Манометры и насосы

п.1. Жидкостные манометры

Жидкостные манометры – простейшие по конструкции приборы для измерения давления.

Открытые жидкостные манометры используются для измерения давлений выше атмосферного. U-образная вертикальная трубка наполняется жидкостью. Левое колено остается открытым, к правому подсоединяют контур или сосуд, в котором необходимо измерить давление. Под действием повышенного давления столбик жидкости сдвигается из правого колена в левое. По разнице высот с помощью мерной шкалы на фоне трубки определяют величину измеряемого давления \(P_\text{абс}\). Нулевое положение прибора: \(h=0\) при \(P_\text{абс}=P_\text{атм}\). Отклонение $$ h=\frac{P_\text{абс}-P_\text{атм}}{(\rho_\text{ж}-\rho_\text{возд})g} $$ Поскольку \(\rho_\text{ж}\gt \rho_\text{возд}\), можно использовать приближенную формулу $$ h\approx \frac{P_\text{абс}-P_\text{атм}}{\rho_\text{ж}g}\Rightarrow P_\text{абс}=P_\text{атм}+\rho_\text{ж}gh $$

Закрытые жидкостные манометры используются для измерения давлений ниже атмосферного (вакуумметры). Левое колено трубки запаяно и воздуха там нет. Нулевое положение прибора: \(h=0\) при \(P_\text{абс}=0\). $$ h=\frac{P_\text{абс}}{\rho_\text{ж}g}\Rightarrow P_\text{абс}=\rho_\text{ж}gh $$

Преимуществами жидкостных манометров являются:

• высокая точность измерений;
• простота использования;
• низкая стоимость;
• быстрый монтаж.

Недостатки жидкостных манометров:

• возможный выброс рабочей жидкости при резком скачке давления;
• хрупкость;
• относительно узкий диапазон измерений;
• зависимость точности от чистоты внутренней поверхности трубок;
• невозможность автоматизации.

Металлические манометры

Основная часть трубчатого металлического манометра – согнутая в дугу металлическая трубка 1, один конец которой закрыт. Другой конец трубки с помощью крана 4 сообщается с сосудом, в котором измеряют давление. При увеличении давления трубка разгибается. Движение закрытого конца трубки при помощи рычага 5 и зубчатой передачи 3 передаётся стрелке 2, которая движется по шкале прибора по часовой стрелке. При уменьшении давления трубка сгибается, стрелка перемещается в обратном направлении, против часовой стрелки.

Металлические манометры применяются очень широко, практически везде, где возникает необходимость в измерении и контроле давления.

п.3. Цифровые манометры

В наше время все чаще используются цифровые манометры. Чувствительным элементом цифрового манометра является пьезоэлектрик: вещество, в котором под действием деформации появляется электрический заряд. Это заряд фиксируется и обрабатывается с помощью микроконтроллера. Плата цифрового манометра

Преимуществами цифровых манометров являются:

• высокая точность измерений;
• простота использования;
• удобная шкала;
• возможность применения адаптеров;
• автоматизация измерений и контроля (удаленное включение/выключение систем, удаленная передача измерений).

Недостатки цифровых манометров:

• уязвимость электроники к агрессивным внешним условиям;
• быстрый рост стоимости при повышении требований к надежности и срокам эксплуатации.

п.4. Простой поршневой насос

1 – поршень, 2 – всасывающие клапаны

Этот гидравлический механизм известен человечеству, как минимум, два тысячелетия. Именно с ним связано изречение Аристотеля о том, что «природа не терпит пустоты»: ведь вода всегда следует за поршнем. Но в XVII веке выяснилось, что не всегда - этим насосом нельзя поднять воду выше, чем на 10,3 м (см. §31 данного справочника). Насос состоит из цилиндра, внутри которого перемещается плотно прилегающий к стенкам поршень 1. В нижней части цилиндра и в самом поршне установлены клапаны 2, открывающиеся только вверх. При движении поршня вверх вода под действием атмосферного давления входит в трубу, поднимает нижний клапан и движется за поршнем в цилиндре. При движении поршня вниз вода под поршнем давит на нижний клапан, и он закрывается. Одновременно под давлением открывается клапан внутри поршня, и вода переходит в пространство над поршнем. При финальном движении поршня вверх вода над ним тоже поднимается и выливается в отводящую трубу. Одновременно за поршнем поднимается новая порции воды, которая при опускании окажется над поршнем. Затем, при необходимости, цикл повторяется.

п.5. Поршневой насос с воздушной камерой

1– поршень, 2 – всасывающий клапан, 3 – нагнетательный клапан, 4 – воздушная камера, 5 – рукоятка

Насос состоит из цилиндра, внутри которого перемещается плотно прилегающий к стенкам поршень 1 и воздушной камеры 4. В нижней части цилиндра установлен клапан 2 и в нижней части воздушной камеры установлен клапан 3, которые открываются только вверх. При надавливании на рукоятку 5 поршень движется вверх, и вода под действием атмосферного давления входит в трубу, поднимает нижний клапан 2 и движется за поршнем в цилиндре. При отпускании рукоятки поршень движется вниз, вода под ним закрывает клапан 2 и по отводящей трубе идёт в воздушную камеру, где поднимает клапан 3 и заходит в камеру. Воздух в воздушной камере сжимается, его давление становится больше атмосферного. Под действием этого давления клапан 3 закрывается, вода выталкивается в трубку и вытекает, воздушная камера освобождается. Теперь цикл можно повторить. Воздушная камера служит для создания давления, большего атмосферного, которое выталкивает воду из камеры. Поэтому этим насосом можно поднять воду из глубины, большей 10,3 м.

п.6. Задачи

Задача 1. На какую предельную высоту можно поднять воду простым поршневым насосом при нормальном атмосферном давлении?

Дано:
\(\rho=1000\ \text{кг/м}^3\)
\(p_\text{атм}=0,73\ \text{Па}\)
\(g=9,8\ \text{м/с}^2\)
__________________
\(h-?\)

Столб воды, который можно поднять при нормальном атмосферном давлении: \begin{gather*} h=\frac{p_\text{атм}}{\rho g}=\frac{101300}{1000\cdot 9,8}\approx 10,34\ (\text{м}) \end{gather*} Ответ: 10,34 м

Задача 2*. Найдите давление в сосудах A, B, C, если атмосферное давление равно 750 мм рт.ст.

Во всех измерениях используется открытый жидкостный манометр.

1) Давление в сосуде А меньше атмосферного.
Разность в высоте столбиков ртути \begin{gather*} h=10-(-10)=20\ (\text{см})=200\ (\text{мм})\\[7px] P_\text{атм}=P_A=\rho gh\Rightarrow P_A=P_\text{атм}-\rho gh \end{gather*} В миллиметрах ртутного столба $$ P_A=h_\text{атм}-h=750-200=550\ (\text{мм рт.ст.}) $$ 2) Давление в сосуде В меньше атмосферного.
Разность в высоте столбиков ртути \begin{gather*} h=80-30=50\ (\text{см})=500\ (\text{мм})\\[7px] P_\text{атм}=P_B=\rho gh\Rightarrow P_B=P_\text{атм}-\rho gh \end{gather*} В миллиметрах ртутного столба $$ P_B=h_\text{атм}-h=750-500=250\ (\text{мм рт.ст.}) $$ 3) Давление в сосуде C больше атмосферного.
Разность в высоте столбиков ртути \begin{gather*} h=20-(-20)=40\ (\text{см})=400\ (\text{мм})\\[7px] P_C=P_\text{атм}-\rho gh \end{gather*} В миллиметрах ртутного столба $$ P_C=h_\text{атм}+h=750+400=1150\ (\text{мм рт.ст.}) $$ Ответ: 550 мм рт.ст.; 250 мм рт.ст.; 1150 мм рт.ст.