Kapitola 2. MERA?E KVAPALINY

Ot?zky z?sobovania vodou pre ?udstvo boli v?dy ve?mi d?le?it? a nadobudli osobitn? v?znam s rozvojom miest a objaven?m sa v nich. in? druh produkcie. Z?rove? sa ?oraz naliehavej?ie st?val probl?m merania tlaku vody, t. j. tlaku potrebn?ho nielen na zabezpe?enie dod?vky vody cez vodovodn? syst?m, ale aj na ovl?danie r?znych mechanizmov. ?es? objavite?a patr? najv???iemu talianskemu umelcovi a vedcovi Leonardovi da Vincimu (1452-1519), ktor? ako prv? pou?il piezometrick? trubicu na meranie tlaku vody v potrubiach. Bohu?ia?, jeho pr?ca „O pohybe a meran? vody“ vy?la a? v 19. storo??. Preto sa v?eobecne uzn?va, ?e kvapalinov? manometer prv?kr?t vytvorili v roku 1643 talianski vedci Torricelli a Viviaii, ?tudenti Galilea Galileiho, ktor? pri ?t?diu vlastnost? ortuti umiestnenej v sk?mavke zistili existenciu atmosferick? tlak. Takto sa zrodil ortu?ov? barometer. V priebehu nasleduj?cich 10-15 rokov vo Franc?zsku (B. Pascal a R. Descartes) a Nemecku (O. Guericke) vznikli r?zne typy kvapalinov?ch barometrov, vr?tane t?ch s vodnou n?pl?ou. V roku 1652 demon?troval O. Guericke gravit?ciu atmosf?ry ve?kolep?m experimentom s vypumpovan?mi hemisf?rami, ktor? nedok?zali oddeli? dva z?prahy kon? (sl?vne „magdebursk? hemisf?ry“).

K vzniku viedol ?al?? rozvoj vedy a techniky Vysok? ??slo kvapalinov? manometre r?zne druhy, pou??van?;: doteraz v mnoh?ch odvetviach: meteorol?gia, leteck? a elektrov?kuov? technika, geod?zia a geologick? prieskum, fyzika a metrol?gia at?. ?pecifick? hmotnos? v porovnan? s in?mi typmi tlakomerov je relat?vne mal? a v bud?cnosti sa pravdepodobne zn??i. Napriek tomu s? st?le nevyhnutn? pre merania s obzvl??? vysokou presnos?ou v tlakovom rozsahu bl?zkom atmosf?rick?mu tlaku. Kvapalinov? manometre nestratili svoj v?znam ani v mnoh?ch ?al??ch oblastiach (mikromanometria, barometria, meteorol?gia a vo fyzik?lnom a technickom v?skume).

2.1. Hlavn? typy kvapalinov?ch manometrov a princ?py ich ?innosti

Princ?p ?innosti kvapalinov?ch manometrov mo?no ilustrova? na pr?klade kvapalinov?ho manometra v tvare U (obr. 4, a ), pozost?vaj?ce z dvoch vz?jomne prepojen?ch zvisl?ch r?r 1 a 2,

do polovice naplnen? kvapalinou. V s?lade so z?konmi hydrostatiky, s rovnak?mi tlakmi R ja a p 2 vo?n? povrchy kvapaliny (menisky) v oboch sk?mavk?ch sa usadia ?rove? I-I. Ak jeden z tlakov prevy?uje druh? (R\ > p 2), potom rozdiel tlaku sp?sob? pokles hladiny kvapaliny v trubici 1 a v s?lade s t?m st?panie v trubici 2, k?m sa nedosiahne rovnov??ny stav. Z?rove? na ?rovni

II-P rovnov??na rovnica bude ma? tvar

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

t.j. tlakov? rozdiel je ur?en? tlakom v??ky st?pca kvapaliny H s hustotou r.

Rovnica (1.6) je z h?adiska merania tlaku z?sadn?, preto?e tlak je v kone?nom d?sledku ur?en? hlavn?m fyzik?lnych veli??n- hmotnos?, d??ka a ?as. T?to rovnica plat? pre v?etky typy kvapalinov?ch manometrov bez v?nimky. Z toho vypl?va defin?cia, ?e tlakomer kvapaliny je tlakomer, v ktorom je nameran? tlak vyv??en? tlakom st?pca kvapaliny vytvoren?ho p?soben?m tohto tlaku. Je d?le?it? zd?razni?, ?e meranie tlaku v kvapalinov?ch manometroch je

v??ka stola kvapaliny, bola to t?to okolnos?, ktor? viedla k vzniku tlakov?ch jednotiek mm vody. Art., mm Hg ?l. a ?al?ie, ktor? prirodzene vypl?vaj? z princ?pu ?innosti kvapalinov?ch manometrov.

Poh?rkov? kvapalinov? manometer (obr. 4, b) pozost?va zo vz?jomne prepojen?ch poh?rov 1 a vertik?lna trubica 2, okrem toho je plocha prierezu poh?ra podstatne v???ia ako plocha r?rky. Preto pod vplyvom tlakov?ho rozdielu Ar zmena hladiny kvapaliny v poh?ri je ove?a men?ia ako n?rast hladiny kvapaliny v sk?mavke: H\ = H r f/F, kde H ! - zmena hladiny tekutiny v poh?ri; H 2 - zmena hladiny kvapaliny v trubici; / - plocha prierezu r?rky; F - prierezov? plocha poh?ra.

Preto v??ka st?pca kvapaliny vyrovn?va nameran? tlak V - V x + H 2 = # 2 (1 + f/F), a nameran? tlakov? rozdiel

Pi - Rg = H 2 p?-(1 +f/F ). (2.2)

Preto so zn?mym koeficientom k= 1 + f/F rozdiel tlakov mo?no ur?i? zmenou hladiny kvapaliny v jednej trubici, ?o zjednodu?uje proces merania.

Dvojhrn?ekov? manometer (obr. 4, v) pozost?va z dvoch poh?rov spojen?ch pru?nou hadicou 1 a 2 z ktor?ch jeden je pevne pripevnen? a druh? sa m??e pohybova? vo vertik?lnom smere. S rovnak?mi tlakmi R\ a p 2 poh?re a n?sledne s? vo?n? povrchy kvapaliny na rovnakej ?rovni I-I. Ak R\ > R 2 potom poh?r 2 st?pa, k?m sa nedosiahne rovnov?ha v s?lade s rovnicou (2.1).

Jednota princ?pu ?innosti kvapalinov?ch manometrov v?etk?ch typov ur?uje ich v?estrannos? z h?adiska mo?nosti merania tlaku ak?hoko?vek druhu - absol?tneho a pretlakov?ho a tlakov?ho rozdielu.

Absol?tny tlak sa bude mera?, ak p 2 = 0, teda ke? je priestor nad hladinou kvapaliny v sk?mavke 2 od?erpan?. Potom st?pec kvapaliny v manometri vyrovn? absol?tny tlak v trubici

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

Pri meran? pretlaku jedna z trub?c komunikuje s atmosf?rick?m tlakom, napr. p 2 \u003d p tsh. Ak je absol?tny tlak v trubici 1 viac ako atmosf?rick? tlak (R i >p aT m)> potom v s?lade s (1.6) st?pec kvapaliny v sk?mavke 2 vyrovn?vajte nadmern? tlak v trubici 1 } tj p a = H R g: Ak naopak p x < р атм, то столб жидкости в трубке 1 bude mierou z?poru pretlak p a = -H R g.

Pri meran? rozdielu dvoch tlakov, z ktor?ch ka?d? sa nerovn? atmosf?rick?mu tlaku, plat? rovnica merania Ap \u003d p \ - p 2 - \u003d H - R "g. Rovnako ako v predch?dzaj?com pr?pade m??e rozdiel nadob?da? kladn? aj z?porn? hodnoty.

D?le?itou metrologickou charakteristikou pr?strojov na meranie tlaku je citlivos? meracieho syst?mu, ktor? do zna?nej miery ur?uje presnos? od??tania pri meraniach a zotrva?nos?. Pri manometrick?ch pr?strojoch sa citlivos? ch?pe ako pomer zmeny nameran?ch hodn?t pr?stroja k zmene tlaku, ktor? ju sp?sobila (u = AN/Ar) . Vo v?eobecnosti, ke? citlivos? nie je kon?tantn? v celom rozsahu merania

n = lim at Ar -*¦ 0, (2.3)

kde AN - zmena hodn?t kvapalinov?ho manometra; Ar je zodpovedaj?ca zmena tlaku.

Ak vezmeme do ?vahy rovnice merania, dostaneme: citlivos? manometra v tvare U alebo dvoch hrn?ekov (pozri obr. 4, a a 4, c)

n =(2A ' a ~>

citlivos? manometra (pozri obr. 4, b)

R-gy \llF) ¦ (2 " 4 ’ 6)

Spravidla pre ?ast? tlakomery F »/, preto je pokles ich citlivosti v porovnan? s manometrami v tvare U nev?znamn?.

Z rovn?c (2.4, a ) a (2.4, b) vypl?va, ?e citlivos? je ?plne ur?en? hustotou kvapaliny R, plnenie meracieho syst?mu pr?stroja. Ale na druhej strane hodnota hustoty kvapaliny pod?a (1.6) ur?uje rozsah merania manometra: ??m je v????, t?m v???ia je horn? hranica meran?. Relat?vna hodnota chyby ??tania teda nez?vis? od hodnoty hustoty. Na zv??enie citlivosti a t?m aj presnosti bol preto vyvinut? ve?k? po?et ??tac?ch zariaden? zalo?en?ch na r?znych princ?poch ?innosti, od zafixovania polohy hladiny kvapaliny vzh?adom na stupnicu manometra okom (chyba ??tania pribli?ne 1 mm) a kon?iac pou?it?m najpresnej??ch interferen?n?ch met?d (chyba ??tania 0,1-0,2 µm). Niektor? z t?chto met?d n?jdete ni??ie.

Meracie rozsahy kvapalinov?ch manometrov pod?a (1.6) s? ur?en? v??kou kvapalinov?ho st?pca, t.j. rozmermi tlakomeru a hustotou kvapaliny. Naj?a??ou kvapalinou v s??asnosti je ortu?, ktorej hustota je p = 1,35951 10 4 kg/m 3 . Ortu?ov? st?pec vysok? 1 m vyvinie tlak asi 136 kPa, t.j. tlak, ktor? nie je ove?a vy??? ako atmosf?rick? tlak. Pri meran? tlakov r?dovo 1 MPa s? preto rozmery tlakomeru v??kovo porovnate?n? s v??kou trojpodla?nej budovy, ?o predstavuje zna?n? prev?dzkov? nepohodlie, nehovoriac o nadmernej objemnosti kon?trukcie. Napriek tomu sa uskuto?nili pokusy vytvori? manometre s ultra vysok?m obsahom ortuti. Svetov? rekord bol stanoven? v Par??i, kde na z?klade n?vrhov sl?vnych Eiffelova ve?a bol namontovan? tlakomer s v??kou ortu?ov?ho st?pca cca 250 m, ?o zodpoved? 34 MPa. V s??asnosti je tento tlakomer demontovan? z d?vodu jeho zbyto?nosti. Ortu?ov? manometer Fyzik?lno-technick?ho in?tit?tu Nemecka, jedine?n? svojimi metrologick?mi charakteristikami, je v?ak na?alej v prev?dzke. Tento tlakomer namontovan? v iO-poschodovej ve?i m? horn? limit merania 10 MPa s presnos?ou men?ou ako 0,005 %. Preva?n? v???ina ortu?ov?ch manometrov m? horn? limity r?dovo 120 kPa a len ojedinele a? 350 kPa. Pri meran? relat?vne mal?ch tlakov (do 10-20 kPa) sa merac? syst?m kvapalinov?ch manometrov pln? vodou, liehom a in?mi ?ahk?mi kvapalinami. V tomto pr?pade s? rozsahy merania zvy?ajne do 1-2,5 kPa (mikromanometre). Pre e?te ni??ie tlaky boli vyvinut? met?dy na zv??enie citlivosti bez pou?itia zlo?it?ch ??tac?ch zariaden?.

Mikromanometer (obr. 5), pozost?va z misky ja ktor? je pripojen? k r?rke 2, in?talovanej pod uhlom a do horizont?lnej ?rovne

Ja-ja. Ak, s rovnak?mi tlakmi pi a p 2 povrchy kvapaliny v n?dobke a sk?mavke boli na ?rovni I-I, potom zv??enie tlaku v n?dobke (R 1 > Pr) sp?sob? pokles a zv??enie hladiny kvapaliny v n?dobke v sk?mavke. V tomto pr?pade v??ka st?pca kvapaliny H 2 a jeho d??ka pozd?? osi r?rky L2 bude s?visie? vz?ahom H 2 \u003d L 2 hriech a.

Vzh?adom na rovnicu kontinuity tekutiny H, F \u003d b 2 /, nie je ?a?k? z?ska? rovnicu merania pre mikromanometer

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

kde b 2 - pohyb hladiny kvapaliny v trubici pozd?? jej osi; a - uhol sklonu r?rky k horizont?le; ostatn? ozna?enia s? rovnak?.

Z rovnice (2.5) vypl?va, ?e pre hriech a « 1 a f/F « 1 posun hladiny kvapaliny v trubici mnohon?sobne presiahne v??ku st?pca kvapaliny potrebn? na vyrovnanie nameran?ho tlaku.

Citlivos? mikromanometra so ?ikmou trubicou v s?lade s (2.5)

Ako je zrejm? z (2.6), maxim?lna citlivos? mikromanometra s horizont?lnou trubicou (a = O)

t.j. vo vz?ahu k oblastiam misky a sk?mavky viac ako pri Manometer v tvare U.

Druh?m sp?sobom zv??enia citlivosti je vyrovnanie tlaku st?pcom dvoch nemie?ate?n?ch kvapal?n. Dvojhrn?ekov? manometer (obr. 6) sa napln? kvapalinami tak, aby ich hranice

Ry?a. 6. Dvojhrn?ekov? mikromanometer s dvoma kvapalinami (p, > p 2)

?as? bola vo zvislom ?seku r?rky pri?ahlej k miske 2. Ke? pi = p 2 tlak na ?rovni I-I

Ahoj Pi -H 2 R 2 (Pi>Р2)

Potom so zvy?uj?cim sa tlakom v poh?ri 1 bude vyzera? rovnov??na rovnica

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

kde px je hustota kvapaliny v poh?ri 7; p2 je hustota kvapaliny v poh?ri 2.

Zdanliv? hustota st?pca dvoch kvapal?n

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

Ak maj? hustoty Pi a p 2 hodnoty bl?zko seba, a f/F". 1, potom mo?no zdanliv? alebo efekt?vnu hustotu zn??i? na p min = f/F (R i + p 2) = 2p x f/F.

rr p k * %

kde p k je zdanliv? hustota v s?lade s (2.8).

Tak ako predt?m, zv??enie citlivosti t?mto sp?sobom automaticky zni?uje meracie rozsahy kvapalinov?ho manometra, ?o obmedzuje ich pou?itie na oblas? mikromanometra ™. Aj vzh?adom na ve?k? citlivos? posudzovan?ch met?d na vplyv teploty pri presn?ch meraniach sa spravidla pou??vaj? met?dy zalo?en? na presnom meran? v??ky st?pca kvapaliny, ?o v?ak komplikuje kon?trukciu kvapalinov?ch manometrov.

2.2. Opravy indik?ci? a ch?b kvapalinov?ch manometrov

V z?vislosti od ich presnosti je potrebn? do rovn?c na meranie kvapalinov?ch tlakomerov zavies? korekcie s prihliadnut?m na odch?lky prev?dzkov?ch podmienok od podmienok kalibr?cie, typ meran?ho tlaku a vlastnosti sch?my zapojenia konkr?tnych tlakomerov.

Prev?dzkov? podmienky s? ur?en? teplotou a zr?chlen?m vo?n?ho p?du v mieste merania. Vplyvom teploty sa men? ako hustota kvapaliny pou??vanej pri vyrovn?van? tlaku, tak aj d??ka stupnice. Gravita?n? zr?chlenie v mieste merania spravidla nezodpoved? jeho norm?lna hodnota prijat? pri kalibr?cii. Preto ten tlak

P = Rp }