Kapitel 2. V?TSKAM?TARE

Fr?gorna om vattenf?rs?rjning f?r m?nskligheten har alltid varit mycket viktiga, och de har f?tt s?rskild relevans med utvecklingen av st?der och utseendet i dem annan sort produktioner. Samtidigt blev problemet med att m?ta vattentrycket, det vill s?ga det tryck som var n?dv?ndigt inte bara f?r att s?kerst?lla tillf?rseln av vatten genom vattenf?rs?rjningssystemet, utan ocks? f?r att aktivera olika mekanismer, mer och mer akut. Uppt?ckarens ?ra tillh?r den st?rsta italienska konstn?ren och vetenskapsmannen Leonardo da Vinci (1452-1519), som var den f?rsta som anv?nde ett piezometriskt r?r f?r att m?ta vattentrycket i r?rledningar. Tyv?rr publicerades hans verk "On the Movement and Measurement of Water" f?rst p? 1800-talet. D?rf?r ?r det allm?nt accepterat att en v?tskemanometer f?r f?rsta g?ngen skapades 1643 av de italienska forskarna Torricelli och Viviaii, studenter av Galileo Galilei, som, medan de studerade egenskaperna hos kvicksilver placerat i ett r?r, uppt?ckte existensen atmosf?rstryck. S? h?r f?ddes kvicksilverbarometern. Under de kommande 10-15 ?ren i Frankrike (B. Pascal och R. Descartes) och Tyskland (O. Guericke) skapades olika typer av v?tskebarometrar, inklusive de med vattenfyllning. ?r 1652 demonstrerade O. Guericke atmosf?rens gravitation genom ett spektakul?rt experiment med utpumpade halvklot, som inte kunde separera tv? h?stspann (de ber?mda "Magdeburgska halvkloten").

Den fortsatta utvecklingen av vetenskap och teknik ledde till uppkomsten ett stort antal v?tskemanometrar olika typer, anv?nds;: hittills i m?nga branscher: meteorologi, flyg- och elektrovakuumteknik, geodesi och geologisk utforskning, fysik och metrologi, etc. Men p? grund av ett antal specifika egenskaper hos principen om drift av v?tskemanometrar, deras Specifik gravitation j?mf?rt med andra typer av tryckm?tare ?r relativt liten och kommer sannolikt att minska i framtiden. ?nd? ?r de fortfarande oumb?rliga f?r m?tningar med s?rskilt h?g noggrannhet i tryckomr?det n?ra atmosf?rstrycket. V?tskemanometrar har inte f?rlorat sin betydelse inom en rad andra omr?den (mikromanometri, barometri, meteorologi och inom fysisk och teknisk forskning).

2.1. Huvudtyperna av v?tskemanometrar och principerna f?r deras funktion

Funktionsprincipen f?r v?tskemanometrar kan illustreras med exemplet p? en U-formad v?tskemanometer (fig. 4, a ), best?ende av tv? sammankopplade vertikala r?r 1 och 2,

till h?lften fylld med v?tska. I enlighet med hydrostatikens lagar, med lika tryck R jag och p 2 de fria v?tskeytorna (meniskerna) i b?da r?ren kommer att l?gga sig p? niv? I-I. Om ett av trycken ?verstiger det andra (R\ > p 2), d? kommer tryckskillnaden att g?ra att v?tskeniv?n i r?ret sjunker 1 och f?ljaktligen stigningen i r?ret 2, tills ett j?mviktstillst?nd uppn?s. Samtidigt p? niv?n

II-P kommer j?mviktsekvationen att ta formen

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

dvs tryckskillnaden best?ms av trycket p? v?tskekolonnens h?jd H med en densitet p? r.

Ekvation (1.6) ur tryckm?tningssynpunkt ?r fundamental, eftersom trycket i slut?ndan best?ms av den huvudsakliga fysiska kvantiteter- massa, l?ngd och tid. Denna ekvation ?r giltig f?r alla typer av v?tskemanometrar utan undantag. Detta inneb?r definitionen att en v?tskemanometer ?r en manometer i vilken det uppm?tta trycket balanseras av trycket fr?n v?tskekolonnen som bildas under inverkan av detta tryck. Det ?r viktigt att betona att m?ttet p? tryck i v?tskemanometrar ?r

h?jden p? v?tskebordet, det var denna omst?ndighet som ledde till uppkomsten av tryckenheter mm vatten. Art., mm Hg Konst. och andra som naturligt f?ljer av v?tskemanometrarnas funktionsprincip.

Koppv?tskemanometer (fig. 4, b) best?r av sammankopplade koppar 1 och vertikalt r?r 2, dessutom ?r koppens tv?rsnittsarea betydligt st?rre ?n r?rets. D?rf?r under p?verkan av tryckskillnad Ar f?r?ndringen i v?tskeniv?n i koppen ?r mycket mindre ?n h?jningen av v?tskeniv?n i r?ret: H\ = H r f/F, var H ! - f?r?ndring av v?tskeniv?n i koppen; H 2 - f?r?ndring av v?tskeniv?n i r?ret; / - r?rets tv?rsnittsarea; F - koppens sektionsyta.

D?rav h?jden p? v?tskekolonnen som balanserar det uppm?tta trycket H - H x + H 2 = # 2 (1 + f/F), och den uppm?tta tryckskillnaden

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

D?rf?r med en k?nd koefficient k= 1 + f/F tryckskillnaden kan best?mmas av f?r?ndringen i v?tskeniv?n i ett r?r, vilket f?renklar m?tningsprocessen.

Dubbelkoppsmanometer (fig. 4, i) best?r av tv? koppar kopplade med en flexibel slang 1 och 2 varav den ena ?r styvt fixerad och den andra kan r?ra sig i vertikal riktning. Med lika tryck R\ och p 2 koppar, och f?ljaktligen ?r v?tskans fria ytor p? samma niv? I-I. Om en R\ > R 2 sedan kopp 2 stiger tills j?mvikt uppn?s i enlighet med ekvation (2.1).

Enheten i principen om drift av v?tskemanometrar av alla typer best?mmer deras m?ngsidighet n?r det g?ller m?jligheten att m?ta tryck av n?got slag - absolut och m?tare och tryckskillnad.

Absolut tryck kommer att m?tas om p 2 = 0, dvs n?r utrymmet ovanf?r v?tskeniv?n i r?ret 2 utpumpad. D? kommer v?tskekolonnen i manometern att balansera det absoluta trycket i r?ret

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

Vid m?tning av ?vertryck kommunicerar ett av r?ren med atmosf?rstryck, t.ex. p 2 \u003d p tsh. Om det absoluta trycket i r?ret 1 mer ?n atmosf?rstrycket (R i >p aT m)> sedan, i enlighet med (1.6), v?tskekolonnen i r?ret 2 balansera ?vertrycket i r?ret 1 } dvs p och = H R g: Om tv?rtom, p x < р атм, то столб жидкости в трубке 1 kommer att vara ett m?tt p? det negativa ?vertryck p och = -N R g.

N?r man m?ter skillnaden mellan tv? tryck, som vart och ett inte ?r lika med atmosf?rstrycket, ?r m?tekvationen Ap \u003d p \ - p 2 - \u003d H - R "g. Som i f?reg?ende fall kan skillnaden ta b?de positiva och negativa v?rden.

En viktig metrologisk egenskap hos tryckm?tningsinstrument ?r m?tsystemets k?nslighet, som till stor del best?mmer avl?sningsnoggrannheten vid m?tningar och tr?ghet. F?r manometriska instrument f?rst?s k?nslighet som f?rh?llandet mellan f?r?ndringen i instrumentets avl?sningar och f?r?ndringen i trycket som orsakade den (u = AN/Ar) . I allm?nhet n?r k?nsligheten inte ?r konstant ?ver m?tomr?det

n = lim kl Ar -*¦ 0, (2.3)

var EN - f?r?ndring i avl?sningar av en v?tskemanometer; Ar ?r motsvarande tryckf?r?ndring.

Med h?nsyn till m?tekvationerna f?r vi: k?nsligheten hos en U-formad eller tv?koppsmanometer (se fig. 4, a och 4, c)

n =(2A ' a ~>

b?garens tryckm?tares k?nslighet (se fig. 4, b)

R-gy \llF) ¦ (2 " 4 ’ 6)

Som regel f?r frekventa tryckm?tare F »/ d?rf?r ?r minskningen av deras k?nslighet i j?mf?relse med U-formade manometrar obetydlig.

Fr?n ekvationer (2.4, a ) och (2.4, b) det f?ljer att k?nsligheten helt best?ms av v?tskans densitet R, fyllning av enhetens m?tsystem. Men ? andra sidan best?mmer v?rdet p? v?tskans densitet enligt (1.6) manometerns m?tomr?de: ju st?rre den ?r, desto st?rre ?r den ?vre gr?nsen f?r m?tningar. Det relativa v?rdet av avl?sningsfelet beror allts? inte p? densitetsv?rdet. F?r att ?ka k?nsligheten och d?rmed noggrannheten har d?rf?r ett stort antal avl?sningsanordningar utvecklats baserat p? olika funktionsprinciper, allt fr?n att fixera v?tskeniv?ns position i f?rh?llande till tryckm?tarskalan med ?gat (avl?sningsfel ca 1) mm) och slutar med anv?ndningen av de mest exakta interferensmetoderna (l?sfel 0,1-0,2 µm). N?gra av dessa metoder finns nedan.

M?tomr?dena f?r v?tskemanometrar i enlighet med (1.6) best?ms av h?jden p? v?tskekolonnen, d.v.s. manometerns dimensioner och v?tskans densitet. Den tyngsta v?tskan f?r n?rvarande ?r kvicksilver, vars densitet ?r p = 1,35951 10 4 kg/m 3 . En kolonn av kvicksilver 1 m h?g utvecklar ett tryck p? cirka 136 kPa, dvs ett tryck som inte ?r mycket h?gre ?n atmosf?rstrycket. D?rf?r, n?r man m?ter tryck i storleksordningen 1 MPa, ?r h?jden p? tryckm?taren proportionerlig med h?jden p? en trev?ningsbyggnad, vilket ger betydande driftsm?ssiga ol?genheter, f?r att inte tala om strukturens ?verdrivna skrymmande. ?nd? har f?rs?k att skapa ultrah?ga kvicksilvermanometrar gjorts. V?rldsrekordet sattes i Paris, d?r, baserat p? designen av de ber?mda Eiffeltornet en tryckm?tare med en kvicksilverpelarh?jd p? ca 250 m monterades, vilket motsvarar 34 MPa. F?r n?rvarande har denna tryckm?tare demonterats p? grund av dess meningsl?shet. Kvicksilvermanometern fr?n det tyska fysiska-tekniska institutet, unik i sina metrologiska egenskaper, forts?tter dock att vara i drift. Denna tryckm?tare, monterad i ett iO-v?ningstorn, har en ?vre m?tgr?ns p? 10 MPa med en noggrannhet p? mindre ?n 0,005 %. De allra flesta kvicksilvermanometrar har ?vre gr?nser i storleksordningen 120 kPa och endast ibland upp till 350 kPa. Vid m?tning av relativt l?ga tryck (upp till 10-20 kPa) ?r v?tskemanometrarnas m?tsystem fyllt med vatten, alkohol och andra l?tta v?tskor. I det h?r fallet ?r m?tomr?dena vanligtvis upp till 1-2,5 kPa (mikromanometer). F?r ?nnu l?gre tryck har metoder utvecklats f?r att ?ka k?nsligheten utan anv?ndning av komplexa avl?sningsanordningar.

Mikromanometer (fig. 5), best?r av en kopp jag som ?r ansluten till r?r 2, installerad i vinkel a till den horisontella niv?n

Jag-jag. Om, med lika tryck pi och p 2 ytorna p? v?tskan i koppen och r?ret var p? niv?n I-I, sedan ?kningen av trycket i koppen (R 1 > Pr) g?r att v?tskeniv?n i koppen sjunker och stiger i r?ret. I detta fall h?jden p? v?tskekolonnen H 2 och dess l?ngd l?ngs r?rets axel L2 kommer att relateras av relationen H 2 \u003d L 2 synd a.

Givet v?tskekontinuitetsekvationen H, F \u003d b 2 /, det ?r inte sv?rt att f? fram m?tekvationen f?r en mikromanometer

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

var b 2 - flytta v?tskeniv?n i r?ret l?ngs dess axel; en - r?rets lutningsvinkel mot horisontalen; resten av beteckningarna ?r desamma.

Ekvation (2.5) antyder det f?r synd a «1 och f/F « 1 f?rskjutning av v?tskeniv?n i r?ret kommer m?nga g?nger att ?verstiga h?jden p? v?tskekolonnen som kr?vs f?r att balansera det uppm?tta trycket.

K?nsligheten hos mikromanometern med ett lutande r?r i enlighet med (2.5)

Som framg?r av (2.6), den maximala k?nsligheten f?r mikromanometern med ett horisontellt r?r (a = O)

d.v.s. i f?rh?llande till koppens och r?rets omr?den, mer ?n p? U-formad manometer.

Det andra s?ttet att ?ka k?nsligheten ?r att balansera trycket med en kolonn med tv? oblandbara v?tskor. Tv?koppsmanometern (Fig. 6) ?r fylld med v?tskor s? att deras gr?ns

Ris. 6. Tv?koppsmikromanometer med tv? v?tskor (p, > p 2)

sektionen var inom den vertikala sektionen av r?ret intill kopp 2. N?r pi = p 2 tryck p? niv? I-I

Hej Pi -N 2 R 2 (Pi>Р2)

Sedan, med ?kande tryck i koppen 1 j?mviktsekvationen kommer att se ut

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

d?r px ?r densiteten av v?tskan i kopp 7; p 2 ?r densiteten av v?tskan i kopp 2.

Skenbar densitet f?r en kolonn med tv? v?tskor

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

Om t?theterna Pi och p 2 har v?rden n?ra varandra, a f/F". 1, d? kan den skenbara eller effektiva densiteten reduceras till p min = f/F (R i + p 2) = 2p x f/F.

rr p k * %

d?r p k ?r den skenbara densiteten i enlighet med (2.8).

Som tidigare minskar en ?kning av k?nsligheten p? dessa s?tt automatiskt v?tskemanometerns m?tomr?den, vilket begr?nsar deras anv?ndning till micromanometer™-omr?det. Med tanke p? ?ven den stora k?nsligheten hos metoderna i fr?ga f?r p?verkan av temperatur under noggranna m?tningar, anv?nds i regel metoder baserade p? noggranna m?tningar av v?tskekolonnens h?jd, ?ven om detta komplicerar utformningen av v?tskemanometrar.

2.2. Korrigering av indikationer och fel p? v?tskemanometrar

Det ?r n?dv?ndigt att inf?ra korrigeringar i ekvationerna f?r att m?ta v?tsketryckm?tare, beroende p? deras noggrannhet, med h?nsyn till avvikelser i driftsf?rh?llanden fr?n kalibreringsf?rh?llanden, typen av tryck som m?ts och egenskaperna i kretsdiagrammet f?r specifika tryckm?tare.

Driftf?rh?llandena best?ms av temperaturen och fritt fallacceleration p? m?tplatsen. Under p?verkan av temperaturen f?r?ndras b?de densiteten hos v?tskan som anv?nds f?r att balansera trycket och l?ngden p? skalan. Gravitationsaccelerationen p? m?tplatsen motsvarar i regel inte dess normalv?rde tagna i kalibreringen. D?rf?r trycket

P=Rp }