2. Жидкостные приборы

Жидкостные приборы получили широкое распространение благодаря простоте исполнения и высокой точности. Величина измеряемого давления находится по формулам гидростатики (5) или (6), a соответствующие высоты – по формулам (7)-(9). На рисунках 2, 3 и 4. показаны некоторые типы жидкостных приборов.

Простейшим жидкостным прибором является пьезометр – прозрачная трубка, одним концом опущенная в исследуемую точку, другим – открытая в атмосферу (рис.2). Избыточное давление в точке A определяется пьезометрической высотой , вакуумметрическое давление в точке B – вакуумметрической высотой :

(12)

Рис. 2. Измерение избыточного и вакуумметрического давлений

c помощью пьезометра

Абсолютное давление в точке A может быть определено по приведенной высоте высоте столба жидкости в запаянной трубке, из которой удален воздух, так что давление на свободной поверхности в ней близко к нулю: .

Тот же принцип использован в приборе, называемом чашечным мановакуумметром (рис.3, формула (12)).

Для измерения разности (перепада) давлений служит 17– образный мановакуумметр (рис. 4). Величина давления также определяется формулами (12).

Для измерения малых избыточных или вакуумметрических давлений применяются приборы со шкалами повышенной точности (в частности, с наклонной шкалой, рис. 5), заполняемые рабочей жидкостью c относительно малой плотностью (например, спиртом) и называемые микроманометрами. Избыточное (вакуумметрическое) давление определяется длиной столба жидкости и углом наклона шкалы : .

Рис. 3. Чашечный мановакуумметр

Рис. 4. U-образный мановакуумметр

Рис. 5. Микроманометр

Жидкостные приборы для измерения давления оказываются весьма полезными при исследовании потоков жидкости. Так, иногда достаточно знать не абсолютные значения давлений, a лишь перепад давлений в некоторых точках. Приборы, основанные на измерении перепада давлений, называются дифференциальными манометрами. Дифференциальный манометр в потоке движущейся жидкости может использоваться как расходомер (рис. 6).

Рис. 6. Дифференциальный манометр

Существенным недостатком жидкостных приборов является узость диапазона измеряемых давлений. Расширить этот диапазон можно, используя несколько последовательно соединенных U – образных манометров. Такой прибор называется батарейным мановакуумметром (рис. 7).

Рис. 7. Батарейный мановакуумметр

Давление воздуха в баке уравновешивается перепадами уровней жидкости в трубках манометра. При этом в разных коленах могут быть залиты разные жидкости. Так, для показаний батарейного мановакyyмметра (рис. 7) расчет манометрического давления в баке определяется суммированием по формуле (6) всех перепадов уровней от открытого конца до присоединения его к резервуару:

. (13)

3. Силы давления жидкости на плоские стенки

Жидкость давит на поверхности деталей конструкции, c которыми она соприкасается. Если конструкция находится на воздухе, то есть под действием атмосферного давления, то при определении силы гидростатического давления обычно оперируют манометрическим давлением или вакуумом, так как атмосферное давление действует на расчетную конструкцию со всех сторон, и поэтому его можно не принимать во внимание.

При определении силы давления используют понятие пьезометрической плоскости или плоскости атмосферного давления. Это горизонтальная плоскость П – П (рис. 8), проходящая через уровень жидкости в пьезометре, присоединенном к сосуду. Поверхность жидкости на уровне пьезометрической плоскости подвергается лишь воздействию атмосферного давления, поэтому . Если сосуд c жидкостью открыт в атмосферу, то пьезометрическая плоскость совпадает со свободной поверхностью жидкости. B случае же герметично закрытого сосуда она может располагаться выше или ниже свободной поверхности в зависимости от давления над свободной поверхностью. Расстояние по вертикали до пьезометрической плоскости определяется соответственно либо пьезометрической высотой по формуле (7), если (позиция 1 на рис.8), либо вакуумметрической высотой по формуле (8), если (позиция 2).

F

1) P_абс>P_атм

2) Р_абс<Р_атм

Рис. 8. Определение силы давления на плоскую стенку

Сила давления жидкости на плоскую стенку, например, на крышку люка (рис. 8) направлена по нормали к стенке, a ее величина равна:

, (14)

где – расстояние до центра тяжести стенки от пьезометрической плоскости.

Это расстояние зависит как от заглубления стенки под свободную поверхность так и от величины внешнего давления.

Для первого случая (см. рис. 8), когда:

.

Для второго случая, когда:

.

Сила давления приложена в центре давления (точка Д). Положение центра давления связано с положением центра тяжести соотношением:

,

где – момент инерции сечения крышки относительно горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести сечения

Для экспериментального измерения силы давления жидкости на стенку может быть использован сильфонный динамометр (рис. 9).

B качестве упругого элемента в динамометре используется сильфон, который представляет собой металлическую тонкостенную камеру с гофрированной боковой поверхностью, способную расширяться и сжиматься при изменении давления жидкости. При этом свободная торцевая плоскость сильфона перемещается параллельно самой себе на величину, пропорциональную величине изменения давления.

Перемещение сильфона может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от того, создается в сосуде избыточное давление или вакуум.

Рис. 9. Сильфонный динамометр

По величине перемещения Δх, отсчитываемого по положению указателя на шкале сильфона, и по гpадуировочной кривой Р(Δх) определяется экспериментальное значение действующей на стенку силы:

, Н, (15)

где – градуировочноя характеристика сильфона, Н/мм;

– перемещение твердой стенки, мм.

Более тщательное определение перемещения сильфона с помощью индикатора часового типа позволит определить искомую силу давления с большей точностью.

Поскольку сосуд изначально залит рабочей жидкостью, то сильфон уже сдеформирован силой . Поэтому с помощью сильфонного динамометра определить можно лишь дополнительное усилие, вызванное изменением давления воздуха в сосуде. Расчетное значение дополнительной силы давления:

для случая

(16)

для случая