízko sebe, a f/F". 1, pak lze zdánlivou nebo efektivní hustotu snížit na hodnotu p min = f/F (R i + p 2) = 2p x f/F.
ьр r k * %
kde p k je zdánlivá hustota podle (2.8).
Stejně jako dříve, zvýšení citlivosti těmito metodami automaticky snižuje rozsah měření kapalinového manometru, což omezuje jeho použití na oblast micromanometer™. S přihlédnutím také k velké citlivosti uvažovaných metod na vliv teploty při přesných měřeních se zpravidla používají metody založené na přesném měření výšky sloupce kapaliny, což však komplikuje konstrukci tlakoměrů kapaliny.
2.2. Opravy odečtů a chyb kapalinových tlakoměrů
Do měřicích rovnic kapalinových tlakoměrů je nutné v závislosti na jejich přesnosti zavést úpravy, které zohledňují odchylky provozních podmínek od podmínek kalibrace, druh měřeného tlaku a vlastnosti schématu zapojení konkrétních tlakoměrů.
Provozní podmínky jsou určeny teplotou a zrychlením volného pádu v místě měření. Vlivem teploty se mění jak hustota kapaliny sloužící k vyrovnání tlaku, tak i délka stupnice. Tíhové zrychlení v místě měření zpravidla neodpovídá své normální hodnotě akceptované při kalibraci. Proto ten tlak
P=Pp
}
