Тиск та прилади для його вимірювання

 

 

Мета роботи:

 

1.Ознайомлення з загальними положеннями, одиницями та приладами для вимірювання тиску.

2.Вимірювання надлишкового тиску за допомогою п'єзометра, U – подібного манометра і пружинного манометра.

 

 

1. Загальні положення

Нормальне напруження, що виникає в рідині за рахунок сил прикладених до неї, має назву «гідростатичний тиск» або «напруження гідростатичного тиску»

Розрізняють тиск середній

 

(1.1)

 

і тиск у даній точці, у випадку, ∆S → 0

 

(1.2)

 

Де ∆P – сила гідростатичного тиску

∆S – площа, на яку діє сила.

В міжнародній системі одиниць СІ тиск вимірюється в Паскалях

1Па =1 Н/м²

На підставі того, що ця одиниця дуже мала, в практиці частіше використовують кратні одиниці:

1кПа = 10³ Па; 1МПа = 10⁶ Па

Іноді при розрахунках використовують позасистемну одиницю «бар» що являє собою тиск, який дорівнює 10⁵ Па, а також одиниці системи МКГСС, в якій тиск вимірюється в кгс/м² або кгс/см² (останню ще називають «технічною атмосферою» (ат))

Гідростатичний тиск може вимірюватися також висотою стовпа рідини (ртуті, води, спирту).Між тиском, що виражений в Паскалях і тиском, що виражений висотою стовпа рідини існує залежність

 

P = ρgh,

(1.3)

 

де ρ– питома маса рідини, кг/м³;

g– прискорення вільного падіння, м/с²;

h – висота стовпа рідини,м.

 

Співвідношення між різними одиницями тиску наведені в таблиці

 

Одиниця тиску	Па, Н/м2	бар	мм. вод.ст	мм. рт.ст.	кгс/см2, атм.**	кгс/м2
Па, Н/м2		1∙10-5	0,102	7,5.10-3	1,02.10-5	0,102
бар	1∙105		1,02.104		1,02	1,02.104
мм. вод.ст	9,81	9,81.10-5		7,36.10-2	1∙10-4
мм. рт.ст.	133,3	1,33.10-3	13,6.		1,36.10-3	13,6
кгс/см2 атм.	9,81.104	0,981	1∙104			1∙104
кгс/м2	9,81	9,8.10-5		7,36.10-2	1∙10-4

 

В залежності від вибору початку відліку гідростатичний тиск поділяється на надлишковий і абсолютний.

Надлишковий – це тиск , що перевищує атмосферний. Ще його називають манометричний або робочий тиск. Якщо тиск менше атмосферного, то має місце розрідження (вакуум)

Абсолютний – це тиск, відлік якого проводиться від нуля. Якщо відомі атмосферний тиск Р_а і надлишковий Р_над або вакуум Р_вак, то абсолютний тиск можна визначити за формулами:

 

Рабс = Ра + Рнад

Рабс = Ра – Рвак

(1.4)

 

Для визначення тиску рідини користуються різноманітними приладами, тип і конструкція яких залежать від величини тиску, що вимірюється, а також точністю, яка повинна бути забезпечена.

Точність вимірювання тиску манометрами і вакуумметрами залежить від:

а). правильного вибору приладу (робоча границя вимірювання повинна бути не менше 3/4 від верхньої границі вимірювання при постійному тиску і не менше 2/3 – при змінному тиску вимірюваного середовища);

б). місця установки (прилади слід розміщувати на прямих ділянках трубопроводу);

в). умов експлуатації.

 

 

2. Прилади для вимірювання тиску

 

В залежності від роду вимірюваного тиску прилади для вимірювання можна розділити на:

– манометри надлишкового тиску, що призначені для вимірювання манометричного тиску;

– барометри, що призначені для вимірювання атмосферного тиску;

– вакуумметри, що призначені для вимірювання вакууму;

– мановакуумметри, що призначені для вимірювання як манометричного тиску, так і вакууму;

– диференціальні манометри, що призначені для вимірювання різниці тисків.

За принципом дії і типом робочого органу усі прилади для вимірювання тиску розділяють на рідинні, деформаційні (механічні манометри), електричні, теплові, радіоізотопні та інші. Найбільш розповсюдженими серед них є прилади перших двох груп. Крім того, прилади для вимірювання тиску бувають показуючі, інтегруючі, самописні і, нарешті, вони можуть бути встановлені безпосередньо в місці заміру, або на відстані від нього (дистанційні прилади).

 

 

2.1 Рідинні прилади

 

В рідинних приладах тиск або різниця тисків, що вимірюються, врівноважуються тиском стовпа рідини, висота якого є мірою тиску.

Рідинні прилади конструктивно прості та мають достатньо високу точність, у зв’язку з чим вони широко використовуються в лабораторній практиці і наукових дослідженнях, а деякі з них і у виробничих умовах. Робоча рідина цих приладів не повинна змішуватися з рідиною, тиск якої вимірюється.

До недоліків рідинних приладів слід віднести їх інерційність і великі розміри при вимірюванні високих тисків (більше 0,1 МПа).

На рисунку 1.1 наведені схеми підключення рідинного приладу з видимим рівнем, що являє собою U-подібну трубку, обидва коліна якої мають однакову площу перерізу і заповнені до половини своєї висоти робочою рідиною.

 

 

Рис.1.1

Вимір рівнів у трубках проводиться по осьовій лінії трубки: при увігнутому меніску робочої рідини у трубці – по нижній його частині, при опуклому меніску – по верхній його частині.

Загальна висота стовпа рідини h, буде дорівнювати сумі вимірів, що проводяться по шкалі вище і нижче нульової позначки

 

h = h1 + h2

(1.5)

 

Значення тисків, що вимірюються цими приладами, підраховують за формулами:

манометричний тиск (рис. 1.1, а)

 

Рм = Р – Ра = ρgh – ρ΄gh΄

(1.6)

 

вакуум (рис. 1.1, б)

 

Рв = Ра – Р = ρgh – ρ΄gh΄

(1.7)

 

різниця тисків (рис. 1.1, в)

 

∆Р = Р1 – Р2 = (ρ – ρ΄)gh

(1.8)

 

де ρ – питома маса робочої рідини;

ρ΄ – питома маса рідини, тиск якої вимірюється;

h – загальна висота стовпа рідини в трубках.

У випадку, коли ρ΄ значно менше ρ (наприклад при вимірюванні тиску повітря приладом з водяним наповненням) другим членом в цих рівняннях можна знехтувати у зв’язку з його малим значенням і підраховувати Р_м, Р_в, ∆Р як ρgh.

 

Для вимірювання дуже малих тисків (порядку 100 Па) використовуються мікроманометри. Це рідинні прилади з видимим рівнем, що мають нахилену трубку (рис. 1.2).

 

 

Рис.1.2

 

Мікроманометр складається з широкої металевої посудини 1 і з’єднаної з нею одним кінцем скляної вимірювальної трубки 2 з міліметровою шкалою. Трубка прикріплена під кутом α до горизонталі. Використання нахиленої скляної трубки дозволяє зменшивши кут α, збільшити довжину ℓ рідини у трубці, що підвищує точність вимірювання. Дійсна ж висота стовпа робочої рідини h визначається за формулою

 

,

(1.9)

 

де ℓ – довжина рідини у трубці за шкалою приладу.

 

Мінімальний кут нахилу трубки α_min приймається рівним 8-10⁰. Це пов’язано з тим, що при менших кутах точність вимірювання різко знижується.

Надлишковий тиск, виміряний за допомогою мікроманометра, визначається за формулою

 

(1.10)

 

Робочою рідиною для мікроманометрів служить спирт або дистильована вода.

Для вимірювання надлишкового тиску краплинних рідин використовують п’єзометри (рис.1.3).

 

 

Рис.1.3

 

П’єзометр являє собою вертикальну скляну трубку діаметром 5-10 мм, що підключена одним кінцем до місця вимірювання тиску. Трубку заповнює та рідина, тиск якої вимірюється, а визначається він за висотою стовпа h

 

P = ρgh

(1.11)

 

Перевагою п’єзометра є необхідність зняття тільки одного виміру, а недоліком – можливість помилки при знаходженні тиску внаслідок неможливості в деяких випадках точного визначення питомої маси рідини ρ.

 

 

2.2 Деформаційні прилади (механічні манометри)

 

До цієї групи належать прилади, в яких тиск або різниця тисків визначається за деформацією пружного чутливого елемента. Перевагами деформаційних приладів є компактність, відсутність робочої рідини, менша ніж у рідинних приладів інерційність, можливість вимірювання високих тисків та інші. До недоліків відносяться: менша ніж у рідинних приладів точність вимірювання та залежність точності показу від залишкової деформації.

В залежності від елементу, який сприймає тиск (датчика), механічні манометри бувають трубчато-пружинні, мембранні, сильфонні, анероїдні. Чутливими елементами цих манометрів є відповідно: пола латунна трубка (рис. 1.4,а) еліптичного або овального перерізу, зігнута в дугу і запаяна з одного кінця; мембрана – гофрована, для більшої еластичності, тонка пластина (рис. 1.4,б); сильфон – закрита з двох сторін тонкостінна циліндрична оболонка з гофрованою боковою поверхнею (рис.1.4,в ); анероїд – пружна металева коробка (як правило, дві спаяні між собою мембрани).

 

 

Рис. 1.4

 

Абсолютний тиск Р_абс рідини (газу) підводиться через штуцер до чутливого елемента. Якщо Р_абс > Р_а, то під впливом різниці тисків Р_м = Р_абс – Р_а трубка буде розпрямлятися, мембрана прогинатися вверх, а сильфон – розширюватися. Якщо Р_абс < Р_а, то під впливом вакууму Р_в = Р_а – Р_абс трубка буде згинатися, мембрана прогинатися вниз, а сильфон – стискуватися. Що стосується анероїда, то цей чутливий елемент використовується для визначеняя тиску середовища (наприклад атмосферного в барометрах) і при його збільшенні стискується, а при зменшенні розширюється.

Переміщення запаяного вільного кінця трубки, вільної сторони сильфона, центра мембрани або анероїда, пропорційне значенню манометричного тиску або вакууму, за допомогою передавального механізму передається на стрілку приладу.

Прилади, що показані на рис.1.4 а,в використовуються в якості манометрів надлишкового тиску і вакуумметрів, а з чутливими елементами у вигляді мембрани або сильфону, крім того, використовуються в якості дифманометрів і манометрів абсолютного тиску.

 

 

Схема лабораторної установки для вимірювання тиску

 

 

Рис.1.5

 

Наведена лабораторна установка складається з циліндричної посудини 1, до якої приєднані: п’єзометр 2, ртутний U-подібний манометр 3 і пружинний манометр 4.

Тиск всередині посудини 1 створюється завдяки тиску на вільну поверхню рідини в ємності 5 за допомогою насосу 6 через кран 7. Для зменшення величини тиску в системі служить кран 8.

Розрідження у всмоктувальній трубі 9 вимірюється U–подібним манометром 10 і регулюється краном 11 при закритому крані 7.

 

 

Порядок проведення досліду

 

1. Включити насос 6 при відкритому крані 11 і закритому крані 7.

2. Відкриваючи кран 7 і прикриваючи кран 11 створити тиск в системі при закритому крані 8.

3. Записати в журнал спостережень вимірювання з точністю до 1 мм по п’єзометру, U-подібному ртутному і пружинному манометрах.

4. Змінити тиск в системі за рахунок випуску повітря краном 8 з напірної ємності 5 і знову провести відповідні вимірювання.

5. При закритому крані 7, регулюючи рух повітря краном , 11, провести вимірювання розрідження у всмоктуючій трубі 9. Дані вимірювань занести до журналу.

Створюючи тиск насосом, необхідно стежити за тим, щоб рівень води в п’єзометрі не виходив за межі шкали, а в ртутному манометрі не відбувся перелив води в праве коліно.

Після закінчення дослідів відкрити кран 8 і відключити насос.

 

 

Обробка результатів досліду та оформлення звіту за роботу

 

На підставі спостережень визначити:

1. надлишковий тиск в п’єзометрі [н/м²]

 

P_над = ρ_вgh_п,

 

де ρ_в – питома маса (густина ) води (ρ_в= 1000 кг/м³)

 

2. надлишковий тиск U-подібного ртутного манометра [н/м²]

 

P_над = ρ_ртgh_рт + ρ_вgа

 

де ρ_рт – питома маса ртуті (ρ_рт = 13600 кг/м³)

а– вертикальна відстань між точкою установки манометра і рівнем ртуті в його лівому коліні

3. за тарувальною кривою відрахувати дійсний надлишковий тиск в системі за показанням стрілки манометра [н/м²].

4. розрідження (вакуум) у всмоктуючій трубі [н/м²]

 

P_вак = ρ_вgh_в,

 

Результати обчислень занести в протокол і оформити звіт за роботу

 

 

Протокол випробувань

 

№ п/п	Найменування величин	Позначення	Розмірність	Номер досліду
1.	Показ водяного п’єзометра	hп	м
2.	Тиск по п’єзометру	Рнад	Н/м2
3.	Показ ртутного манометра	hрт/а	м
4.	Тиск по ртутному манометру	Рнад	Н/м2
5.	Показ механічного манометру	п	Умовн. под.
6.	Тиск по механічному манометру	Рнад	Н/м2
7.	Показ вакууму водяним манометром	hв	м
8.	Вакуум метричний тиск	Рвак	Н/м2

 

Контрольні питання

 

1. Які види тиску ви знаєте?

2. Що таке абсолютний тиск?

3. Що таке манометричний тиск?

4. Що таке вакуум?

5. Які співвідношення існують між одиницями тиску: кгс/м², кгс/см², мм.вод.ст., мм.рт.ст., і Па?

6. Приведіть класифікацію приладів для вимірювання тиску за призначенням (роду тиску, що вимірюється).

7. Приведіть класифікацію приладів для вимірювання тиску за принципом дії і типом робочого органу.

8. Перерахуйте переваги і недоліки рідинних приладів для вимірювання тиску.

9. Перерахуйте переваги і недоліки деформаційних приладів для вимірювання тиску.