در گیج های فشار مایع یا فشارسنج های دیفرانسیل، فشار یا اختلاف فشار اندازه گیری شده با فشار یک ستون مایع متعادل می شود. اندازه گیری فشار با استفاده از فشارسنج های مایع بر اساس تغییر ارتفاع ستون (سطح) سیال کار در یک لوله اندازه گیری شیشه ای بسته به فشار اعمال شده است. متداول ترین مایعات مانومتریک (کار) عبارتند از اتیل الکل، آب مقطر و جیوه. استفاده از این مواد با پایداری خواص فیزیکی، ویسکوزیته کم و خیس نشدن دیوارها همراه است.
فرآیند اندازه گیری فشار را می توان با درجه بالایی از دقت انجام داد. سادگی دستگاه و سهولت اندازه گیری دلیل استفاده گسترده از فشارسنج های مایع است.
دستگاه هایی از این نوع شامل دو لوله ( U-شکل، انجیر. 15.1) و فشار سنج تک لوله ای (کاپ، شکل 15.2) و همچنین میکرومانومتر.
U ab
|
|
گیج فشار دو لوله (GOST 9933-75) برای اندازه گیری فشار اضافی یا اختلاف فشار طراحی شده است. ترازو ابزار معمولا متحرک است. قبل از شروع اندازه گیری، صفر را با اتصال هر دو آرنج به جو بررسی کنید Uگیج فشار به شکل در این حالت، سطوح سیال کار بر روی همان افقی تنظیم می شود ab. با حرکت دادن ترازو ابزار، علامت صفر ترازو را با سطح مایع تعیین شده تراز کنید.
هنگامی که یک خم لوله به ظرفی متصل می شود که در آن فشار باید اندازه گیری شود، مایع حرکت می کند تا فشار اندازه گیری شده با فشار ارتفاع ستون مایع متعادل شود. ن. از آنجایی که سطح مایع در یک لوله افزایش و در لوله دیگر کاهش می یابد، ارتفاع ستون نبه عنوان تفاوت بین دو قرائت تعریف می شود. این عیب Uگیج های فشار شکل تا حدی در گیج فشار فنجانی که از مخازن با قطرهای مختلف تشکیل شده است حذف می شوند. فشار اندازه گیری شده به مخزن مثبت (عریض) وارد می شود و اختلاف سطح با گرفتن یک عدد در طول لوله نازک منفی تعیین می شود.
برای بخش 1-1 (شکل 15.1)، برابری نیروها زیر صادق است:
جایی که پ آو r b - فشار مطلق و اتمسفر، Pa.
f - مساحت دهانه لوله اندازه گیری، متر مربع؛
ن - ارتفاع ارتفاع ستون مایع، متر؛
آر - چگالی سیال کار، کیلوگرم بر متر مکعب؛
g - شتاب سقوط آزاد، m/s 2.
با تبدیل عبارت (15.2) به دست می آوریم:
P ex =P a -P b =Hpg. (15.3)
بدیهی است که هنگام اندازه گیری فشار اضافی، ارتفاع بالا آمدن سیال عامل به منطقه بستگی ندارد. سطح مقطعلوله ها بر اساس شرایط راحتی کار با دستگاه (برای محدود کردن ارتفاع لوله های فشار سنج)، هنگام اندازه گیری فشار اضافی 0.15-0.2 مگاپاسکال، توصیه می شود از جیوه به عنوان سیال کار استفاده شود. فشارهای پایین- آب یا الکل
جام و Uگیج های فشار شکل را نمی توان هنگام اندازه گیری فشارهای اضافی و خلاء کوچک استفاده کرد، زیرا خطای اندازه گیری بیش از حد بزرگ می شود. در این موارد از فشارسنج های مخصوص فنجانی با لوله شیبدار (میکرومانومتر) استفاده می شود. استفاده از یک لوله شیبدار (شکل 15.3) اجازه می دهد تا با کاهش زاویه φ، در همان ارتفاع افزایش ستون مایع h، طول آن را افزایش دهد، که دقت شمارش را افزایش می دهد. اندازه گیری طول و ارتفاع یک ستون مایع با رابطه مرتبط است. از اینجا تغییر زاویه لوله φ
، می توانید محدودیت های اندازه گیری دستگاه را تغییر دهید. حداقل زاویه شیب لوله 8-10 درجه است. خطای ابزار از ± 0.5٪ از مقدار مقیاس نهایی تجاوز نمی کند.
فصل 2. مانومترهای مایع
مسائل تامین آب برای بشریت همیشه بسیار مهم بوده و با توسعه شهرها و پیدایش شهرها اهمیت خاصی پیدا کرده است. انواع مختلفتولید در همان زمان، مشکل اندازه گیری فشار آب، یعنی فشار لازم نه تنها برای اطمینان از تامین آب از طریق سیستم آبرسانی، بلکه برای اجرای مکانیسم های مختلف، به طور فزاینده ای ضروری شد. افتخار این کاشف متعلق به بزرگترین هنرمند و دانشمند ایتالیایی لئوناردو داوینچی (1452-1519) است که برای اولین بار از یک لوله پیزومتریک برای اندازه گیری فشار آب در خطوط لوله استفاده کرد. متأسفانه کار او "درباره حرکت و اندازه گیری آب" تنها در قرن 19 منتشر شد. بنابراین، به طور کلی پذیرفته شده است که اولین فشار سنج مایع در سال 1643 توسط دانشمندان ایتالیایی Torricelli و Viviai، شاگردان Galileo Galilei ساخته شد، که هنگام مطالعه خواص جیوه قرار داده شده در یک لوله، به وجود آن پی بردند. فشار جو. فشارسنج جیوه ای اینگونه متولد شد. در طی 10-15 سال آینده، انواع مختلفی از فشارسنج های مایع، از جمله آنهایی که با آب پر می شوند، در فرانسه (B. Pascal و R. Descartes) و آلمان (O. Guericke) ایجاد شدند. در سال 1652، O. Guericke وزن جو را با آزمایشی دیدنی با نیمکره های تخلیه شده نشان داد که نمی توانست دو تیم از اسب ها را از هم جدا کند (معروف "نیمکره های ماگدبورگ").
توسعه بیشتر علم و فناوری منجر به ظهور شد مقدار زیادگیج فشار مایع انواع مختلف، استفاده می شود؛: تا به امروز در بسیاری از صنایع: هواشناسی، هواشناسی و فن آوری خلاء الکتریکی، ژئودزی و اکتشافات زمین شناسی، فیزیک و مترولوژی و غیره. اما به دلیل تعدادی از ویژگی های خاص اصل عملکرد گیج های فشار مایع، آنها وزن مخصوص نسبت به فشارسنج انواع دیگر نسبتاً کم است و احتمالاً در آینده کاهش خواهد یافت. با این وجود، برای اندازه گیری های با دقت بالا در محدوده فشار نزدیک به فشار اتمسفر، آنها هنوز ضروری هستند. گیج های فشار مایع در تعدادی از زمینه های دیگر (میکرومانومتری، فشارسنجی، هواشناسی و تحقیقات فیزیکی و فنی) اهمیت خود را از دست نداده اند.
2.1. انواع اصلی گیج فشار مایع و اصول عملکرد آنها
اصل عملکرد گیج های فشار مایع را می توان با استفاده از مثال فشارسنج مایع U شکل نشان داد (شکل 1). 4، الف ، متشکل از دو لوله عمودی به هم پیوسته 1 و 2،
نیمه پر از مایع مطابق با قوانین هیدرواستاتیک، با فشارهای مساوی آر من و ص 2 سطوح آزاد مایع (منیسک) در هر دو لوله تنظیم می شود سطح I-I. اگر یکی از فشارها بیشتر از دیگری باشد (R\ > ص 2) سپس اختلاف فشار باعث کاهش سطح مایع در لوله می شود 1 و بر این اساس، در لوله افزایش می یابد 2, تا زمانی که حالت تعادل حاصل شود. در عین حال، در سطح
معادله تعادل II-P شکل می گیرد
Ap=pi -р 2 =Н Р "g، (2.1)
یعنی اختلاف فشار با فشار یک ستون مایع با ارتفاع تعیین می شود ن با چگالی p.
معادله (1.6) از نقطه نظر اندازه گیری فشار اساسی است، زیرا فشار در نهایت توسط مقادیر فیزیکی اصلی - جرم، طول و زمان تعیین می شود. این معادله برای انواع فشارسنج های مایع بدون استثنا معتبر است. این به معنای این است که گیج فشار مایع یک فشار سنج است که در آن فشار اندازه گیری شده توسط فشار ستون مایع تشکیل شده تحت تأثیر این فشار متعادل می شود. مهم است که تاکید شود که اندازه گیری فشار در فشار سنج مایع است
ارتفاع جدول مایع، این شرایط است که منجر به ظهور واحدهای اندازه گیری فشار میلی متر آب شده است. هنر، میلی متر جیوه. هنر و سایر مواردی که به طور طبیعی از اصل عملکرد گیج های فشار مایع تبعیت می کنند.
گیج فشار مایع فنجانی (شکل 4، ب) از فنجان های متصل به یکدیگر تشکیل شده است 1 و لوله عمودی 2, علاوه بر این، سطح مقطع فنجان به طور قابل توجهی بزرگتر از لوله است. بنابراین، تحت تأثیر اختلاف فشار آر تغییر سطح مایع در فنجان بسیار کمتر از افزایش سطح مایع در لوله است: N = N g f/F، جایی که ن ! - تغییر در سطح مایع در فنجان؛ H 2 - تغییر سطح مایع در لوله؛ / - سطح مقطع لوله؛ اف - سطح مقطع فنجان.
از این رو ارتفاع ستون مایع فشار اندازه گیری شده را متعادل می کند N - N x + H 2 = # 2 (1 + f/F) و اختلاف فشار اندازه گیری شده
Pi - Pr = H 2 p?-(1 + f/F ). (2.2)
بنابراین با یک ضریب معلوم k= 1 + f/F اختلاف فشار را می توان با تغییر سطح مایع در یک لوله تعیین کرد که فرآیند اندازه گیری را ساده می کند.
فشار سنج دو فنجان (شکل 4، V) شامل دو فنجان است که از طریق یک شلنگ انعطاف پذیر به هم متصل می شوند 1 و 2، که یکی از آنها به شدت ثابت است و دومی می تواند در جهت عمودی حرکت کند. در فشارهای مساوی R\ و ص 2 فنجان ها، و بنابراین سطوح آزاد مایع در همان سطح I-I هستند. اگر R\ > آر 2 سپس فنجان 2 افزایش می یابد تا زمانی که تعادل مطابق با رابطه (2.1) حاصل شود.
وحدت اصل عملکرد گیج های فشار مایع از همه نوع، تطبیق پذیری آنها را از نقطه نظر توانایی اندازه گیری فشار از هر نوع - مطلق و گیج و فشار دیفرانسیل تعیین می کند.
فشار مطلق اندازه گیری خواهد شد اگر ص 2 = 0، یعنی زمانی که فضای بالای سطح مایع در لوله است 2 پمپاژ کرد. سپس ستون مایع در گیج فشار، فشار مطلق در لوله را متعادل می کند
i,T.e.p a6c =tf р g.
هنگام اندازه گیری فشار اضافی، یکی از لوله ها با فشار اتمسفر ارتباط برقرار می کند، به عنوان مثال، p 2 = p tsh. اگر فشار مطلق در لوله 1 بیشتر از فشار اتمسفر (ر i >р аТ m)> سپس مطابق با (1.6)، ستون مایع در لوله 2 فشار اضافی در لوله را متعادل می کند 1 } یعنی p و = ن آر g: اگر برعکس، p x < р атм, то столб жидкости в трубке 1 اندازه گیری فشار اضافی منفی p و = خواهد بود -ن آر g.
هنگام اندازه گیری اختلاف بین دو فشار که هر کدام با فشار اتمسفر برابر نیستند، معادله اندازه گیری به شکل Ar=p\ - p 2 - = N - آر "گ. درست مانند مورد قبلی، تفاوت می تواند هم ارزش مثبت و هم ارزش منفی داشته باشد.
یکی از مشخصه های مترولوژیکی مهم ابزارهای اندازه گیری فشار، حساسیت سیستم اندازه گیری است که تا حد زیادی دقت اندازه گیری و اینرسی را تعیین می کند. برای ابزارهای گیج فشار، حساسیت به عنوان نسبت تغییر در قرائت ابزار به تغییر فشاری که باعث آن شده است (u = AN/Ar) . در حالت کلی، زمانی که حساسیت در محدوده اندازه گیری ثابت نیست
n = لیم در ار -*¦ 0, (2.3)
جایی که AN - تغییر در قرائت گیج فشار مایع؛ آر - تغییر فشار مربوطه
با در نظر گرفتن معادلات اندازه گیری، به دست می آوریم: حساسیت یک مانومتر U شکل یا دو فنجانی (شکل 4 را ببینید، الف و 4، ج)
n =(2A' a ~>
حساسیت گیج فشار فنجان (شکل 4، ب را ببینید)
R-gy \llF) ¦ (2 " 4 ’ 6)
به عنوان یک قاعده، برای فشار سنج های فنجانی اف "/ بنابراین کاهش حساسیت آنها نسبت به فشارسنج های U شکل ناچیز است.
از معادلات (2.4، آ ) و (2.4، b) نتیجه می شود که حساسیت به طور کامل توسط چگالی مایع تعیین می شود. R، پر کردن سیستم اندازه گیری دستگاه اما، از طرف دیگر، مقدار چگالی مایع مطابق (1.6) محدوده اندازه گیری فشار سنج را تعیین می کند: هر چه بزرگتر باشد، حد بالایی اندازه گیری بزرگتر است. بنابراین، مقدار نسبی خطای خواندن به مقدار چگالی بستگی ندارد. بنابراین، برای افزایش حساسیت و در نتیجه دقت، تعداد زیادی دستگاه قرائت بر اساس اصول عملیاتی مختلف، از تثبیت موقعیت سطح مایع نسبت به مقیاس فشارسنج با چشم (خطای خواندن حدود 1 میلی متر) ساخته شده است. ) و با استفاده از روش های تداخل دقیق (خطای خواندن 0.1-0.2 میکرون) به پایان می رسد. برخی از این روش ها را می توان در زیر مشاهده کرد.
محدوده اندازه گیری فشار سنج مایع مطابق با (1.6) با ارتفاع ستون مایع، یعنی ابعاد گیج فشار و چگالی مایع تعیین می شود. سنگین ترین مایع در حال حاضر جیوه است که چگالی آن p = 1.35951 10 4 kg/m 3 است. یک ستون جیوه به ارتفاع 1 متر فشاری در حدود 136 کیلو پاسکال ایجاد می کند، یعنی فشاری که خیلی بیشتر از فشار اتمسفر نیست. بنابراین، هنگام اندازه گیری فشارهای مرتبه 1 مگاپاسکال، ابعاد گیج فشار در ارتفاع با ارتفاع یک ساختمان سه طبقه قابل مقایسه است، که نشان دهنده ناراحتی های عملیاتی قابل توجهی است، بدون توجه به حجیم بودن بیش از حد سازه. با این وجود، تلاش هایی برای ایجاد مانومترهای جیوه بسیار بالا انجام شده است. رکورد جهانی در پاریس به ثبت رسید، جایی که یک فشار سنج با ارتفاع ستون جیوه ای حدود 250 متر، که معادل 34 مگاپاسکال است، بر اساس سازه های برج معروف ایفل نصب شد. در حال حاضر این فشارسنج به دلیل بیهودگی برچیده شده است. با این حال، مانومتر جیوه ای مؤسسه فیزیکو فنی جمهوری فدرال آلمان، که از نظر ویژگی های اندازه شناسی منحصر به فرد است، همچنان به کار خود ادامه می دهد. این گیج فشار، نصب شده در یک برج طبقه iO، دارای حد بالایی اندازه گیری 10 مگاپاسکال با خطای کمتر از 0.005٪ است. اکثریت قریب به اتفاق مانومترهای جیوه ای دارای حد بالایی از مرتبه 120 کیلو پاسکال و فقط گاهی اوقات تا 350 کیلو پاسکال هستند. هنگام اندازه گیری فشارهای نسبتاً کوچک (تا 10-20 کیلو پاسکال)، سیستم اندازه گیری فشار سنج مایع با آب، الکل و سایر مایعات سبک پر می شود. در این مورد، محدوده اندازه گیری معمولا تا 1-2.5 کیلو پاسکال (میکرومانومتر) است. برای فشارهای حتی کمتر، روش هایی برای افزایش حساسیت بدون استفاده از دستگاه های سنجش پیچیده توسعه داده شده است.
میکرومانومتر (شکل 5)، از یک فنجان تشکیل شده است من، که به لوله 2 وصل می شود، با زاویه نصب شده است آ به سطح افقی
I-I. اگر با فشارهای مساوی پیو ص 2سطوح مایع در فنجان و لوله در سطح I-I بود، سپس فشار در فنجان افزایش یافت (ر 1 > Pr) باعث می شود سطح مایع در فنجان پایین بیاید و در لوله افزایش یابد. در این مورد، ارتفاع ستون مایع H 2 و طول آن در امتداد محور لوله L 2 توسط رابطه مرتبط خواهد بود H 2 = L 2 گناه الف
با در نظر گرفتن معادله تداوم سیال H، F = b 2 /، به دست آوردن معادله اندازه گیری میکرومانومتر دشوار نیست
p t -р 2 =Н p "g = L 2 r h (سینا + -)، (2.5)
جایی که b 2 - حرکت سطح مایع در لوله در امتداد محور آن؛ آ - زاویه شیب لوله به افقی؛ نامگذاری های دیگر نیز به همین صورت است.
از معادله (2.5) نتیجه می شود که برای گناه آ « 1 و f/F "1 حرکت سطح مایع در لوله چندین برابر ارتفاع ستون مایع مورد نیاز برای متعادل کردن فشار اندازه گیری شده است.
حساسیت میکرومانومتر با لوله شیبدار مطابق با (2.5)
همانطور که از (2.6) مشاهده می شود، حداکثر حساسیت میکرومانومتر با آرایش لوله افقی (a = O)
یعنی نسبت به نواحی فنجان و لوله بزرگتر از در گیج فشار U شکل.
راه دوم برای افزایش حساسیت، متعادل کردن فشار با ستونی از دو مایع غیرقابل اختلاط است. یک فشارسنج دو فنجانی (شکل 6) با مایعات پر شده است تا مرز آنها
برنج. 6. میکرومانومتر دو فنجانی با دو مایع (p, > p 2)
بخش در داخل بخش عمودی لوله مجاور فنجان 2 قرار داشت pi = p 2 فشار در سطح I-I
سلام پی -ن 2 آر 2 (Pi > P2)
سپس با افزایش فشار در فنجان 1 معادله تعادل شکل خواهد داشت
Ap=pt -p 2 =D#[(P1 -p 2) +f/F(Pi + Rg)] g (2.7)
که در آن px چگالی مایع در فنجان 7 است. p 2 - چگالی مایع در فنجان 2.
چگالی ظاهری ستونی از دو مایع
Pk = (Pi - P2) + f/F (Pi + Pr) (2.8)
اگر چگالی های Pi و p 2 دارای مقادیر نزدیک به یکدیگر باشند، a f/F". 1، سپس چگالی ظاهری یا موثر را می توان به مقدار p min = کاهش داد f/F (ر من + p 2) = 2p x f/F.
ьр r k * %
که در آن p k چگالی ظاهری مطابق با (2.8) است.
درست مانند قبل، افزایش حساسیت با این روش ها به طور خودکار محدوده اندازه گیری یک مانومتر مایع را کاهش می دهد، که استفاده از آن را به ناحیه میکرومانومتر محدود می کند. با در نظر گرفتن حساسیت زیاد روش های در نظر گرفته شده به تأثیر دما در حین اندازه گیری های دقیق، به عنوان یک قاعده، روش های مبتنی بر اندازه گیری های دقیق ارتفاع ستون مایع استفاده می شود، اگرچه این امر طراحی گیج های فشار مایع را پیچیده می کند.
2.2. تصحیح قرائت ها و خطاهای گیج فشار مایع
بسته به دقت آنها، لازم است اصلاحاتی در معادلات اندازه گیری فشارسنج های مایع با در نظر گرفتن انحراف شرایط عملکرد از شرایط کالیبراسیون، نوع فشار اندازه گیری شده و ویژگی های نمودار مدار گیج های فشار خاص اعمال شود.
شرایط عملیاتی توسط دما و شتاب سقوط آزاد در محل اندازه گیری تعیین می شود. تحت تأثیر دما، هم چگالی مایع مورد استفاده برای متعادل کردن فشار و هم طول مقیاس تغییر می کند. شتاب گرانش در محل اندازه گیری، به عنوان یک قاعده، با مقدار نرمال پذیرفته شده آن در حین کالیبراسیون مطابقت ندارد. بنابراین فشار
P=Pp
}
