Класифікація приладів для вимірювання тиску та вимоги до них

Сучасна наука і техніка ставлять найрізноманітніші вимоги до приладів для вимірювання тиску. Насамперед, це пов’язано з широким діапазоном вимірюваних величин тиску: від міліпаскаля (мПа) до гігапаскаля (ГПа). Зростають вимоги до точності вимірів, ускладнюються об’єкти досліджень, що накладає додаткові умови на конструкційне оформлення приладів. Так, наприклад, прилади, які використовують для вимірювання сталих тисків, виявляються непридатними при вимірюванні пульсацій тиску, причому в реальних процесах зустрічаються пульсації тиску з частотою до 10⁶ Гц.

Розмаїття вимог обумовило велику кількість приладів для вимірювання тиску, різних як за принципом дії, так і за точністю вимірювань і конструктивним оформленням.

Умовно всі прилади для вимірювання тиску можна класифікувати за:

а) видом вимірюваної величини; б) принципом дії; в) класом точності.

Класифікація за видом вимірюваної величини:

а) барометри– прилади для вимірювання атмосферного тиску;

б) манометри і п’єзометри– прилади для вимірювання надлишкового тиску р_н;

в) вакуумметри– прилади для вимірювання вакуумметричного тиску р_вак (від’ємного надлишкового тиску);

г) мановакуумметри– прилади, за допомогою яких вимірюють як надлишковий тиск, так і вакуумметричний;

д) диференційні манометри– прилади для вимірювання різниці тисків у двох точках.

Для вимірювання абсолютного тиску більшого за атмосферний використовують два прилади – барометр і манометр, а менше атмосферного – барометр і вакуумметр.

Класифікація за принципом дії:

1. Рідинні прилади, які мають гідростатичний принцип дії. У них вимірюваний тиск зрівноважується тиском стовпа рідини, висота якого визначається або безпосередньо, або шляхом розрахунку. Ідея вимірювання тиску за величиною стовпа рідини належить італійському вченому Торрічеллі (1640 р.), а вперше здійснена італійським механіком Вівіані в 1642 р. і французьким ученим Паскалем у 1646 р. Рідинні прилади не втратили свого значення і сьогодні, вони не складні у виготовленні, точні та надійні.

2. Механічні прилади, принцип дії яких полягає в тому, що під дією тиску відбувається деформація деякого пружного елемента, – величина цієї деформації і є мірою вимірюваного тиску.

3. Вантажно-поршневі прилади– це манометри, в яких вимірюваний тиск, діючи на одну сторону поршня, зрівноважується зовнішньою силою, прикладеною з його протилежного боку. В якості рівноважної сили використовують тягарці. Вага тягарця, поділена на площу поршня, визначає величину вимірюваного тиску. Це, як правило, стаціонарні високоточні еталонні прилади.

4. Електричні прилади,принцип дії яких базується на зміні електричних властивостей деяких матеріалів чи на зміні будь-яких електричних параметрів під дією тиску.

5. Комбіновані прилади,принцип дії яких носить змішаний характер (пружинно-електричні, рідинно-електричні та ін.).

Класифікація за класом точності.

За точністю показів усі прилади, що серійно випускаються, поділяються на класи.

Класом точності називається найбільша допустима приведена похибка, виражена у відсотках від діапазону вимірювання даного приладу:

де D_max – максимально допустима абсолютна похибка вимірювання приладу; Д – діапазон вимірювання.

Установлені класи точності приладів для вимірювання тиску відповідають наступному ряду: 0,005; 0,02; 0,05; 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Механічні прилади поділяють на технічні, зразкові та еталонні. Зразкові прилади звіряються з еталонними, а також використовують для перевірки технічних. Технічні прилади використовуються безпосередньо для вимірювання тиску. Еталонними є прилади з класом точності К_Т<0,16; до зразкових відносяться прилади з К_Т=0,16...0,6; технічні прилади для вимірювання тиску мають К_Т>0,6.

Наприклад, для приладу, який має клас точності К_Т=1,5 допустима похибка вимірювання становить ±1,5% від діапазону вимірювання.

Рідинні прилади для вимірювання тиску

Рідинний барометр

Барометром називається прилад для визначення величини атмосферного тиску. Термін походить від грецьких слів baros – тягар і metron – міра.

Перший ртутний барометр винайшов близько 1640 року італійський фізик і математик Торрічеллі (1608-1647), який власне і відкрив існування атмосферного тиску і вакууму (так звана торрічеллієва пустота).

Найпростіший ртутний барометр складається з відкритої чашки з ртуттю та зі скляної трубки (рис. 2). Якщо довгу скляну трубку, закриту з одного кінця, заповнити ртуттю і опустити відкритим кінцем у посудину з ртуттю, то рівень рідини у трубці понизиться, і над її поверхнею утворюється пустота. Абсолютний тиск у цій пустоті p_s дорівнює тиску насичених парів ртуті при даній температурі. Так, при температурі 20 ^оС для ртуті p_s =0,24 Па = 0,0018 мм. рт. ст.

Рис. 2. Принципова схема

ртутного барометра

Тиск стовпа ртуті зрівноважує атмосферний тиск, що діє на вільній поверхні О–О рідини у чашці. Тоді висота h стовпа ртуті є мірою величини атмосферного тиску:

де r_рт – питома маса ртуті, при температурі 20 ^оС r_рт = 13546 кг/м³; h_кап – висота капілярного опускання ртуті; наближено h_кап = 10/d, де d – діаметр трубки, мм; Dh – поправка на опускання рівня ртуті в чашці за рахунок підняття у трубці; Dh = hd²/(D²-d²), D – діаметр чашки. Шкалу ртутних барометрів градуюють здебільшого не в одиницях довжини, а в одиницях тиску з врахуванням поправок h_кап і Dh.

П’єзометр

П’єзометр – це найпростіший і один з найбільш точних приладів для вимірювання надлишкового тиску. У п’єзометрі величина тиску в рідині вимірюється висотою стовпа тієї ж рідини (рис. 3). П’єзометр являє собою трубку з прозорого матеріалу діаметром 10...15 мм, що дозволяє практично повністю виключити похибку, зумовлену капілярним підняттям рідини. При менших діаметрах трубок у показ п’єзометра потрібно вносити поправку на капілярний ефект; для води ця поправка становить h_кап = –30/d, де d – діаметр трубки п’єзометра, мм.

Висота підняття рідини відносно точки приєднання до резервуару (чи трубопроводу) h_п є кількісною мірою надлишкового тиску в даній точці:

де h_п – п’єзометрична висота, м.

Рис. 3. П’єзометр

При вимірюванні п’єзометричної висоти відлік необхідно робити по нижньому рівню вгнутого меніска для рідин, що змочують стінку (наприклад, для води), або ж по верхньому рівню випуклого меніска для рідин, що не змочують стінку (наприклад, для ртуті). Абсолютна похибка вимірювання тиску п’єзометром становить 0,5 мм відповідного стовпа рідини, що для води дорівнює 4,9 Па. Основний недолік цього приладу – малий діапазон вимірюваних тисків (до 0,2...0,3 ат).