В каких частях устройства главные детали и их назначение

Из предыдущих уроков мы знаем, что для измерения атмосферного давления используют барометры: ртутные и анероиды.

Но как измерить давление воздуха, существенно отличающееся по величине от атмосферного давления? Для этого тоже существуют специальные приборы, речь о которых и пойдет на данном уроке.

Определение и виды

Как называют приборы для измерения давлений, больших или меньших атмосферного?

Манометр (от греческого «манос» — «редкий, неплотный» и «метрео» — «измерять») — это прибор, используемый для измерения давлений больших или меньших атмосферного.

Манометры бывают двух основных видов: жидкостные и металлические. Давайте рассмотрим устройство и принцип работы каждого из них.

Открытый жидкостный манометр

Устройство открытого жидкостного манометра представляет собой двухколенную стеклянную трубку, наполненную жидкостью (рисунок 1). К одному концу стеклянной трубки прикреплена резиновая трубка. Она соединена с плоской коробочкой, затянутой резиновой пленкой.

Рисунок 1. Открытый жидкостный манометр

Почему в открытом манометре уровни однородной жидкости в обоих коленах одинаковые?Трубка такого манометра представляет собой сообщающиеся сосуды. Так как на поверхность жидкости действует только атмосферное давление, она устанавливается на одинаковом уровне.

Измерение давления воздуха с помощью жидкостного манометра

Что произойдет, если мы надавим пальцем на пленку? На рисунке 2 видно, что уровень жидкости в колене манометра, который соединен с резиновой трубкой, понизится.

Рисунок 2. Изменение уровня жидкости в коленах манометра

Вспомним закон Паскаля: давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях. Значит, когда мы надавили на пленку, мы увеличили давление воздуха в коробке.

Сама коробка соединена с коленом стеклянной трубки. Значит, давление передается и на жидкость в этом колене. Обозначим его «первым». То есть давление в первом колене будет больше давления во втором, потому что на второе колено действует только атмосферное давление воздуха.

Мы увидим, что жидкость придет в равновесие и остановится. Это случится, когда избыточное давление в первом колене сравняется с давлением избыточного столба жидкости в другом.

От силы нажатия на пленку будет зависеть оказываемое давление. Чем сильнее мы будем нажимать, тем выше будет избыточный столб жидкости. Значит, изменение давления связано с высотой этого избыточного столба.

https://youtube.com/watch?v=d7kFaJIr8TY%3Ffeature%3Doembed

Измерение давления жидкости с помощью жидкостного манометра

С помощью жидкостного манометра мы можем измерить давление и в жидкостях. Обратите внимание на рисунок 3, а.

Рисунок 3. Измерение давления жидкости с помощью открытого жидкостного манометра

Конструкция манометра не изменена. Но тем не менее мы можем погрузить коробочку, обтянутую пленкой, в емкость с водой. Чем глубже находится коробочка, тем больше становится разность высот жидкости в коленах манометра (рисунок 3, б). Можно сказать, что тем большее давление производит жидкость в емкости.

Как показать, что давление в жидкости на одной и той же глубине одинаково по всем направлениям?Для этого нам нужно переворачивать коробочку в разные стороны на одной глубине. Мы увидим, что показания манометра не будут меняться.

Давление в жидкости по всем направлениям на одной глубине/высоте одинаково.

Металлический манометр

Внешний вид металлического манометра представлен на рисунке 4. А вот его внутреннее устройство может быть двух разных типов. Рассмотрим каждый из них.

Рисунок 4. Металлический манометр

Устройство металлического манометра 1-го типа

Внутренне устройство металлического манометра 1-го типа показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Устройство металлического манометра 1-го типа

Изогнутая пустотелая трубка 1 запаяна с одного конца. С другой стороны она соединяется с краном 5. Этот кран сообщается с сосудом, в котором необходимо измерить давление.

При увеличении давления трубка начинает разгибаться. При помощи рычажного механизма 4 и зубчатки 3 она передает движение стрелке 2. Так стрелка начинает двигаться вдоль шкалы прибора.

Трубка обладает некоторой упругостью. Поэтому при уменьшении давления она возвращается в свое изначальное положение. Стрелка же возвращается к нулевому делению шкалы.

Устройство металлического манометра 2-го типа

На рисунке 6 представлено устройство металлического манометра 2-го типа.

Рисунок 6. Устройство металлического манометра 2-го типа

Различие в строении заключается только в том, что трубка 1 запаяна с двух сторон. При этом она имеет выход для подключения к сосуду, в котором необходимо измерить давление. Также здесь присутствуют две тяги (рычага) 2. При разгибании трубки, они заставляют стрелку 3 двигаться вдоль шкалы прибора.

Заметим, что, несмотря на небольшие различия в устройстве (рисунки 5 и 6), принцип действия металлических манометров остается одним и тем же.

Применение манометров

Манометры являются одними из самых распространенных приборов, которые можно встретить в различных системах. Например, в котлах отопления, газопроводах, водопроводах, компрессорах, автоклавах, баллонах, баллонных пневматических винтовках и т. д.

Преимущества работы с ними очевидны. Они помогают держать под контролем уровень давления в различных механизмах.

Назначение манометров

Манометр — это устройство для измерения давления газа или жидкости в замкнутом пространстве.

В зависимости от конструкции манометра, он может измерять давление воздуха, газа, пара или жидкости.

Манометры используют в газопроводах, водопроводах, котлах отопления, компрессорах, баллонах, автоклавах и так далее.

Многие путают манометр в барометр. Барометр показывает давление, но только атмосферное, а манометр измеряет давление, с которым жидкость, газ, пар или воздух давит на стенки замкнутого пространства.

Единица измерения давления является паскаль (Па). Паскаль отражает силу в 1Н, которая действует равномерно на площадь 1 квадратный метр.

Манометры могут применяться для измерения таких значений, как: давления, которое ниже атмосферного, избытка давления, атмосферного давления, разницы давлений.

Манометр используют для следующих целей:

• для накачиваний шин автомобилей;
• для обслуживания систем отопления и кондиционирования;
• для мониторинга давления в пневматических агрегатах на производстве;
• в гидравлических узлах;
• в газодобывающей и нефтяной промышленностях;
• для обслуживания двигателей, например, в морских судах.

Главное и основное назначение манометра — это мониторинг и информирование о недостаточном или избыточном давлении газа, воды или пара. В промышленной сфере также используют манометры с функцией сигнального предупреждения, которые могут предотвратить техногенные катастрофы, взрывы.

Конструкция и принцип действия

Манометр состоит из:

• корпуса;
• стрелки;
• шестеренки;
• оси;
• поводка;
• зубчатого сектора.

Внутри прибора устанавливают пружину между шестеренкой и зубьями сектора, которая исключает мертвый ход.

Стрелка показывает избыточное давление. Шкала измерения представлена в Паскалях или Барах.

У манометра простой принцип действия: давление от среды, которая измеряется, поступает внутрь трубки. Под воздействием давления трубка пытается выровняться из-за разности площадей внутренней и внешней поверхностей. Свободный конец трубки осуществляет движение, при этом стрелка на определенный угол поворачивается, благодаря передаточному механизму. Деформация трубки и измеряемая величина находятся в прямолинейной зависимости. Поэтому стрелка показывает значение давления определенной среды.

Какие виды приборов существуют

По назначению манометры бывают следующих видов:

• Самопишущие. Механизм в манометре позволяет отобразить график изменения давления.
• Железнодорожные.
• Судовые.
• Эталонные. Имеют высокий класс точности. Обычно их применяют для регулировки, испытаний, проверки точных измерительных оборудований.
• Специальные. Используют для измерения давления разнообразных газов. Корпуса имеют разные цвета, которые зависят для какого газа они предназначены: красный (горючий газ), черный (негорючий газ), желтый (аммиачный газ (А)), белый (ацетиленовый газ (Ац)), голубой (кислородный газ (К)).
• Электроконтактные. В таких манометрах имеется сигнализация, которая предупреждает об изменении давлении среды.
• Общетехнические. Используются для измерения давления в разных средах.

По принципу работы манометры бывают таких видов:

• Пьезоэлектрические. Такие манометры основаны на пьезоэффекте, то есть внутри используется кристалл кварца, в котором появляется заряд при механическом воздействии.
• Деформационные. Такие манометры основаны на деформации чувствительного элемента (пружины, мембраны, сильфона), которые при своей деформации действуют на стрелку.
• Жидкостные. В приборе содержится трубка, которая наполнена жидкостью. Прибор может быть с одной трубкой или с двумя. С двумя трубками прибор может сравнить давление в разных средах.
• Поршневые. Внутри манометра имеется цилиндр, внутрь которого вставлен поршень.

Диапазон измерения манометра колеблется от 0,06 до 1000 МПа.

Требования к манометрам

Класс точности манометра должен зависеть от измеряемого давления:

• 2,5 при Рраб < 25 кгс/см2 (2,5 МПа);
• 1,5 при 25 < Рраб < 140 кгс/см2 (14 МПа);

Шкала манометра выбирается из условия, что рабочие показания лежат в 2/3 шкалы.

Манометр должен быть установлен так, чтобы шкала была расположена вертикально или с наклоном не более 30 градусов и его показания отчетливо видны обслуживающему персоналу.

Номинальный диаметр манометров, установленных на высоте, соответствовал:

• до 2 метров — 100 мм;
• от 2 до 3 метров — 150 мм;
• от 3 до 5 метров — 250 мм;
• от 5 метров — устанавливается дублирующий манометр.

Изучение манометра металлического

Манометр металлический предназначен для измерения давлений больших атмосферного (до 6 атм.) и меньших атмосферного (до 0,5 атм.).

Основные части прибора и их назначение

Прибор (рис. 1) представляет собой открытый механизм технического манометра диаметром 150 мм с пределом измерения 6 атм (6∙105 Па). Механизм манометра с помощью штуцера укреплен на колонке. Колонка снабжена двумя одноходовыми кранами с ниппелями для подключения к насосу и к тому сосуду, в котором измеряют давление.

Основной частью металлического манометра является согнутая в дугу металлическая трубка 1 (рис. 2), один конец которой закрыт. Другой конец трубки посредством крана 4 сообщается с сосудом, в котором измеряют давление.

К механизму прикреплена демонстрационная шкала со стрелкой 2. Крупные деления шкалы видны с самых отдаленных мест класса. Стрелка сделана длинной и заметной, с расширением на конце. Манометрическая трубка и передаточный механизм, состоящий из рычага 5 и зубчатки 3, открыты и полностью доступны для обозрения. Стрелка манометра съемная и поэтому может устанавливаться в любом положении относительно делений шкалы. Этим можно воспользоваться, например, при демонстрации измерения манометром давления не только большего, но и меньшего атмосферного. В этом случае стрелку заранее ставят в крайнее правое положение. Манометр совместно с колонкой установлен на подставке-треноге.

Цена деления шкалы прибора 0,5 атм (5∙104 Па).

Жидкостный манометр. Опыт Торричелли. Внесистемная единица давления: миллиметр ртутного столба. Барометр-анероид. Трубчатый

Способ измерения атмосферного давления предложил в XVII веке итальянский учёный Эванджелиста Торричелли, ученик Галилея, проделав нижеописанный опыт.

Торричелли наполнил ртутью стеклянную трубку длиной около 1 м, запаянную с одного конца. Плотно закрыв открытый конец трубки, он её перевернул, опустил в чашку с ртутью и под ртутью открыл конец трубки. Часть ртути вылилась в чашку, а часть её осталась в трубке. Высота столба ртути, оставшейся в трубке, оказалась равной примерно 760 мм. Над ртутью в трубке образовалось безвоздушное пространство.

Измерив высоту столба ртути, можно рассчитать давление, которое производит ртуть. Оно и будет равно атмосферному давлению.

Атмосферное давление равно давлению столба ртути в трубке.

На практике атмосферное давление можно измерять высотой ртутного столба (в миллиметрах или сантиметрах).

Если, например, атмосферное давление равно 780 мм рт. ст., то это значит, что воздух производит такое же давление, какое производит вертикальный столб ртути высотой 780 мм.

Если атмосферное давление уменьшается, то столб ртути в трубке Торричелли понижается. Чем больше атмосферное давление, тем выше столб ртути в опыте Торричелли.

1мм рт. ст. = 133,3 Па. 1013 гПа (гектопаскали) — это то же самое, что и 760 мм рт. ст.

Если к трубке с ртутью, использовавшейся в опыте Торричелли, прикрепить вертикальную шкалу, то получится простейший прибор — ртутный барометр (от греч. «барос» — тяжесть, «метрео» — измеряю).

Он служит для измерения атмосферного давления по высоте столба ртути в запаянной сверху трубке, опущенной открытым концом в сосуд с ртутью.

Ртутные барометры наиболее точные приборы, поэтому ими оборудованы метеорологические станции и проверяется работа других видов барометров.

До середины XIX в. для измерения атмосферного давления применяли лишь жидкостные барометры, изобретённые Э. Торричелли.

В 1844 г. Л. Види сконструировал новый, безжидкостный барометр, получивший название барометр-анероид (от греческого слова «анерос» — безжидкостный).

Его основной частью является круглая металлическая коробка 1 с волнистыми (гофрированными) основаниями.

Внутри этой коробки воздух откачан и создано сильное разрежение. При повышении атмосферного давления коробка сжимается, и её верхняя поверхность начинает тянуть прикреплённую к ней пружину 2. При уменьшении давления пружина распрямляется, и верхнее основание коробки приподнимается.

К пружине с помощью передаточного механизма 3 прикреплена стрелка-указатель 4. Эта стрелка перемещается по шкале. Градуировку шкалы анероида осуществляют и выверяют по показаниям ртутного барометра. Чувствительность анероидов настолько высока, что даже при поднятии барометра на 2−3 м стрелка-указатель прибора заметно перемещается. Это позволяет обнаружить постепенное изменение атмосферного давления. Барометры-анероиды менее надежны, чем ртутные, так как содержащиеся в них пружины и мембраны со временем изменяют свою упругость, но они более удобны в обращении и потому широко используются на практике. Поскольку каждому значению атмосферного давления соответствует своя высота над уровнем моря, то шкалу этих приборов можно сразу проградуировать в метрах (или километрах). Барометрические высотомеры, например, используемые в авиации, и называют альтиметрами. С их помощью лётчики определяют высоту полёта самолётов.

Для измерения большего или меньшего атмосферного давления используют манометры (от греч. «манос» — неплотный, «метрео» — измеряю). Манометры бывают жидкостные и металлические.

Жидкостный манометр может измерять давление намного меньшее, чем атмосферное.

Жидкостный манометр состоит из двухколенной стеклянной трубки, в которую наливают какую-нибудь жидкость. С помощью гибкой трубки одно из колен манометра соединяют с круглой плоской коробочкой, затянутой резиновой плёнкой.

Работа манометра основана на сравнении давления в закрытом колене с внешним давлением в открытом колене. Чем глубже погружают в жидкость коробочку, тем больше становится разность высот столбов жидкости в коленях манометра, и тем большее давление производит жидкость.

С помощью металлического манометра измеряют давление сжатого воздуха и других газов. Основная часть такого манометра — согнутая в дугу металлическая трубка, один конец которой закрыт. Другой конец трубки с помощью крана сообщается с сосудом, в котором измеряют давление.

При увеличении давления трубка разгибается. Движение закрытого конца её при помощи рычага и зубчатки передаётся стрелке, движущейся около шкалы прибора. При уменьшении давления трубка (благодаря своей упругости) возвращается в прежнее положение, а стрелка — к нулевому делению шкалы.

Вырази атмосферное давление в паскалях.

789 мм рт. ст. = Па

Домашнее задание: §53, выполнить упражнения к §53

Существуют различные типы манометров. Рассмотрим подробнее два из них. На следующем рисунке изображен трубчатый металлический манометр.

Его изобрел в 1848 году француз Э. Бурдон. На следующем рисунке видна его конструкции.

Основные составные части это: согнутая в дугу полая трубка (1), стрелка (2), зубчатка(3), кран(4), рычаг(5).

Принцип действия трубчатого манометра

Один конец трубки запаян. В другой конец трубки, с помощью крана соединяется с сосудом, в котором необходимо измерить давление. Если давление начнет увеличиваться, трубка будет разгибаться, при этом воздействуя на рычаг. Рычаг через зубчатку связан со стрелкой, поэтому при увеличении давления стрелка будет отклоняться, указывая давление.

Если же давление будет уменьшаться, то трубка будет сгибаться, а стрелка двигаться в обратном направлении.

Теперь рассмотрим другой тип манометра. На следующем рисунке изображен жидкостный манометр. Он имеет форму буквы U.

В его состав входит стеклянная трубка в форме буквы U. В эту трубочку налита жидкость. Один из концов трубки с помощью резиновой трубки соединяют с круглой плоской коробочкой, которая затянута резиновой пленкой.