2.4. Приборы для измерения давления
Для измерения давления в жидкости служат приборы различной конструкции: жидкостные, механические, электрические, комбинированные. Наибольшее распространение получили приборы первых двух типов. И жидкостные, и механические приборы (манометры, вакуумметры или дифференциальные манометры) служат для измерения только избыточного (манометрического) или вакуумметрического давления.
Пъезометр. Самым простым прибором жидкостного типа является пъезометр, рассмотренный ранее. Измерения по пьезометру проводят в единицах длины, поэтому иногда давление выражают в единицах столба определенной жидкости. Рассмотрим схему, изображенную на рис.2.7.
Рис.2.7. Всасывание жидкости поршнем
В трубке, нижний конец которой находится в жидкости, плотно подогнанный поршень постепенно поднимается вверх. Жидкость вслед за поршнем поднимается на некоторую высоту h от свободной поверхности, на которую действует атмосферное давление. Жидкость будет подниматься до тех пор, пока весовое давление столба жидкости не уравновесит атмосферное:
,
откуда
. (2.10)
При нормальном атмосферном давлении высота hmax равна: для воды – 10,33 м; для бензина (ρ = 750 кг/м3 ) – 13,8 м; для ртути – 760 мм. Итак, атмосферное давление, равное 760 мм. рт. ст., соответствует высоте ртутного столба, равном hmax = 760 мм. Подставив это значение в уравнение (2.10) при ρрт = 13600 кг/м3, получим атмосферное давление, равное 1,013· 105 Па. Эта величина называется физической атмосферой и обозначается тремя буквами – атм. Она отличается от технической атмосферы (обозначается двумя буквами - ат), которая составляет 736 мм. рт. ст. (техническая атмосфера равна давлению, возникающему при действии силы в 1кгС на площадь размером 1см2: 1 ат = 1 кгС/см2).
Ртутные манометры. Пьезометр является очень чувствительным и точным прибором, однако он удобен для измерения небольших давлений (1 … 10 кПа); при больших давлениях трубка пьезометра получается чрезмерно длинной. Так, для измерения давления в 1 ат понадобится трубка длиной более 10 м. В этих случаях применяют жидкостные манометры, в которых давление уравновешивается жидкостью бόльшей плотности. Обычно такой жидкостью является ртуть (рис. 2.8). Обозначим давление р0, действующее на свободной поверхности жидкости, как абсолютное давление.
Рис. 2.8. Ртутный манометр
Выберем плоскость А как плоскость уровня. Согласно основному уравнению гидростатики (2.2), абсолютное давление рА по плоскости А:
,
откуда
,
где ρж – плотность жидкости в резервуаре;
ρрт – плотность ртути.
В тех случаях, когда необходимо измерить не давление в резервуаре, а разность давлений в двух резервуарах или в двух точках жидкости в одном и том же резервуаре, применяют дифференциальные манометры (рис.2.9, а).
а) б)
Рис. 2.9. Ртутный манометр:
а) - дифференциальный; б) - вакуумметр
По основному закону гидростатики для плоскости А:
,
откуда разность давлений
.
Для измерения давления вакуума применяют ртутные манометры (вакуумметры), которые принципиально ничем не отличаются от обычных (рис.2.9, б). В этом случае для плоскости А в абсолютной системе измерения давлений (рабс = рат – рвак) давление будет равно:
,
откуда
.
Механические манометры. Для измерения давлений более 0,2…0,3 МПа применяют механические манометры - пружинные или мембранные. Наибόльшее распространение получили пружинные манометры.
а) б)
Рис. 2.10. Манометр:
а) - пружинный; б) - мембранный
Основной частью пружинного манометра (рис. 2.10, а) является чувствительный элемент в виде изогнутой полой эллиптической трубки 1. Один её конец запаян и соединён тягой 2 с механизмом 3, имеющим рычажно – зубчатую передачу с показывающей стрелкой. Другой конец трубки герметично соединён с гидросистемой, где измеряется давление. Под действием давления ризб трубка 1 выпрямляется и приводит в действие рычажный механизм со стрелкой. В зависимости от жёсткости эллиптической трубки зависит диапазон давлений, измеряемый манометром.
Основным элементом мембранного манометра (рис. 2.10, б) является диафрагма 2, закреплённая в корпусе датчика 1 указателя давления масла автомобиля. При увеличении давления под диафрагмой она прогибается, а вместе с ней перемещается по реостату 3 подвижный контакт, изменяя сопротивление. Стрелка указателя закреплена на оси вместе с постоянным магнитом 6, находящимся под действием результирующего поля катушек 5. Для создания магнитного поля катушки подключены к АКБ 4.