Практическая работа № 2

Тема: Измерение гидростатического давления

Цель работы. Приобретение навыков по измерению гидростатического давления жидкостными приборами.

Общие сведения

Гидростатическим давлением называют нормальное сжимающее напряжение в неподвижной жидкости, т. е. силу, действующую на единицу площади поверхности. За единицу измерения давления в международной системе принят паскаль (Па = Н/м²).

Различают абсолютное, атмосферное, манометрическое и вакуумметрическое давления.

Абсолютное (полное) давление р отсчитывается от аб­солютного вакуума. Атмосферное давление р_а создается си­лой тяжести воздуха атмосферы и принимается в обычных условиях равным 101325 Па или 760 мм рт. ст. Избыток дав­ления над атмосферным называют манометрическим (избы­точным) давлением (р_м = р - p_a) , а недостаток до атмосферного давления - вакуумметрическим давлением (р_в = р_а- р).

Приборы для измерения атмосферного давления назвали барометрами, манометрического - манометрами, вакуума - вакуумметрами. По принципу действия и типу рабочего эле­мента приборы подразделяются на жидкостные, механические и электрические.

Жидкостные приборы исторически стали применяться первыми. Их действие основано на принципе уравновешива­ния измеряемого давления р силой тяжести столба жидкости высотой h в приборе:

p = ρgh

где ρ - плотность жидкости;

g— ускорение свободного падения.

Поэтому величина давления может быть выражена высотой столба жидкости h (мм рт. ст., м вод.ст.). Преимуществами жидкостных приборов являются простота конструкции и вы­сокая точность, однако они удобны только при измерении не­больших давлений.

В механических приборах измеряемое давление вызыва­ет деформацию чувствительного элемента (трубка, мембрана, сифон), которая с помощью специальных механизмов пере­дается на указатель. Такие приборы компактны и имеют большой диапазон измеряемых давлений.

В электрических приборах воспринимаемое чувстви­тельным элементом давление преобразуется в электрический сигнал. Сигнал регистрируется показывающим (вольтметр, амперметр) или пишущим (самописец, осциллограф) прибо­рами. В последнем случае можно фиксировать давление при быстро протекающих процессах.

Описание устройства № 2 и жидкостных приборов

Ртутный барометр состоит из вертикальной стеклян­ной трубки с миллиметровой шкалой и закрытым верхним концом, которая заполнена ртутью, и чаши с ртутью, в кото­рую опущена трубка нижним концом. Таким прибором впер­вые было измерено атмосферное давление итальянским уче­ным Э. Торричелли в 1642 г.

Для демонстрации других приборов служит устройство № 2, которое выполнено прозрачным и имеет полость 1, в ко­торой всегда сохраняется атмосферное давление, и резервуар 2, частично заполненный водой (рис. 2, а). Для измерения давления и уровня жидкости в резервуаре 2 служат жидкост­ные приборы 3, 4 и 5. Они представляют собой прозрачные вертикальные каналы со шкалами, размеченными в единицах длины.

Однотрубный манометр (пьезометр) 3 сообщается верхним концом с атмосферой, а нижним - с резервуаром 2. Им определяется манометрическое давление p_м=ρgh_п на дне резервуара.

Уровнемер 4 соединен обоими концами с резервуаром и служит для измерения уровня жидкости Н в нем.

Мановакуумметр 5 представляет собой U- образный канал, частично заполненный жидкостью. Левым коленом он подключен к резервуару 2, а правым - к полости 1 и предна­значен для определения манометрического р_мо = ρgh_м(рис. 2, а) или вакуумметрического р_во = ρgh_в(рис. 2, б) давлений над свободной поверхностью жидкости в резервуаре 2. Давление в резервуаре можно изменять путем накло­на устройства.

При повороте устройства в его плоскости на 180° против часовой стрелки (рис. 2, в) канал 4 остается уровнемером, колено мановакуумметра 5 преобразуется в пьезометр 6, а пьезометр 3 - в вакуумметр (обратный пьезометр) 7, служа­щий для определения вакуума р_во = ρgh_B над свободной по­верхностью жидкости в резервуаре 2.

Рис. 2.- Схема устройства № 2:

1 - полость с атмосферным давлением; 2 - опытный резер­вуар; 3 - пьезометр; 4 - уровнемер; 5 - мановакуумметр; 6 - пьезометр; 7 вакуумметр

Измерение гидростатического давления

Общие сведения

Абсолютное давление в любой точке покоящейся жид­кости определяется по основному уравнению гидростатики

p=p₀+ρgH,

где р₀ - абсолютное давление на свободной поверхности жид­кости;

ρ - плотность жидкости;

Н - глубина погружения точки под свободной поверхно­стью.

В работе вычисляется давление в заданной точке (на­пример, на дне резервуара) через показания различных прибо­ров и затем сравниваются результаты, полученные двумя пу­тями.

Порядок выполнения работы

В резервуаре 2 над жидкостью создать давление вы­ше атмосферного (р_о>р_а), о чем свидетельствуют превышение уровня жидкости в пьезометре 3 над уровнем в резервуаре и прямой перепад уровней в мановакуумметре 5 (рис. 2, а). Для этого устройство поставить на правую сторо­ну, а затем поворотом его против часовой стрелки отлить часть жидкости из левого колена мановакуумметра 5 в резер­вуар 2.

Снять показания пьезометра h_n уровнемера Н и мановакуумметра h_м.

Вычислить абсолютное давление на дне резервуара через показания пьезометра, а затем - через величины, изме­ренные уровнемером и мановакуумметром. Для оценки сопос­тавимости результатов определения давления на дне резер­вуара двумя путями найти относительную погрешность др.

Над свободной поверхностью жидкости в резервуаре 2 создать вакуум (р₀<Р_а), когда уровень жидкости в пьезомет­ре 3 становится ниже, чем в резервуаре, а на мановакуумметре 5 появляется обратный перепад h_в (рис.2, б). Для этого по­ставить устройство на левую сторону, а затем наклоном впра­во отлить часть жидкости из резервуара 2 в левое колено мановакуумметра 5. Далее выполнить операции по п.п. 2 и 3.

Перевернуть устройство против часовой стрелки (рис 2, в) и определить манометрическое или вакуумметрическое давление в заданной преподавателем точке С через по­казания пьезометра 6, а затем с целью проверки найти его че­рез показания обратного пьезометра 7 и уровнемера 4.

В процессе проведения опытов и обработки эксперимен­тальных данных заполнить таблицу 2.1

Таблица 2.1- Экспериментальные данные

Вопросы к отчету

1. Гидростатическое давление -это? Единица измерения давления?

2. Виды давления и их характеристика?

3. Формула для расчета давления?

4. Приборы для измерения давления?

5. Приборы для измерения давления по принципу действия?