Виды и принципы действия, применение

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.

Общая информация

Прибор для измерения давления газов или жидкостей в замкнутом пространстве называется манометром. Его принцип действия основан на равенстве измеряемого давления и силы упругости (деформации) трубчатой пружины (пружинный механизм). В некоторых моделях применяется чувствительная двухпластинчатая мембрана (мембранный тип). Один ее конец запаян в держатель, а другой через тягу взаимодействует с трибко-секторным механизмом, который преобразует перемещение элемента в круговое движение стрелки.

Измерители давления, несмотря на одинаковый принцип действия, применяются для различных условий эксплуатации и имеют разные схемы исполнения. Одни показывают величину давления жидкости, а другие работают только с газом. Некоторые из них применяются в контрольно-измерительной аппаратуре для определения точных показателей давления.

https://youtube.com/watch?v=rq3BMjXM7PY

Физический смысл давления

Давление (Р) является физической величиной, которая равна силе (Fn), действующей перпендикулярно на единицу площади поверхности. Иными словами, величина давления в произвольном элементе поверхности определяется таким образом: отношение нормальной составляющей силы (dFn), которая действует на участок поверхности площадью dS. Соотношение имеет следующий вид: P = dFn / dS. Если необходимо вычислить среднее значение величины P, то следует воспользоваться формулой: Pср = F / S.

Единицей измерения является паскаль (Па). Международное обозначение — Pa. Для упрощения расчетов используются единицы измерений с приставками: 1 кПа = 1000 Па, 1 МПа = 1000 кПа = 1000000 Па и т. д. Физический смысл 1 Па: сила, равная 1 Н, равномерно распределена по нормальной поверхности, площадь которой равна 1 метру квадратному. Существуют и другие единицы измерения: бар, килограмм-сила на кв. см., техническая атмосфера, миллиметр ртутного столба, миллиметр и метр водяного столба.

Типы приборов

Приборы, которые измеряют величину избыточного давления и разрежение (ниже атмосферного), имеют определенные разновидности. Они классифицируются следующим образом:

• Манометры.
• Вакуумметры.
• Мановакуумметры.
• Напоромеры.
• Тягомеры.
• Тягонапоромеры.
• Барометры.
• Тонометры.

Отличие первой группы от всех заключается в диапазоне измерений. Он колеблется от 0,06 до 1000 МПа. Измеряется положительная разность между абсолютным и барометрическим значениями. Вакуумметры измеряют разрежение, т. е. величину ниже атмосферного давления. Третья группа приборов является комбинированной, поскольку измеряет избыточное и вакуумметрическое давление. В первом случае диапазон измерений находится в пределах от 60 до 240000 кПа.

Напоромеры — приборы для измерения величин, значения которых не превышают 40 кПа. Пятая группа измеряет низкие значения (до -40 кПа). Тягонапоромеры являются комбинированными устройствами, измеряющими давление в пределах от -40 кПа до 40 кПа. Барометры показывают величину атмосферного давления. Тонометры применяются в медицине для измерения значений кровяного давления человека.

Классификация манометров по конструкции осуществляется следующим образом: жидкостные, грузопоршневые и деформационные. Последний тип включает в свою конструкцию чувствительный элемент. Он представляет собой трубчатую пружину. В моделях с высоким классом точности применяется мембрана. Класс точности также влияет на классификацию приборов (чем меньше величина, тем он точнее): 0,15; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5 и 4.

Виды манометров

Приборы делятся на определенные виды. Это зависит от функций, которые они выполняют, а также сферы применения. Их можно разделить таким образом:

• Общетехнические.
• Электроконтактные.
• Специальные.
• Самопишущие.
• Железнодорожные.
• Виброустойчивые.
• Судовые.
• Эталонные.
• Автомобильный.

Специалисты рекомендуют каждый из приборов применять только для целей и условий, указанных в руководстве по эксплуатации манометра. Невыполнение требований, указанных в документации, может привести к выходу измерителя из строя. Кроме того, в результате этого возможны грубые нарушения техники безопасности, которые приводят к несчастным случаям.

Общетехнические и электроконтактные

Общетехнические приборы используются для измерения в неагрессивных средах жидкостей, газов и паров. Они бывают радиальными и осевыми. Главным условием эксплуатации является следующее: любое вещество, которое находится в жидком и газообразном состояниях, не реагирующее со сплавами меди.

Электроконтактные приборы имеют, как правило, 2 электрических контакта. Первая группа соответствует минимальной величине давления, а вторая — максимальной. Контакты настраиваются на определенные значения. Принцип действия приборов довольно прост. При снижении величины давления на предельно допустимый уровень, который настраивается, происходит размыкание цепи. Таким же образом работает и верхняя граница.

Возможность замыкания и размыкания контактов можно отключить. Для этого следует установить значение низкой границы на 0, а высокой — на максимальное значение шкалы прибора. Они получили применение в промышленности. Можно использовать также сразу две границы, установив одну стрелку на минимальное значение, а другую — на предельно допустимую величину, на которую рассчитано оборудование.

Для использования одной границы следует установить минимальную в положение 0, а максимальный уровень на необходимое значение. Аналогично устанавливается только нижняя граница, но в этом случае нужно установить стрелку на нужное минимальное значение. Высокий предел поставить на максимальное значение.

Например, в угольной промышленности для охлаждения электродвигателя на конвейере применяется манометр для измерения давления воды. При понижении ее давления до определенного значения двигатель невозможно запустить, что помогает сохранить оборудование от перегрева. Кроме того, выставляется верхний предел. Это нужно для того, чтобы давление воды не вывело из строя систему охлаждения.

Манометры с электрическими контактами не применяются для точных измерений, поскольку стрелочный механизм при взаимодействии с одной из контактных групп показывает значения со значительной погрешностью. При загазованности пространства следует применять модели с взрывозащитой.

Специальные измерители

Специальные манометры делятся на три типа: кислородные, ацетиленовые и аммиачные. Первый тип должен монтироваться на обезжиренные трубы агрегатов, поскольку незначительное загрязнение может привести к взрыву прибора и другого электрооборудования. Они выпускаются в корпусах голубого цвета. На шкале прибора указывает маркировка химической формулы кислорода (O2).

Второй вид применяется в устройствах и механизмах для измерения показаний давления ацетилена. «Внутренняя начинка» измерителя содержит специальный металлический сплав, который не реагирует с газом. Необходимо отметить, что замена деталей на медные недопустима. При взаимодействии газа с медными сплавами может образоваться взрывоопасная ацетиленистая медь. Аммиачные приборы должны быть устойчивыми к коррозийным процессам, поскольку возможно повреждение корпуса с последующей утечкой газа.

Самопишущие регистраторы

Самопишущие регистраторы давления являются сложными электронными устройствами с пишущим механизмом, который состоит из специального пера и устройства подачи чернил. Во время работы прибора выполняется регистрация показаний давления в определенный промежуток времени в виде диаграммы.

Они обладают погрешностью, которая связана со скольжением пера по бумаге. Этот недостаток устранен в современных моделях. При этом применяется специальный порт для подключения струйного или лазерного принтера. Такое усовершенствование позволяет применять самопишущие манометры не только для контроля показания давления, но и для тестирования и точных измерений для разработки различного оборудования.

Железнодорожные и виброустойчивые

Существуют модели, которые применяются в условиях вибраций. Железнодорожные манометры применяются в аппаратуре контроля работы двигателя поездов. Наиболее распространенными моделями считаются МП-2 стрелочного и дискового типов. Манометр с вращающимся диском применяется для измерения Р в неагрессивных средах. Для удобного снятия показаний в состав устройств включена подсветка шкалы.

Диапазоны показаний приборов:

• Без диска: от 0 до 16 кгс / кв. см.
• С диском: от 0 до 10 кгс / кв. см.

Приборы обладают классами точности 1,5 и 2,5 и могут выдержать вибрации от 5 до 25 Гц с амплитудными значениями, равными 0,1 мм. Виброустойчивые приборы применяются в условиях эксплуатации при высоких значениях вибраций. Некоторые виды измерителей считаются устойчивыми к вибрациям и комбинированными. Например, манометры, которые устанавливаются на выходе мощных шахтных насосных установках.

Эталонные и судовые

Цифровые эталонные (образцовые) манометры применяются для измерения величины давления жидкостей и веществ, которые находятся в газообразном состоянии. Они отличаются высоким классом точности и оснащаются специальным цифровым дисплеем. На нем отображается текущая величина давления в системе, а также превышение номинального уровня (нормальных показателей). Эталонные манометры обладают некоторыми особенностями по сравнению с обыкновенными аналоговыми моделями:

• Проверкой и калибровкой других манометров.
• Применением в системах безопасности.
• Возможностью сохранения показаний.
• Выявлением пиковых уровней и помещением этих значений в память.

Очень часто предприятия отправляют измерители давления в метрологические организации для выявления дефектов приборов и их калибровки. Это очень важно, поскольку существенно влияет на сроки эксплуатации оборудования и предупреждение несчастных случаев. Кроме того, эталонные манометры выявляют утечку газов и жидкостей. Если на предприятии установлены такие приборы, то это позволяет существенно снизить появление нештатных ситуаций.

Образцовые манометры эксплуатируются на любых объектах коммунального комплекса, заводах, газопроводах, предприятиях угледобывающей и нефтеперерабатывающей промышленностях. Кроме того, они являются универсальными, поскольку применяются для работы с жидкостями, газами и парами. Их можно применять в агрессивных и неагрессивных средах. Корпус является герметичным, и надежно защищен от попадания жидкостей, пыли и грязи.

Судовые приборы применяются для эксплуатации на речном и морском видах транспорта. Они устойчивы к вибрациям и агрессивным средам. Достигается это при помощи герметичного корпуса и виброзащиты.

Автомобильная разновидность

Основное предназначение автомобильных манометров — измерение давления воздуха внутри шин автотранспорта. В некоторых моделях машин они включены в стандартную комплектацию. Приборы бывают двух типов: аналоговые (механические) и цифровые. Первые имеют цифровую шкалу со стрелочным указателем. Они считаются более надежными, чем цифровые. Приборы имеют некоторую особенность: при приближении уровня давления к верхней границе его погрешность увеличивается.

Цифровой манометр оснащен жидкокристаллическим дисплеем, на который выводится результат измерения. Измеритель обладает большим классом точности, чем аналоговый. Существенным недостатком приборов этого типа считается наличие источника питания (постоянно нужно иметь запасные батарейки или аккумуляторы). Кроме того, любой тип автомобильного манометра нельзя протирать салфеткой, поскольку это увеличивает погрешность измерений.

Рекомендации по выбору

Все модели манометров изготавливаются по определенным государственным стандартам. Следовательно, они являются взаимозаменяемыми. Выбор манометра для отдельного измерения или изготовления манометрических систем необходимо осуществлять по его техническим характеристикам и условиям эксплуатации. Следует обратить внимание на такие характеристики приборов:

• Габариты и масса.
• Диапазон измерений (максимальная величина).
• Вид.
• Класс точности.
• Степень защиты.
• Устойчивость к вибрациям.
• Срок службы.
• Среда эксплуатации.
• Диапазон рабочих температур.
• Резьба.

Перед выбором прибора-измерителя следует определить его основные функции в какой-либо системе. Например, нет смысла переплачивать деньги за образцовый манометр для измерения давления в шинах или использования в масляных станциях.

Таким образом, для выбора манометра следует руководствоваться его основными техническими характеристиками и условиями эксплуатации в различных системах. Очень важно придерживаться основных критериев, поскольку это позволит избежать различных неблагоприятных ситуаций.

§ 1  Что такое манометр? Виды манометров

Рассмотрим назначение, устройство и принцип действия манометров.

Для измерения атмосферного давления предназначены барометры. Но давление в газах и в жидкостях может отличаться от атмосферного. В таких случаях применяют манометры.

Манометр – прибор, предназначенный для измерения давлений, больших или меньших атмосферного давления (от греческих слов манос – редкий, метрео – измеряю).

Манометры бывают двух видов: жидкостные и металлические (деформационные).

§ 2  Устройство и принцип действия жидкостного манометра

Рассмотрим устройство и принцип действия жидкостного манометра. Само название говорит о том, что его устройство основано на законах движения и равновесия жидкости.

Открытый жидкостный манометр состоит из двухколенной стеклянной трубки, в которую наливается жидкость (ртуть или вода). По закону сообщающихся сосудов жидкость в обоих коленах устанавливается на одном уровне. Подсоединим одно колено манометра при помощи резиновой трубочки к резервуару с газом, в котором нужно измерить давление. На жидкость в открытом колене действует атмосферное давление, а давление во втором колене будет равно давлению газа в резервуаре. Под действием большего из давлений жидкость перетекает из одного колена в другое до тех пор, пока большее давление не уравновесится давлением избыточного столба жидкости. В том колене, где давление меньше, высота столба жидкости будет выше. По разности уровней можно определить, насколько давление газа в резервуаре отличается от атмосферного. Шкала манометра обычно размечается в сантиметрах или миллиметрах ртутного столба.

Если же нужно определить давление внутри жидкости, то колено манометра при помощи трубки соединяют с коробочкой, поверхность которой затянута резиновой пленкой. Коробочку опускают в сосуд с жидкостью. Вода давит на пленку, и пленка прогибается. Давление газа внутри коробочки увеличивается, по закону Паскаля настолько же увеличивается давление, производимое на столбик жидкости в колене манометра. Жидкость в манометре перемещается до тех пор, пока избыточное давление сжатого воздуха не уравновесится давлением избыточного столба жидкости в открытом колене манометра.

Чем глубже погружаем коробку в жидкость, тем больше высота избыточного столба жидкости в открытом колене, следовательно, тем больше давление отличается от атмосферного, о чем можно судить по шкале манометра. Если коробочку наклонять или переворачивать внутри жидкости на одной и той же глубине, то высота столба жидкости в коленах манометра не изменяется. Это служит еще одним доказательством справедливости закона Паскаля: давление в жидкостях и газах одинаково по всем направлениям.

§ 3  Устройство и принцип действия металлического (деформационного) манометра

В основе работы деформационного манометра лежит деформация легкой, упругой, дугообразной металлической трубки 1, один конец которой закрыт, а второй конец с помощью крана 4 соединяется с сосудом, в котором нужно измерить давление. Если в сосуде давление газа больше атмосферного, то трубка разгибается. Это движение при помощи рычага 5 и зубчатки 3 передается стрелке 2, которая закреплена на оси. Конец стрелки движется по шкале. Трубка, стрелка и шкала помещены внутрь металлического корпуса, закрытого спереди стеклом. При уменьшении давления сила упругости трубки возвращает ее в исходное положение, а стрелку манометра – к нулевому делению шкалы.

Трубка манометра является не круглой, а приплюснутой. Поэтому площадь внутренней поверхности меньше, чем площадь внешней поверхности трубки. Из определения давления p=F/S следует F = pS, то есть сила давления прямо пропорциональна площади. На трубку снаружи действует атмосферное давление с силой F1, изнутри давит газ с силой F2, причем чем больше площадь, тем больше сила давления. Эти силы попарно равны. При увеличении давления газа возрастает сила давления (обозначим F3) изнутри трубки, и она не уравновешивается силой атмосферного давления. Поэтому трубка разгибается.

Жидкостные манометры применяются в электровакуумной технике, авиации, метеорологии, в геологии, геодезии, где требуется точное измерение давления, близкого к атмосферному.

Металлические манометры используются в системах горячего водоснабжения и отопительных системах. В котельных, в ТЭЦ, распределительных пунктах установлены манометры для измерения давления жидкостей и газов, перекачиваемых в трубах, снабженные предохранительным клапаном, который автоматически срабатывает при повышении допустимого значения давления в трубах. Применение манометров позволяет повысить безопасность, вовремя увидеть сбои в работе сантехнических систем.

§ 5  Краткие итоги по теме урока

Манометр – прибор для измерения давлений, больших или меньших атмосферного давления.

Открытый жидкостный манометр состоит из двухколенной стеклянной трубки, принцип действия основан на законах сообщающихся сосудов. В открытом колене давление атмосферное, в другом колене давление равно давлению газа или жидкости в сосуде, с которым соединено это колено манометра. Разность высот в трубках показывает измеряемое давление.

Деформационный манометр состоит из металлической трубки в форме дуги, один конец которой закрыт, а второй сообщается с сосудом, в котором измеряют давление. Металлическая трубка под действием давления изменяет свою кривизну: разгибается или сгибается.

Манометры используются для измерений давления в жидкостях и газах в системах отопления, горячего водоснабжения, газоснабжения и других областях, где требуется знание точного давления газа или жидкости.

Список использованной литературы:
Волков В.А. Поурочные разработки по физике: 7 класс. – 3-е изд. – М.: ВАКО, 2009. – 368 с.
Волков В.А. Тесты по физике: 7-9 классы. – М.: ВАКО, 2009. – 224 с. – (Мастерская учителя физики).
Кирик Л.А. Физика -7. Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы. – М.: Илекса, 2008. – 192 с.
Контрольно-измерительные материалы. Физика: 7 класс / Сост. Зорин Н.И. – М.: ВАКО, 2012. – 80 с.
Марон А.Е., Марон Е.А. Физика. 7 Дидактические материалы. – М.: Дрофа, 2010. – 128 с.
Перышкин А.В. Физика. 7 класс – М.: Дрофа, 2011.
Тихомирова С.А. Физика в пословицах и поговорках, стихах и прозе, сказках и анекдотах. Пособие для учителя. – М.: Новая школа, 2002. – 144 с.
Я иду на урок физики: 7 класс. Часть III: Книга для учителя. – М.: Издательство «Первое сентября», 2002. – 272 с.