2. Прилади для вимірювання тиску

Прилади для вимірювання тиску класифікуються:

І. За призначенням:

а) прилади для вимірювання атмосферного тиску — барометри;

б) прилади для вимірювання надлишкового тиску — манометри;

в) прилади для вимірювання вакуумметричного тиску — вакуумметри;

г) прилади для вимірювання як надлишкового, так і вакуум- метричного тисків — мановакуумметри;

д) прилади для вимірювання різниці тисків — диференціальні манометри;

е) прилади для вимірювання малих надлишкових та вакуумметричних тисків — мікроманометри та мікровакуумметри.

ІІ. За класом точності.

В залежності від класу точності (величини похибки, що віднесена до діапазону вимірювання, вираженої у відсотках) і відповідного використання, прилади розділяють на зразкові ( ), контрольні ( ) та робочі ( ).

ІІІ. За принципом дії:

а) механічні; б) рідинні; в) поршневі; г) електричні та електромагнітні.

Механічні прилади (манометри, вакуумметри, мановакуумметри) розділяють на пружинні (трубчасті) та мембранні (рис.2). Робочим (чутливим) елементом трубчастого приладу (рис.2,а) є дугоподібна металева порожниста трубка (А – одновиткова «пружина Бурдона»), один кінець якої (В) закритий і через передаючий механізм з’єднується зі стрілкою приладу, а другий, відкритий, приєднується нерухомо до корпусу приладу й сприймає тиск, який вимірюється. Під дією надлишкового або вакуумметричного тиску трубка деформується, рух вільного кінця трубки передається до стрілки, яка відхиляється та указує величину тиску на шкалі приладу. Ці прилади найбільш поширені в техніці завдяки широким межам вимірювання тисків (аж до тисяч МПа), невеликим розмірам, простоті, надійності в роботі та зручності використання.

а)

б)

Рис. 2

Робочим елементом мембранного приладу (рис.2,б) є пружня мембрана, затиснута між фланцями корпусу. Деформація мембрани, пропорційна підведеному тиску (перепаду тисків), через шток і механізм передачі руху передається до стрілки, яка відхиляється, указуючи величину тиску на шкалі приладу. Ці прилади мають обмежену верхню границю діапазону вимірювань (не більше 3-5МПа), тому є менш поширеними в техніці.

Рідинні прилади розділяють на п’єзометри, П- та U-подібні диференціальні манометри, мікроманометри (мікровакуумметри).

П’єзометр є найпростішим рідинним приладом. Він являє собою скляну трубку, розміщену вертикально (рис. 3).

Рис. 3

Нижній кінець трубки з’єднується з об’ємом, у якому вимірюється тиск, а верхній кінець відкритий для атмосфери. Поряд з трубкою встановлюється шкала, по якій фіксується висота підйому краплинної рідини, пропорційна величині тиску, що вимірюється. Рис. 3 відповідає випадку, коли абсолютний тиск на вільну поверхню рідини в посудині р₀ > р_атм. На підставі основного рівняння гідростатики і виходячи з умови балансу тисків, що забезпечує рівновагу рідини в системі, знаходимо абсолютний та надлишковий тиски в точці приєднання п’єзометра:

; . (2)

Абсолютний та манометричний тиски на вільну поверхню складають

; . (3)

Відповідні величини тисків для випадку р₀ < р_атм також можна визначити за допомогою рівнянь балансу тисків рідини в посудині та в п’єзометрі (спробуйте це зробити самостійно).

Висока точність вимірювань спричиняє використання п’єзометрів при лабораторних дослідженнях. Недоліком п’єзометрів є обмежена величина вимірюваних тисків та неможливість використання їх для вимірювань тиску в газі.

Два п’єзометри, у верхній частині з’єднані між собою, утворюють

П-подібний диференціальний манометр для вимірювань перепадів тиску.

U-подібні диференціальні манометри мають два з’єднаних між собою у нижній частині скляних коліна, що утворюють сполучені посудини, наполовину заповнені робочою рідиною (густина робочої рідини має бути більшою за густину рідини, у якої здійснюється вимірювання тиску). В якості робочої рідини може використовуватися вода, спирт, ртуть, бромоформ тощо. Диференціальний манометр обладнано шкалою, на якій фіксується різниця стовпчиків робочої рідини, пропорційна вимірюваному тиску. На рис. 4 одне коліно приладу з’єднується з повітряним об’ємом над вільною поверхнею рідини в посудині, а друге — з атмосферою.

Рис. 4

Якщо і відповідно є густини робочої рідини в дифманометрі та повітря над вільною поверхнею рідини в посудині, то маємо баланс тисків

,

де — абсолютний тиск повітря у місці підключення дифманометра.

Звідси манометричний тиск повітря буде

,

або, вважаючи, що , отримаємо

.

U-подібною трубкою можна вимірювати й вакуумметричний тиск, наприклад, на вільній поверхні рідини в посудині у випадку, зображеному на рис. 5: ( – густина повітря).

Рис. 5

Більш зручним для користування є чашковий прилад (рис. 6).

В ньому одне коліно U-подібної трубки замінено чашкою, причому за нуль шкали приймається рівень робочої рідини у чашці, який при великій різниці діаметрів чашки й трубки можна вважати незмінним. Отже, при вимірюванні маємо фіксувати лише рівень рідини в трубці. Манометричний тиск на вільній поверхні рідини у посудині становитиме ,

де — густина робочої рідини в трубці.

Диференціальний манометр може приєднуватися до двох об’ємів, різниця тисків у яких вимірюється (рис. 7). Якщо об’єми заповнені різними рідинами, то різниця тисків буде дорівнювати

.

Рис. 6

Рис. 7

В мікроманометрах (мікровакуумметрах) вертикальну трубку змінено на похилу з можливістю установки різних кутів нахилу (рис. 8). При цьому малі величини висоти вертикального стовпчика рідини, що відповідають малим вимірювальним тискам, виражаються через значно більші довжини рідкого стовпчика в трубці. Для наведеного на рис. 8 випадку надлишковий тиск на поверхні рідини у чашці дорівнює

.

Рис. 8

Атмосферний тиск може бути підведеним до чашки, а вакуумметричний — до похилої трубки. Відповідно отримаємо мікровакуумметр. Таким чином, принципово мікроманометр не відрізняється від мікровакуумметра.

Поршневі прилади вимірюють тиск за допомогою навантаженого відомою силою поршня, який може переміщуватися в циліндрі, що заповнений маслом, до досягнення стану рівноваги системи.

Принцип роботи електричних приладів може базуватися на пропорційності між величиною автоматично вимірюваного електричного опору провідників і величиною вимірюваного тиску. Наприклад, тиск (перепад тисків) сприймає чутливий елемент дротяного датчика опору, що включений у мостову або потенціометричну схему. Виникаючий сигнал непогодження підсилюється та подається на вторинний прилад, який і фіксує значення вимірювального тиску. Сигнали непогодження також виникають у вимірювальних системах типу «датчик — вторинний прилад» при використанні п’єзоелектричних та ємнісних датчиків. В електромагнітних приладах застосовуються індукційні датчики тиску.