Колокольный микроманометр №2


Колокольный микроманометр №2 эталонного класса

Создать универсальный эталонный микроманометр, который мог бы поддерживать единство измерений с требуемой точностью в пределах от 0 до 400 мм водяного столба, практически невозможно. В настоящее время для измерения разностей давлений газов в разных условиях требуются различные типы микроманометров. Осуществить единство измерений малых разностей давлений газов можно путем создания группового набора эталонных приборов с диапазонами измерений 0 — 10, 0 — 100 и 0 — 400 мм водяного столба.

В литературе имеется описание нескольких конструкций колокольных микроманометров.

Мы приводим краткое описание лишь двух типов этих микроманометров.

Микроманометр с одним колоколом.

К одному концу коромысла подвешен вверх дном цилиндрической формы сосуд — колокол, частично погруженный в жидкость, наполняющую ванну. Внутренняя полость колокола соединяется посредством двух трубок; одна из этих трубок служит для изменения давления, другая — для соединения с испытуемым прибором.

Изменение давления под колоколом нарушает равновесие весов. Величина груза, восстанавливающего равновесие весов, определяет разность давлений между, атмосферным давлением и давлением под колоколом.

Искомое избыточное давление определяем по формуле:


(**)

Где: Р — вес дополнительного уравновешивающего груза,

F — площадь поперечного сечения колокола в свету,

F1 — кольцевая площадь поперечного сечения стенок колокола,

F2 — площадь свободной поверхности жидкости, находящейся в ванне.

Микроманометр с двумя колоколами, созданный Московским горным институтом, отличается от предыдущего тем, что к концам коромысла прикреплено два колокола, частично погруженных в жидкость, находящуюся в ванночках под колоколами.

Расчетная формула прибора при измерении давлений, больших атмосферного, сохраняет вид уравнения (**).

Эталонный микроманометр № 2.

Эталонный

Схематическое изображение микроманометра показано на рисунке 1. Отличие его от микроманометра Московского горного института заключается в применении одной общей ванны и двух измерительных колоколов конструкций автора.

Микроманометр № 2 предназначен для измерения разности давлений от 0 до 100 мм водяного столба. Для создания его были взяты весы, изготовленные мастерскими Главмервеса на нагрузки до 5 кг. Чувствительность весов в атмосфере, которая определяется по нагрузке, вызывающей отклонение стрелки на 0,1 деления, составляет 1 мг. К чашкам весов при помощи проволочных серег подвешены вверх дном два фасонных колокола из нержавеющей стали, погруженные в общую ванну, заполненную спиртом.

См. также:  Газовые манометрические приборы

 


Уровень спирта должен быть на высоте средней части тонкостенной шейки колокола (рисунок 2).

Колокола, изготовленные из нержавеющей стали, имеют следующие размеры:

1) колокол № 5 — высота h ≈ 170 мм, внутренний диаметр d= 66,03 ± 0,01 мм, внешний диаметр D = 69,88± 0,01 мм, внешний диаметр шейки колокола D’ =66,95± 0,02 мм;

2) колокол № 6 — высота h ≈ 170 мм, внутренний диаметр d = 66,02± 0,005 мм, внешний диаметр D = 69,88± 0,01 мм, внешний диаметр шейки колокола D’ = 66,95 ± 0,01 мм.

В верхней части колоколов имеется поясок диаметром ~ 80 мм, служащий для. Крепления серег. В дно ванны впаяны две трубки, соединяющиеся с внутренними полостями колоколов.

Чувствительность прибора.

Чувствительностью микроманометра условимся называть давление, сообщаемое прибору, которое вызывает отклонение стрелки на 0,1 деления шкалы весов. Определим чувствительность исследуемого прибора, работающего на. Спирте с весовой плотностью γ. Допустим, что давление Δр, приложенное к колоколу № 6, отклоняет стрелку от равновесного положения на угол α (рисунок 1).

Тогда условие равновесия будет выражаться формулой:

 

(*)

где: F6 — площадь поперечного сечения колокола № 6 в свету,

F — кольцевая площадь сечения колоколов,

h — изменение глубины погружения каждого колокола.

Q — восстанавливающая сила при свободном колебании весов в атмосфере.

Угол отклонения α , соответствующий чувствительности весов, слишком мал, поэтому величиной Q можно пренебречь по сравнению с первым слагаемым правой части уравнения.

Следовательно, чувствительность прибора, согласно приведенному выше определению, будет равна:

Так как

Для исследуемого прибора а ≈ 185 мм, F6 ≈ 3422,6 мм2, l≈ 350 мм, f = 97,6 mm2 при γ =0,810 кг/м3, избыточное давление, отклоняющее стрелку весов на 0,1 деления шкалы, равно примерно 3 мк водяного столба.

См. также:  Дифференциальные манометры

Экспериментально установлено, что указанная чувствительность прибора сохраняет свое постоянство на всем диапазоне измерений от 0 до 100 мм водяного столба.

Из уравнения (*) видно, что точность измерений повышается при уменьшении кольцевой площади сечения колоколов. Для построения микроманометра с пределами измерений от 0 до 100 мм водяного столба необходимы колокола высотой 170 мм. Чувствительность прибора, равная 3 мк водяного столба, возможна при толщине стенок не свыше 0,5 мм.

Точность изготовленных колоколов определяется допуском на постоянство внутреннего диаметра по высоте ± 0,005 мм. Тонкостенный колокол высотой 170 мм, толщиной стенки 0,5 мм и допуском на постоянство диаметром ± 5 мк изготовить чрезвычайно трудно. Толщина стенок 0,5 мм необходима лишь в пределах изменения уровня спирта в ванне, т. Е. На участке высотой около 25 мм. Поэтому для облегчения изготовления колоколов и упрощений производства измерений диаметров, а также для большей устойчивости системы были изготовлены колокола, изображенные на рисунке 2 (выше).

Теория микроманометра.

Допустим, что колокола микроманометра имеют строго цилиндрическую форму, одинаковый вес, одинаковые размеры и висят вертикально. Тогда при сообщении полостей колоколов с атмосферой, т. Е. При Δр = 0, уровни жидкости будут одинаковыми как на внешней, так и на внутренней поверхности, и колокола будут погружены на одну и ту же глубину (рисунок 3). Каждый из колоколов испытывает одинаковую подъемную силу, равную

Где: h — глубина погружения,

γ — весовая плотность жидкости.

Силы поверхностного натяжения также влияют на глубину погружения, но в данном случае сумма их моментов равна нулю.

Если давления в пространстве под колоколами не будут равны, то равновесие весов нарушится. Для восстановления равновесия необходимо положить некоторый груз на соответствующую чашку весов.

См. также:  Общие сведения по типам микроманометров

Обозначим Δр — разность давлений (в нашем случае — избыточное давление по сравнению с атмосферным), Р — груз, восстанавливающий равновесие весов, F — площадь сечения колокола. Эти величины связаны следующей зависимостью:

Р — ∆pf = 0,

Откуда

∆p= P/F (***)

Простота этого уравнения обусловливается применением одной ванны, так как в этом случае подъемная сила вследствие общего уровня жидкости на внешней поверхности обоих колоколов не изменяется. Что же касается незначительной разности в весе жидкости, прилипшей к внутренней и внешней стенкам колоколов, то, как показал опыт, ею можно пренебречь.

Таким образом, применение общей ванны дает большие преимущества как в расчете, так и в уменьшении погрешности. Действительно, в том случае, когда один. Колокол погружен в ванночку, то в формуле для определения Δр (уравнение(**)) имеется член, содержащий величины F1, F2 т. Е. Площади поперечных сечений кольца колокола и ванны. Таким образом, в этом случае для уменьшения погрешности Δр требуется возможно большая ванна. Кроме того, для оценки члена F1/F2 Требуются дополнительные линейные измерения для определения величин F1, F2 , что в итоге дает значительно большую погрешность величины Δ р.

В действительности же нельзя сделать оба колокола совершенно одинаковыми. По этой причине уравнение (***) для реальной установки имеет иной вид.

Если обозначим Р — вес уравновешивающих весы гирек, Δр — избыточное давление, f1 — кольцевую площадь левого колокола, f2 —кольцевую площадь правого колокола, F — площадь внутреннего поперечного сечения левого колокола, к которому подводится давление, F1 — суммарную площадь свободной поверхности жидкости в ванне и в колоколе, соединенном с атмосферой, h — изменение уровня жидкости в колоколе под давлением, h1 — изменение уровня жидкости в ванне, то получим уравнение

Откуда

Так как

То


,

А

Следовательно,