Меню

Приборы для измерения давления в лаборатории

Измерение и регулирование давления

Давлением называют физическую величину, равную отношению силы, действующей на элемент поверхности нормально к ней, к площади этого элемента.

Различают абсолютное и избыточное давление. Абсолютным (полным) называют давление, отсчитываемое от абсолютного нуля, т. е. истинное давление. Оно может быть как выше, так и ниже атмосферного. Если абсолютное давление ниже атмосферного, его называют остаточным. Разность между атмосферным и остаточным давлением называют вакуумом или разрежением. Избыточное давление представляет собой разность между абсолютным давлением и давлением окружающей среды.

Основная единица давления по Международной системе единиц (СИ) — паскаль (Па). Паскаль равен давлению, вызываемому силой 1Н (1 ньютон), равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м2, т. е. 1 Па — 1 Н/м2.

Соотношения между паскалем и некоторыми внесистемными единицами представлены ниже:

Классификация приборов для измерения давления

Приборы для измерения давления и разрежения обычно классифицируют по роду измеряемой величины и по принципу действия. Деление по первому принципу представлено ниже:

По второму принципу приборы подразделяются на жидкостные, деформационные и электрические манометры.

Жидкостные манометры

Жидкостные стеклянные манометры широко применяются в лабораториях для измерения барометрического давления атмосферного воздуха, вакуума, разности давлений, для градуировки и проверки приборов других систем.

Жидкостные манометры — самые простые и точные приборы для измерения давления. Верхний Предел измеряемых величин — 0,2 МПа (2кгс/см2).

Ртутные барометры

Для измерения атмосферного или близкого к нему давления в открытом пространстве применяют барометры, показывающие абсолютное давление воздуха.

Ртутный барометр (рис. 109) состоит из вертикальной стеклянной трубки, наполненной ртутью; верхний конец трубки запаян, а нижний опущен в чашку с ртутью. В верхней части трубки образуется вакуум. При увеличении давления воздух давит на поверхность ртути в чашке и часть ртути входит в трубку, а при понижении давления происходит обратное. Трубка заключена в оправу, в верхней части которой имеется вертикальный прорез, позволяющий видеть мениск ртути. В пределах этого прореза на оправе нанесена шкала в миллиметрах ртутного столба. Дополнительно имеется подвижная шкала-нониус, позволяющая измерять давление с точностью до десятых долей миллиметра. Перед отсчетом давления необходимо слегка постучать пальцем по защитной оправе барометра, чтобы мениск ртути принял нормальную форму, и установить при помощи винта нулевое деление нониуса на одной линии с верхним мениском ртутного столба.

Пример. На барометре, изображенном на рис. 108, давление в целых числах равно 762 мм рт. ст. К нему следует прибавить столько десятых долей миллиметра, сколько делений по нониусу приходится до первого совпадения одного из них с делениями основной шкалы. В нашем примере — это 7-е деление, следовательно атмосферное давление равно 762 + 0,7 = 762,7 мм рт. ст.

Ртутные барометры устанавливают в помещениях вдали от дверей и окон, укрепляя их на контрольной стене во избежание сотрясения.

При измерении давления барометром необходимо ввести поправки на температуру и силу тяжести. На практике пользуются готовыми таблицами поправок, прилагаемых к барометру. Барометры имеют еще инструментальную поправку, которая приводится в паспорте прибора.

Точность определения давления обычными ртутными барометрами составляет 13,3 Па (0,1 мм рт. ст.).

Жидкостные манометры для измерения избыточного давления

Для измерения давления больше атмосферного выпускаются стеклянные U-образные ртутные манометры с пределами измерения 100 и 160 мм рт. ст., а также U-образные жидкостные манометры, заполненные водой, силиконовым маслом, спиртом, этилфталатом, с пределами измерения 100, 160, 250, 400, 600, 1000 мм жидкостного столба.

Жидкостные манометры представляют собой открытую с обеих сторон стеклянную U-образную трубку, укрепленную на деревянном штативе со шкалой, расположенной между ветвями трубки (рис. 110) .Трубку манометра заполняют запирающей жидкостью до нулевой отметки шкалы. Левый конец трубки присоединяют к установке, в которой измеряется давление, а правый сообщается с атмосферой. Под действием измеряемого давления жидкость в трубке перемещается из одного колена в другое. Когда измеряемое давление уравновесится гидростатическим давлением столба жидкости, перемещение жидкости прекратится. Поскольку давление в системе выше атмосферного, высота столба жидкости в правом колене больше, чем в левом. Разность высот равна величине столба жидкости, измеряемой по градуированной шкале.

Ртутные манометры для измерения вакуума

Для измерения низкого вакуума (более 133 Па) наиболее распространен U-образный стеклянный ртутный вакуумметр (рис. 111). В U-образной манометрической трубке находится ртуть, полностью заполняющая левое колено. Когда вакуумметр будет присоединен к вакуумируемой установке, ртуть в левом колене начнет опускаться и остановится, когда разность уровней в обоих коленах будет соответствовать давлению в системе.

Читайте также:  Регулятор давления газа обозначение на чертеже

В вакуумметрах заводского изготовления манометрическая трубка сужена в месте нижнего изгиба, чтобы уменьшить скорость движения ртути и предупредить сильный удар в запаянный конец трубки при быстром впускании воздуха в манометр.

Иногда манометрические трубки изготавливают и заполняют ртутью в лаборатории. Манометр монтируют на деревянной подставке либо присоединяют его к установке для вакуумирования и шкалу с делениями укрепляют непосредственно на манометре. Перед заполнением манометрической трубки ртутью ее необходимо вымыть разбавленной азотной кислотой, водой и тщательно высушить; ртуть должна быть также тщательно очищена и осушена.

Предложено много методов заполнения манометра ртутью. По одному из них, заполнение проводят следующим образом: встряхиванием переводят в запаянное колено часть ртути и при помощи вакуум-насоса осторожно откачивают воздух из трубки, держа ее почти в горизонтальном положении. Когда пузырьки воздуха будут удалены, ртуть осторожно нагревают в вакууме спиртовой или газовой горелкой до кипения, непрерывно встряхивая трубку. После дегазации добавляют новую порцию ртути и повторяют эту операцию до тех пор, пока в правом колене уровень ртути не поднимется на 20-25 мм выше изгиба.

По другому способу, при помощи отрезка вакуумной резиновой трубки к манометру присоединяют почти встык стеклянный шар со ртутью, соединенный с масляным вакуумным насосом (рис. 112). Вакуумировав систему до предельного давления, создаваемого масляным насосом, закрывают кран и, поднимая шар, переливают часть ртути в трубку манометра. Затем манометр переворачивают сгибом вверх и снаружи осторожно нагревают пламенем горелки до тех пор, пока ртуть не закипит и из нее не удалятся пузырьки воды и воздуха. После этого в манометр подливают еще ртути, прогретой предварительно в шаре, и повторяют операцию кипячения. Наконец, заполняют и согнутую часть манометра, переворачивают манометр в нормальное положение и добавляют нужное количество ртути.

Затруднения, связанные с заполнением вакуумметра ртутью, могут быть значительно уменьшены, если закрытое колено манометрической трубки не запаяно, а имеет хорошо пришлифованный стеклянный кран (рис. 113). Для заполнения вакуумметра чистую ртуть с помощью водоструйного насоса засасывают в манометрическую трубку при открытом верхнем кране. Кран закрывают, когда ртуть попадает в расширение над ним. Затем ртуть с большой осторожностью нагревают в вакууме для удаления остатков адсорбированного воздуха.

Если манометр правильно заполнен ртутью и не загрязнен воздухом или парами веществ, то при присоединении его к масляному насосу ртуть в обоих коленах должна находиться на одинаковом уровне. Если внутрь закрытого конца манометра попадет воздух или пары веществ, то может возникнуть большая погрешность.

Точность измерений давления таким манометром составляет 66,5-133 Па (0,5-1,0 мм рт. ст.).

При выполнении работ под вакуумом до впуска воздуха в эвакуированную систему необходимо закрывать кран манометра, иначе ртуть загрязняется. Кран следует ненадолго открывать только непосредственно при снятии показаний.

Если в результате неосторожного обращения вода из водоструйного насоса или жидкость, с которой производилась работа в вакууме, попадет в манометр, его нужно разобрать, тщательно вымыть, высушить и вновь заполнить сухой ртутью.

Перед заполнением манометра сухой ртутью, чтобы предотвратить загрязнение ртути, рекомендуется прокипятить резиновый шланг в 5% растворе Na2CO3, тщательно промыть его дистиллированной водой, затем спиртом и высушить струей сухого чистого воздуха.

Уравнительный (подвижный) сосуд со ртутью следует поднимать осторожно, чтобы ртуть не попала в аппаратуру или насос.

Масса ртути для заполнения манометра обычно значительна (2,5-6 кг), потому необходимо очень осторожно обращаться с прибором и строго соблюдать правила работы со ртутью.

Для измерения давления в диапазоне 1330-0,0133 Па (10-0,0001 мм рт. ст.) часто применяют компрессионный ртутный манометр Мак-Леода, принцип действия которого основан на закономерном уменьшении известного объема газа при сжатии под действием ртути. Благодаря этому давление газа достигает заметной величины, а исходный объем газа, равный 100-300 мл, сокращается обычно в 10000-100000 раз. Наиболее употребительны измерительные баллоны шарообразной или грушевидной форм объемом в 100 мл.

Предложено много конструкций компрессионного манометра; две модели приведены на рис. 114. Чувствительность манометра Мак-Леода зависит от отношения объемов измерительного сосуда и измерительного капилляра (от степени сжатия).

Читайте также:  При заводке долго горит лампа давления масла

Увеличивая объем измерительного сосуда при одновременном уменьшении объема капилляра, можно достигнуть любой степени точности измерения высокого вакуума. На практике точность показания манометра ограничивается массой ртути, препятствующей увеличению объема измерительного сосуда, и диаметром измерительного капилляра. Если диаметр капилляра меньше 0,5 мм, ртуть прилипает к стенкам и капилляр легко забивается.

Манометры Мак-Леода применяют для абсолютных измерений и калибровки вакуумметров других типов. Однако ими нельзя измерять давление паров углеводородов, воды и ртути, так как эти вещества при сжатии конденсируются и адсорбируются на стеклянных стенках прибора.

При пользовании простым манометром Мак-Леода поступают следующим образом: через отвод 8 манометр присоединяют к установке. Резервуар с ртутью 6 опускают так, чтобы ртуть вытекла из баллона 1 и капилляра 2. После того как вакуум в системе установится, резервуар 6 поднимают на такую высоту, чтобы уровень ртути в боковом, открытом капилляре 4 оказался на высоте верхнего конца запаянного капилляра 2. Объем воздуха, оставшегося в капилляре 2, пропорционален первоначальному остаточному давлению. Давление, в соответствии с законом Бойля-Мариотта, может быть вычислено по формуле:

где V1 — обьем баллона 1 вместе с капилляром; V2 — объем воздуха в капилляре 2 после сжатия; dh — разность уровней ртути в капиллярах.

Обычно манометры снабжаются шкалой, прокалиброванной для прямого отсчета давления по величине dh.

В некоторых случаях в паспорте манометра приводится постоянная капилляра К, измеряемая объемом на единицу длины капилляра. В этом случае давление может быть рассчитано по формуле:

Этот метод позволяет построить линейную шкалу зависимости разности уровней ртути от измеряемого давления для данного манометра. Зная разность уровней ртути dh, точный объем V1 и площадь сечения капилляра S, измеряемый вакуум можно также вычислить по формуле:

На основе этих вычислений можно заранее изготовить нелинейную квадратичную шкалу для данного манометра. Линейная шкала удобнее для измерения более высоких давлений, а квадратичная — для более низких.

Показывающие манометры для измерения избыточного давления

Для измерения избыточного давления применяются манометры с одновитковой и многовитковой трубчатыми пружинами. Показывающие лабораторные манометры изготовляют с одновитковой трубчатой пружиной. Последняя представляет собой полую металлическую трубку овального сечения, изогнутую по дуге и закрытую с одного конца. Второй конец пружины впаян в штуцер, соединяющий манометрическую трубку с установкой, в которой измеряется давление. Под действием давления трубчатая пружина меняет форму своего сечения, в результате чего ее запаянный конец перемещается пропорционально измеряемому давлению (трубка разгибается).

Для измерения давления до 5 МПа (50 кгс/см2) трубки изготовляют из латуни и бронзы, для более высоких давлений — из стали.

Показывающие манометры выпускают в круглом корпусе диаметром от 40 до 250 мм с верхними пределами измерений от 0,1 до 160 МПа. Нижний предел у всех манометров равен нулю.

Корпуса манометров, предназначенных для измерения давления различных газов, окрашиваются в соответствующие цвета: для кислорода — в голубой, водорода — в темно-зеленый, ацетилена — в белый, хлора и фосгена — в серовато-зеленый, горючих газов — в красный, а остальных негорючих газов — в черный.

Вакуумметры для различных диапазонов давления

Диапазон давлений, измеряемых вакуумметрами, значителен 1013 — 1,33 * 10 в минус 12 Па (760-10 в минус 13 мм рт. ст.), поэтому в настоящее время применяют различные манометры, каждый из которых имеет свой диапазон измеряемого давления.

Термопарный манометр типа ВТ-3 предназначен для индикации давления в диапазоне 665-66,5 Па (5-0,5 мм рт. ст.) и для измерения давления в диапазоне 13,3 — 0,133 Па (0,1 – 0,001 мм рт. ст.). Прибор состоит из измерительной установки и термопарного манометрического преобразователя (лампы) ЛТ-2 или ЛТ-4М. Измерительная установка обеспечивает питание манометрического преобразователя, измерение тока подогревателя и т. э. д. с.

В диапазоне индикации давления вакуумметр работает только с преобразователем ЛТ-2, работающим в режиме постоянства т. э. д. с., в диапазоне измерения давления — с преобразователями ЛТ-2 или ЛТ-4М, работающими в режиме постоянства тока нагревателя.

Отсчет давлений производится по градуировочным графикам, приведенным в приложении к выпускному аттестату, и инструкции по эксплуатации прибора.

Принцип действия термопарного манометрического преобразователя давления основан на зависимости теплопроводности газа от давления. Температура нагревателя определяет электродвижущую силу термопарного преобразователя. Если в преобразователе, вакуумно соединенном с обследуемым объемом, ток нагревателя поддерживать постоянным, то т. э. д. с. термопарного преобразователя будет определяться давлением окружающего газа, так как изменение температуры нагревателя зависит от теплопроводности окружающего газа. Следовательно, при понижении давления теплопроводность газа уменьшится, температура нагревателя увеличится, и возрастет т. э. д. с. термопары.

Читайте также:  Какое лекарство может быстро снизить давление

Ионизационно-термопарный вакуумметр ВИТ-2 имеет два диапазона измерений: 26,6-0,133 Па (0,2 – 0,001 мм рт. ст.) и 0,133 — 1,33 * 10 в минус 5 Па (10 в минус 3 – 10 в минус 7 мм рт. ст.). Точность измерения давлений в области высокого вакуума не очень велика, и порой определяется лишь порядок величины давления.

Прибор состоит из датчика, соединяемого с вакуумной системой, и отдельного блока электрического питания и измерения. Показания прибора зависят от вида газа, и он требует предварительной градуировки по каждому газу.

Принцип действия ионизационно-термопарных приборов основан на том, что при создании потока электронов в разреженном газе будет происходить ионизация и между двумя электродами, к которым подводится электрическое напряжение, возникнет ионный ток. Сила ионного тока при прочих равных условиях будет пропорциональна плотности газа, а следовательно, при определенной температуре пропорциональна его давлению.

Вакуумметр радиоизотопный ВР-4 предназначен для измерения давления газов в диапазоне давлений 1,33 * 0,01 — 1013 Па (10 в минус 4 — 760 мм рт. ст.) как в лабораторных, так и в производственных условиях.

Вакуумметр ВР-4 состоит из измерительной установки с выносным каскадом и радиоизотопного преобразователя МР-8.

Принцип действия преобразователя основан на свойстве а-частиц ионизировать газ, в результате чего образуется ионный ток, пропорциональный давлению газа.

Плутоний-238, используемый в преобразователе в качестве радиоактивного вещества, не обладает проникающим излучением. Прибор безопасен в эксплуатации. Вскрывать преобразователь категорически запрещается.

Регулирование давления

Приспособления, при помощи которых можно регулировать давление в вакуумируемой системе, по характеру действия могут быть разделены на две группы:

1) регулирующие давление путем периодического впуска воздуха в систему, когда разрежение превышает заданную величину;
2) регулирующие давление путем периодического включения и выключения вакуум-насоса.

Простое и достаточно эффективное приспособление для регулирования давления путем впуска воздуха в вакуумированную систему представлено на рис. 115. На шлифованной поверхности крана имеются риски, начинающиеся у отверстий и постепенно сходящие на нет. Скорость впуска воздуха регулируется длиной и диаметром капилляра.

Для регулирования вакуума наиболее распространены маностаты, в основе действия которых лежит гидростатический принцип (рис. 116). Кран 1 остается открытым до тех пор, пока не будет достигнуто нужное разрежение, затем его закрывают. Если в процессе работы давление в системе повышается, то в промывную склянку 2 через слой жидкости поступит такое количество газа, что разность давлений снова окажется постоянной. Нужная разность давлений устанавливается путем регулирования высоты положения уравнительного сосуда 3.

В качестве маностатной жидкости лучше всего пользоваться дибутилфталатом, силиконовым маслом, маслом для вакуум-насосов.

Ртутные маностаты контактного действия с помощью реле замыкают или размыкают электрическую цепь, что сопровождается включением или выключением электродвигателя вакуумного насоса. Одна из моделей изображена на рис. 117, а. Маностат состоит из замкнутой О-образной стеклянной трубки с краном вверху и с боковым отводом, присоединяемым к вакуумируемой системе. Нижняя часть трубки наполнена ртутью, которая постоянно соприкасается с одним нижним контактом и почти достигает второго контакта. Вначале устанавливают требуемое разрежение при открытом кране маностата, после чего кран закрывают. При увеличении вакуума ртуть в правом колене поднимается и замыкает электрическую цепь, в результате чего реле отключает питание электродвигателя вакуум-насоса.

Маностат другой конструкции (рис. 117,6) представляет собой манометрическую трубку с небольшим резервуаром, который соединен краном с нижней частью открытого колена трубки и трехходовым краном с верхней частью открытого колена и с атмосферой. Один из контактов введен в нижний изгиб трубки, а другой — в закрытое колено на середине расстояния между уровнями ртути в обоих коленах. В этом положении маностат установлен на нуль. Открывая нижний кран, можно спустить некоторое количество ртути из первого колена в резервуар и, таким образом, установить маностат на желаемое остаточное давление, при достижении которого электрическая цепь будет разомкнута. Для уменьшения требуемого остаточного давления резервуар, маностата, включенного в эвакуированную систему, соединяют при помощи трехходового крана с атмосферой, в результате чего ртуть в правом колене поднимается на нужную высоту.

Источник

Adblock
detector