2 skyrius. SKYS?IO MATUOKL?S

Vandens tiekimo ?monijai klausimai visada buvo labai svarb?s ir ?gavo ypating? reik?m? vystantis miestams ir atsirandant juose. skirtingos r??ies produkcijos. Tuo pa?iu metu vis aktualesn? tapo vandens sl?gio matavimo problema, t.y. sl?gio, b?tino ne tik vandens tiekimui per vandentiekio sistem? u?tikrinti, bet ir ?vairiems mechanizmams ?jungti, matavimo problema. Atrad?jo garb? tenka did?iausiam ital? menininkui ir mokslininkui Leonardo da Vinci (1452-1519), kuris pirmasis panaudojo pjezometrin? vamzdel? vandens sl?giui vamzdynuose matuoti. Deja, jo veikalas „Apie vandens jud?jim? ir matavim?“ buvo i?leistas tik XIX a. Tod?l visuotinai pripa??stama, kad pirm? kart? skys?io manometr? 1643 m. suk?r? ital? mokslininkai Torricelli ir Viviaii, Galil?jaus Galil?jaus mokiniai, kurie, tyrin?dami gyvsidabrio, ?d?to ? vamzdel?, savybes, atrado egzistavim?. Atmosferos sl?gis. Taip gim? gyvsidabrio barometras. Per ateinan?ius 10-15 met? Pranc?zijoje (B. Pascal ir R. Descartes) ir Vokietijoje (O. Guericke) buvo sukurti ?vairi? tip? skys?i? barometrai, tarp j? ir su vandens pripildymu. 1652 m. O. Guericke'as pademonstravo atmosferos sunkum? atlikdamas ?sp?ding? eksperiment? su i?pumpuotais pusrutuliais, kurie negal?jo atskirti dviej? arkli? komand? (garsi?j? „Magdeburgo pusrutuli?“).

Tolesn? mokslo ir technologij? raida paskatino atsiradim? didelis skai?ius skys?i? manometrai ?vairi? tip?, naudojamas;: iki ?iol daugelyje pramon?s ?ak?: meteorologijoje, aviacijoje ir elektrovakuumin?je technologijoje, geodezijoje ir geologiniuose tyrimuose, fizikoje ir metrologijoje ir kt. Ta?iau d?l daugyb?s specifini? skys?i? manometr? veikimo principo ypatybi? j? specifin? gravitacija palyginti su kit? tip? manometrais, yra santykinai ma?as ir, tik?tina, ateityje suma??s. Nepaisant to, jie vis dar yra b?tini atliekant ypa? didelio tikslumo matavimus sl?gio diapazone, artimame atmosferos sl?giui. Skys?i? manometrai neprarado savo reik?m?s ir daugelyje kit? sri?i? (mikromanometrijoje, barometrijoje, meteorologijoje, fizikiniuose ir techniniuose tyrimuose).

2.1. Pagrindiniai skys?i? manometr? tipai ir j? veikimo principai

Skys?i? manometr? veikimo princip? galima iliustruoti U formos skys?io manometro pavyzd?iu (2 pav.). 4, a ), sudarytas i? dviej? tarpusavyje sujungt? vertikali? vamzd?i? 1 ir 2,

pusiau u?pildyta skys?iu. Pagal hidrostatikos d?snius, esant vienodam sl?giui R a? ir 2 p laisvieji skys?io pavir?iai (meniskai) abiejuose vamzdeliuose nus?da I-I lygis. Jei vienas i? spaudim? vir?ija kit? (R\ > 2 p.), tada d?l sl?gio skirtumo skys?io lygis vamzdyje suma??s 1 ir, atitinkamai, vamzd?io pakilimas 2, kol bus pasiekta pusiausvyros b?sena. Tuo pa?iu lygiu

II-P pusiausvyros lygtis ?gis form?

Ap \u003d pi -p 2 \u003d H R "g, (2.1)

y., sl?gio skirtum? lemia skys?io kolon?l?s auk??io sl?gis H kuri? tankis yra r.

(1.6) lygtis sl?gio matavimo po?i?riu yra esmin?, nes sl?g? galiausiai lemia pagrindinis fiziniai kiekiai- mas?, ilgis ir laikas. ?i lygtis galioja vis? tip? skys?i? manometrams be i?imties. Tai rei?kia, kad skys?io manometras yra manometras, kuriame i?matuotas sl?gis yra subalansuotas skys?io kolon?l?s, susidariusios veikiant ?iam sl?giui, sl?giu. Svarbu pabr??ti, kad sl?gio matas skys?io manometruose yra

skys?io stalo auk?tis, b?tent d?l ?ios aplinkyb?s atsirado sl?gio vienetai mm vandens. Art., mm Hg Art. ir kiti, kurie nat?raliai i?plaukia i? skys?i? manometr? veikimo principo.

Puodelio skys?io manometras (4 pav., b) susideda i? tarpusavyje sujungt? puodeli? 1 ir vertikalus vamzdis 2, be to, puodelio skerspj?vio plotas yra ?ymiai didesnis nei vamzd?io. Tod?l, veikiant sl?gio skirtumui Ar skys?io lygio pokytis puodelyje yra daug ma?esnis nei skys?io lygio padid?jimas m?gintuv?lyje: H\ = H r f/F, kur H ! - skys?io lygio pasikeitimas puodelyje; H 2 - skys?io lygio vamzdyje pasikeitimas; / - vamzd?io skerspj?vio plotas; F - puodelio pj?vio plotas.

Taigi skys?io stulpelio auk?tis, balansuojantis i?matuot? sl?g? H – H x + H 2 = # 2 (1 + f/F), ir i?matuotas sl?gio skirtumas

Pi – Rg = H 2 p ?-(1 +f/F ). (2.2)

Tod?l su ?inomu koeficientu k= 1 + f/F sl?gio skirtum? galima nustatyti pagal skys?io lygio pasikeitim? viename vamzdyje, o tai supaprastina matavimo proces?.

Dvigubas manometras (4 pav., in) susideda i? dviej? puodeli?, sujungt? lanks?ia ?arna 1 ir 2 i? kuri? vienas yra stand?iai fiksuotas, o antrasis gali jud?ti vertikalia kryptimi. Su vienodu sl?giu R\ ir 2 p puodeliai, taigi ir laisvieji skys?io pavir?iai yra tame pa?iame I-I lygyje. Jeigu R\ > R 2 tada puodelis 2 kyla tol, kol pasiekiama pusiausvyra pagal (2.1) lygt?.

Vis? tip? skys?i? manometr? veikimo principo vieningumas lemia j? universalum?, atsi?velgiant ? galimyb? i?matuoti bet kokio tipo sl?g? - absoliut? ir manometr? bei sl?gio skirtum?.

Absoliutus sl?gis bus matuojamas, jei 2 p = 0, ty kai erdv? vir? skys?io lygio vamzdyje 2 i?pumpuotas. Tada skys?io stulpelis manometre subalansuos absoliut? sl?g? vamzdyje

i,T.e.p a6c =tf p g.

Matuojant vir?sl?g?, vienas i? vamzd?i? susisiekia su atmosferos sl?giu, pvz. p 2 \u003d p tsh. Jei absoliutus sl?gis vamzdyje 1 daugiau nei atmosferos sl?gis (R i >p aT m)> tada pagal (1.6) skys?io kolon?l? vamzdelyje 2 subalansuoti perteklin? sl?g? vamzdyje 1 } y. p ir = H R g: Jei, prie?ingai, p x < р атм, то столб жидкости в трубке 1 bus neigiamo matas perteklinis sl?gis p ir = -H R g.

Matuojant skirtum? tarp dviej? sl?gi?, kuri? kiekvienas n?ra lygus atmosferos sl?giui, matavimo lygtis yra Ap \u003d p \ - p 2 - \u003d H – R "g. Kaip ir ankstesniu atveju, skirtumas gali b?ti tiek teigiamas, tiek neigiamas.

Svarbi metrologin? sl?gio matavimo prietais? charakteristika yra matavimo sistemos jautrumas, kuris i? esm?s lemia skaitymo tikslum? matavim? metu ir inercij?. Manometrini? prietais? jautrumas suprantamas kaip prietaiso rodmen? poky?io ir j? suk?lusio sl?gio poky?io santykis (u = AN/Ar) . Apskritai, kai matavimo diapazone jautrumas n?ra pastovus

n = lim at Ar -*¦ 0, (2.3)

kur AN - skys?io manometro rodmen? pasikeitimas; Ar yra atitinkamas sl?gio pokytis.

Atsi?velgdami ? matavimo lygtis, gauname: U formos arba dviej? puodeli? manometro jautrum? (?r. 4 pav. a ir 4, c)

n =(2A ' a ~>

puodelio manometro jautrumas (?r. 4 pav., b)

R-gy \llF) ¦ (2 " 4 ’ 6)

Kaip taisykl?, da?niems manometrams F »/, tod?l j? jautrumo suma??jimas lyginant su U formos manometrais yra ne?ymus.

I? lyg?i? (2.4, a ) ir (2.4, b) i? to i?plaukia, kad jautrum? visi?kai lemia skys?io tankis R, prietaiso matavimo sistemos u?pildymas. Bet, kita vertus, skys?io tankio reik?m? pagal (1.6) lemia manometro matavimo diapazon?: kuo jis didesnis, tuo didesn? vir?utin? matavim? riba. Taigi santykin? skaitymo paklaidos reik?m? nepriklauso nuo tankio reik?m?s. Tod?l, siekiant padidinti jautrum?, taigi ir tikslum?, buvo sukurta daugyb? skaitymo ?rengini?, paremt? ?vairiais veikimo principais, pradedant skys?io lygio pad?ties fiksavimu manometro skal?s at?vilgiu akimis (skaitymo klaida apie 1). mm) ir baigiant tiksliausiais trukd?i? metodais (nuskaitymo paklaida 0,1-0,2 µm). Kai kuriuos i? ?i? metod? galite rasti ?emiau.

Skys?i? manometr? matavimo diapazonai pagal (1.6) nustatomi pagal skys?io kolon?l?s auk?t?, t.y., manometro matmenis ir skys?io tank?. Sunkiausias skystis ?iuo metu yra gyvsidabris, kurio tankis p = 1,35951 10 4 kg/m 3 . 1 m auk??io gyvsidabrio stulpelis sukuria apie 136 kPa sl?g?, t.y. sl?g?, kuris n?ra daug didesnis u? atmosferos sl?g?. Tod?l matuojant 1 MPa dyd?io sl?g?, manometro matmenys savo auk??iu prilygsta trij? auk?t? pastato auk??iui, o tai sukelia dideli? eksploatacini? nepatogum?, jau nekalbant apie per didel? konstrukcijos t?r?. Nepaisant to, buvo bandoma sukurti itin auk?tus gyvsidabrio manometrus. Pasaulio rekordas buvo pasiektas Pary?iuje, kur, remiantis garsaus dizaino Eifelio bok?tas buvo sumontuotas manometras, kurio gyvsidabrio kolon?l?s auk?tis apie 250 m, kas atitinka 34 MPa. ?iuo metu ?is manometras buvo i?montuotas d?l jo beprasmi?kumo. Ta?iau Vokietijos fizikos ir technikos instituto gyvsidabrio manometras, unikalus savo metrologin?mis savyb?mis, ir toliau naudojamas. ?io manometro, sumontuoto iO auk?to bok?te, vir?utin? matavimo riba yra 10 MPa, o tikslumas ma?esnis nei 0,005%. Daugumos gyvsidabrio manometr? vir?utin? riba yra 120 kPa ir tik kartais iki 350 kPa. Matuojant palyginti nedidelius sl?gius (iki 10-20 kPa), skys?i? manometr? matavimo sistema u?pildoma vandeniu, alkoholiu ir kitais lengvais skys?iais. ?iuo atveju matavimo diapazonai paprastai yra iki 1-2,5 kPa (mikromanometrai). Dar ma?esniam sl?giui buvo sukurti metodai, kaip padidinti jautrum? nenaudojant sud?ting? skaitymo ?rengini?.

Mikromanometras (5 pav.), susideda i? puodelio a? kuris yra prijungtas prie vamzd?io 2, sumontuotas kampu a iki horizontalaus lygio

A?-A?. Jei, esant vienodam sl?giui pi ir 2 p skys?io pavir?iai puodelyje ir vamzdelyje buvo I-I lygyje, tada padid?jo sl?gis puodelyje (R 1 > Pr) skys?io lygis puodelyje suma??s ir pakils vamzdelyje. ?iuo atveju skys?io stulpelio auk?tis H 2 o jo ilgis i?ilgai vamzd?io a?ies L2 bus susij?s ry?iu H 2 \u003d L 2 nuod?m? a.

Pateikta skys?io t?stinumo lygtis H, F \u003d b 2 /, nesunku gauti mikromanometro matavimo lygt?

p t -p 2 \u003d N p "g \u003d L 2 r h (sina + -), (2,5)

kur b 2 - skys?io lygio perk?limas vamzdyje i?ilgai jo a?ies; a - vamzd?io pasvirimo ? horizontal? kampas; likusieji pavadinimai yra tokie patys.

(2.5) lygtis rei?kia, kad nuod?mei a „1 ir f/F « 1 skys?io lygio poslinkis vamzdyje daug kart? vir?ys skys?io stulpelio auk?t?, reikaling? i?matuotam sl?giui subalansuoti.

Mikromanometro su pasvirusiu vamzdeliu jautrumas pagal (2.5)

Kaip matyti i? (2.6), did?iausias mikromanometro su horizontaliu vamzdeliu jautrumas (a = O)

y., lyginant su puodelio ir vamzdelio plotais, daugiau nei adresu U formos manometras.

Antrasis b?das padidinti jautrum? – subalansuoti sl?g? dviej? nesimai?an?i? skys?i? stulpeliu. Dviej? puodeli? manometras (6 pav.) pripildytas skys?i? taip, kad j? riba

Ry?iai. 6. Dviej? puodeli? mikromanometras su dviem skys?iais (p, > p 2)

sekcija buvo vertikalioje vamzd?io dalyje, esan?ioje ?alia 2 puodelio. Kada pi = p 2 sl?gis I-I lygiu

Sveiki Pi -H 2 R 2 (Pi>Р2)

Tada, did?jant sl?giui puodelyje 1 pusiausvyros lygtis atrodys taip

Ap=pt -p 2 =D#[(P1 -p 2) +f/F(Pi + Pr)] g, (2.7)

?ia px yra skys?io tankis puodelyje 7; p 2 yra skys?io tankis 2 puodelyje.

Tariamasis dviej? skys?i? stulpelio tankis

Pk \u003d (Pi – P2) + f/F (Pi + Pr) (2,8)

Jei tanki? Pi ir p 2 reik?m?s yra artimos viena kitai, a f/F". 1, tada tariamasis arba efektyvusis tankis gali b?ti suma?intas iki p min = f/F (R i + p 2) = 2p x f/F.

rr p k * %

?ia p k yra tariamasis tankis pagal (2.8).

Kaip ir anks?iau, padidinus jautrum? ?iais b?dais, automati?kai suma?inami skys?io manometro matavimo diapazonai, o tai riboja j? naudojim? mikromanometro ™ srityje. Taip pat atsi?velgiant ? didel? nagrin?jam? metod? jautrum? temperat?ros ?takai atliekant tikslius matavimus, paprastai naudojami metodai, pagr?sti tiksliais skys?io kolon?l?s auk??io matavimais, nors tai apsunkina skys?io manometr? konstrukcij?.

2.2. Skys?i? manometr? rodmen? ir klaid? taisymai

Atsi?velgiant ? j? tikslum?, reikia pataisyti skys?i? manometr? matavimo lygtis, atsi?velgiant ? darbo s?lyg? nukrypimus nuo kalibravimo s?lyg?, matuojamo sl?gio tip? ir konkre?i? manometr? schemos ypatybes.

Darbo s?lygas lemia temperat?ra ir laisvojo kritimo pagreitis matavimo vietoje. Veikiant temperat?rai, kinta ir skys?io, naudojamo sl?giui balansuoti, tankis, ir skal?s ilgis. Gravitacinis pagreitis matavimo vietoje, kaip taisykl?, jo neatitinka normalioji vert? paimtas kalibruojant. Tod?l spaudimas

P = Rp }