1.5 Контрольные вопросы

1. Что такое тепловое расширение жидкости и какой величиной характеризуется это свойство?

2. Изменяется ли плотность жидкости при изменении ее температуры?

4. Что такое вязкость жидкости?

5. Какой величиной оценивается вязкость жидкости?

6. Что такое поверхностное натяжение жидкости?

7. Каковы единицы измерения теплового расширения, вязкости, плотности и поверхностного натяжения жидкости?

8. Какие свойства жидкости измеряют термометром, ареометром, вискозиметром, сталагмометром?

Лаборатоная работа 2. Измерение давления

2.1 Цель работы

Ознакомление с приборами для измерения давления (пьезометр, механический манометр, вакуумметр, дифференциальный манометр, электрический датчик давления). Практическое использование прибора для измерения избыточного давления и вакуума.

2.2 Задачи работы

• измерить положительное избыточное давление;

• измерить отрицательное избыточное давление (вакуума).

2.3 Краткие теоретические сведения

Под действием поверхностных сил жидкость находится в напряженном состоянии, которое в каждой точке среды характеризуется давлением Р.

В каждой точке покоящейся жидкости давление направлено по нормали, действует по всем направлениям одинаково и не зависит от ориентации площадки, на которую оно действует, а зависит от положения точки в жидкости (координаты точки). Это справедливо и для движущейся жидкости, и газа, если их можно считать идеальными (лишенными вязкости).

В вязкой движущейся жидкости давление в данной точке – это среднее значение давления по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Отсутствию сжигающих напряжений в жидкости соответствует абсолютный нуль давления. Давление, отсчитанное от абсолютного нуля, называется абсолютным или просто давлением. Давление можно отсчитывать и от условно принятого нуля, например, атмосферного давления (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Давление абсолютное, избыточное и вакуум

Избыток измеренного давления над атмосферным называется избыточным:

.

Оно может быть отрицательным, если абсолютное давление меньше атмосферного. Отрицательное избыточное давление называют вакуумом:

,

т.е.:

.

Таким образом, давление в точке жидкости:

т. е. сила, действующая на площадку.

Поэтому единицы давления имеют размерность силы, деленной на площадь, в СИ – Па (Паскаль), в МКГСС – кгс/см². Существуют внесистемные единицы давления: атмосфера физическая (атм), атмосфера техническая (ат), бар, а также мм вод. ст. и мм рт. ст. В табл. 1 приведены коэффициенты перевода единиц давления для различных систем.

Таблица 2.1

Коэффициента перевода единиц давления

	Н/м^2	бар	кгс/см^2	атм	мм. рт. ст.	мм. вод. ст.
1 (Паскаль)	1	10^-5	1,01972∙10^-5	0,98692∙10^-5	750,06∙10^-5	0,101972
1 бар=10^6 дин/см^2	10^5	1	1,01972	0,98692	750,06	1,01972∙10^-4
1 кг/см^2=1 ат	0,98066∙10^5	0,980665	1	0,96784	735,56	10^-4
1 атм	1,01325∙10^5	1,01325	1,0332	1	760	1,0332∙10^-4
1 мм рт. ст.	133,322	1,33322∙10^-3	1,37579∙10^-3	1,31579∙10^-3	1	13,5951
1 мм рт. ст.	9,80665	9,80665	10^-4	9,67841∙10^-5	7,3556∙10^-4	1

Так как единица «Паскаль» очень мала, ею пользуются только при измерении незначительных давлений. Для практических целей следует измерять в кПа (кило Паскалях) или МПа (мег Паскаль). Следовательно, 1 кПа = = 10³ Па; 1 мПа = 10⁶ Па.

По принципу действия. различают приборы жидкостные, пружинные, поршневые, электрические и т. д. К жидкостным относятся приборы, созданные по гидростатическому принципу действия, которые называют пьезометрами. Пьезометр применяется для измерения положительных и отрицательных избытков давления над атмосферным и обычно представляет собой стеклянную трубку с одним открытым в атмосферу концом (рис. 2.2). Нижний конец пьезометра соединяется с местом измерения давления. Под действием давления жидкость в пьезометре поднимается до высоты , измеряемой по линейной шкале. Высота называется пьезометрической (вакуумметрической) или пьезометрическим напором.

Рисунок 2.2 – Пьезометрическая высота, вакуумметрическая высота

Расстояние до точки А, отсчитываемое от выбранной горизонтальной плоскости отсчета (0–0), называется высотой положения или геометрическим напором. Сумма геометрического и пьезометрического напоров – называется гидростатическим напором (давлением).

В показания прибора вносят температурную поправку, если температура при измерении не соответствует температуре градуировки, а также поправку на капиллярность, если диаметр трубки меньше 10–12 мм. Диапазон измеряемых давлений ограничивается прочностью и высотой трубок. Чувствительность прибора не ниже 1–2 мм.

Если учесть, что 1 кПа = 0,102 м вод. ст. (1 ам = 10 м вод. ст.), а в помещении трубки могут быть установлены не выше двух-трех метров, то и диапазон измерения водяным пьезометром составляет не более 20,4–30,6 кПа (0,2 – 0,3 ат). Нетрудно заметить, что измеряемый диапазон зависит не только от высоты трубок, но и от удельного веса рабочей жидкости. Обычно в качестве жидкостей используют воду ( 9,8 кН/м³), спирт ( = 7,75 кН/м³), тетрабромэтан ( 3,36 кН/м³), ртуть ( = 133 кН/м³).

Таким образом, при замене воды ртутью диапазон можно увеличить в ~ 13 раз. В этом случае используют иную конструкцию пьезометра – U-образный манометр (рис. 2.3). Разность высот уровней жидкости является показанием прибора.

Рисунок 2.3 – U-образный пьезометр (манометр)

U-образный вакуумметр устроен также, как и U-образный манометр. В условиях вакуума на поверхности рабочей жидкости в левой ветви поверхность в правой ветви опускается так, что столбик рабочей жидкости между уровнями в ветвях уравновешивается разностью давления на этих уровнях, т. е. вакуум:

.

Для измерения разности давлений в двух точках применяется дифференциальный манометр (рис. 2.4). Дифференциальный манометр обычно применяют, когда разность давлений р₁, р₂ мала, а каждое из давлений велико. Показание прибора определяет разность гидростатических напоров в мерных точках.

Точность измерения зависит от точности определения плотности рабочей жидкости, точности установки прибора, градуировки шкалы и точности отсчета показаний. Для увеличения точности отсчета используют микроманометры с наклонной трубкой и шкалой (рис.2.5). Обычно максимальное измеряемое давление не превышает 0,4 МПа (4 атм).

Основным преимуществом жидкостных манометров является большая точность при измерении малых давлений. К недостаткам следует отнести большую громоздкость при измерении больших давлений. Поэтому для измерения больших давлений широко применяются механические манометры, которые обладают портативностью и универсальностью. Действие пружинных манометров (рис. 2.6) основано на применении закона Гука. Сила давления деформирует упругий элемент прибора – пружину, которая может представлять собой полую трубку, мембрану, сильфон и т.п. Деформация упругого элемента, вызванная давлением, по закону Гука пропорциональна давлению и служит его мерой.

Рисунок 2.4 – Дифференциальный манометр

Рисунок 2.5 – Микроманометр с наклонной шкалой

Рисунок 2.6 – Пружинный манометр

Основная деталь прибора с трубчатой пружиной – полная трубка овального сечения 1, согнутая по дуге окружности. Один конец трубки запаян, а к другому концу трубки внутрь ее подсоединен штуцер 2. Под действием давления овальное сечение трубки деформируется. Вследствие возникших напряжений появляется момент, разгибающий трубку. При этом стрелка 3, соединенная, со свободным концом трубки через передаточный механизм 4, поворачивается на некоторый угол, пропорциональный измеряемому давлению.

Некоторые трубчатые приборы измеряют не только избыточное давление, но и вакуум. Такие приборы называются мановакуумметрами.'

В зависимости от материала, формы и размеров трубки трубчатые приборы общего технического назначения имеют шкалы с предельными значениями от 0,05 до 100 МПа (от 0,5 до 10000 атм) и удовлетворяют требованиям 0,5–6 классов точности. Широко распространены образцовые (класса точности 0,2; 0,4) манометры.

Приборы с мембранной пружиной. Упругим элементом мембранного прибора является мембрана, представляющая собой гофрированную металлическую пластинку, закрепленную между фланцами. Мембранные приборы применяют для измерения вакуума и избыточного давления до 2,5 МПа.

Основным элементом электрических приборов служит датчик-преобразователь давления в электрическую величину (рис. 2.7). Преобразование давления в электрическую величину осуществляется за счет перемещения или деформации упругого элемента (чаще всего диафрагмы, на которые наклеивают датчики тензометрические, пьезометрические, конденсаторные, индукционные и т. д.). В большинстве случаев электрическая цепь включает в себя усилитель электрических сигналов, поступающих от датчика, а в качестве регистрирующих приборов могут использоваться стрелочные приборы, самописцы, осциллографы.

Рисунок 2.7 – Датчик давления и измерительный мост

Электрические датчики широко применяются при измерении давлений переменных по времени. Погрешность обычно не превышает ~ 2 %. Диапазон измеряемого давления практически не ограничен.