Приборы для измерения давления

Реферат

По дисциплине гидравлика на тему: Вакуум. Пьезометр. Вакуумметр.

Выполнил: студент 31-м группы

инженерного факультета

Василец В.Н.

Проверил: Колдин М.С.

Мичуринск-Наукоград - 2012 г

Содержание.

Вакуум…………………………………………………………………….3

Приборы для измерения давления………………………………………5

Литература ………………………………………………………………11

Вакуум

На практике сильно разреженный газ называют техническим вакуумом. В макроскопических объёмах идеальный вакуум недостижим на практике, поскольку при конечной температуре все материалы обладают ненулевой плотностью насыщенных паров. Кроме того, многие материалы, в том числе толстые металлические, стеклянные и иные стенки сосудов, пропускают газы. В микроскопических объёмах, однако, достижение идеального вакуума в принципе возможно.

Мерой степени разрежения вакуума служит длина свободного пробега молекул газа λ, связанной с их взаимными столкновениями в газе, и характерного линейного размера l сосуда, в котором находится газ.

Высокий вакуум в микроскопических порах некоторых кристаллов достигается уже при атмосферном давлении, поскольку диаметр поры гораздо меньше длины свободного пробега молекулы.

Рассмотрим два сосуда I и II (риc. 1), соединённые между собой. Сосуд II заполнен жидкостью и имеет давление на свободной поверхности, равное атмосферному P_A. Из сосуда I, постепенно откачивая воздух, создадим разрежение с давлением Р_РАЗР меньше атмосферного. Тогда жидкость из сосуда II начнёт подниматься, то есть всасываться по трубке.

Рис. 1. Определение величины вакуума

Пусть при каком-то давлении Р_разр уровень в трубке поднялся на величину hV. Рассмотрим равновесие частиц жидкости в трубке на уровне а – а. Так как частицы жидкости в трубке на уровне а – а находятся в равновесии, то это значит, что давление со стороны сосуда I, равное Р_разр + г hV, и давление со стороны сосуда II, равное P_A, между собой равны.

В этом случае можно написать, что Р_разр + г hV = P_A. отсюда:

P_A – Р_разр = г hV = PV.

Разность между атмосферным давлением P_A и абсолютным давлением Р_разр, когда оно меньше атмосферного, называется вакуумметрическим давлением, или вакуумом. Иначе, вакуум – это недостаток давления до атмосферного.

Вакуум измеряется в тех же единицах, что и гидростатическое давление. Вакуум можно измерить и высотой столба жидкости. Вакуум встречается в насосах и иных гидравлических аппаратах и сооружениях, например в сифонах, и т.п.

Теоретически наибольшая величина вакуума может быть равна 1 кгc/см2, или 10,33 м вод. ст., или 101,3 кН/м2. Практически такой величины вакуума добиться нельзя, так как абсолютное разрежение над жидкостью создать невозможно, потому что в пространстве над жидкостью неизбежно будут пары жидкости и выделяющийся из жидкости растворённый воздух. Поэтому при перекачке холодной воды величина вакуума практически в насосах бывает не более 7 м вод. ст., при перекачке горячей воды и лёгких жидкостей – значительно меньше.

Аппараты, используемые для достижения и поддержания вакуума, называются вакуумными насосами. Для поглощения газов и создания необходимой степени вакуума используются геттеры. Более широкий термин вакуумная техника включает также приборы для измерения и контроля вакуума, манипулирования предметами и проведения технологических операций в вакуумной камере и т. д. Высоковакуумные насосы являются сложными техническими приборами. Основные типы высоковакуумных насосов — это диффузионные насосы, основанные на увеличении молекул остаточных газов потоком рабочего газа, геттерные, ионизационные насосы, основанные на внедрении молекул газа в геттеры, например титан и криосорбционные насосы в основном для создания форвакуума.

Стоит отметить, что даже в идеальном вакууме при конечной температуре всегда имеется некоторое тепловое излучение - газ фотонов. Таким образом, тело, помещённое в идеальный вакуум, рано или поздно придёт в тепловое равновесие со стенками вакуумной камеры за счёт обмена тепловыми фотонами.

Вакуум является хорошим термоизолятором. Перенос тепловой энергии в нём происходит лишь за счёт теплового излучения, конвекция и теплопроводность исключены. Это свойство используется для теплоизоляции в термосах сосудах Дьюара, состоящих из ёмкости с двойными стенками, пространство между которыми вакуумированно.

Вакуум широко применяется в электровакуумных приборах — радиолампах, например, магнетронах микроволновых печей, электронно-лучевых трубках и т. п.

Приборы для измерения давления

Давление в жидкости измеряется приборами:

– пьезометрами;

– манометрами;

– вакуумметрами.

Пьезометры и манометры измеряют избыточное манометрическое давление, то есть они работают, если полное давление в жидкости превышает величину, равную одной атмосфере p = 1 кгс/см2 = 0,1 МПа. Эти приборы показывают долю давления сверх атмосферного. Для измерения в жидкости полного давления p необходимо к манометрическому давлению p_ман прибавить атмосферное давление p_атм, снятое с барометра. Практически же в гидравлике атмосферное давление считается величиной постоянной

p_атм = 101325 ≈ 100000 Па.

Рис. 2. Пьезометрическая плоскость

Пьезометр обычно представляет собой вертикальную стеклянную трубку, нижняя часть которой сообщается с исследуемой точкой в жидкости, где нужно измерить давление, например, точка А на рис. 2, а верхняя её часть открыта в атмосферу. Высота столба жидкости в пьезометре hp является показанием этого прибора и позволяет измерять избыточное манометрическое давление в точке по соотношению:

жидкость гидростатический вакуум давление

p_изб = g hp,

где hp – пьезометрический напор высота, м.

Упомянутые пьезометры применяются главным образом для лабораторных исследований. Их верхний предел измерения ограничен высотой до 5 м, однако их преимущество перед манометрами состоит в непосредственном измерении давления с помощью пьезометрической высоты столба жидкости без промежуточных передаточных механизмов.

Рис. 3. Пьезометр

В качестве пьезометра может быть использован любой колодец, котлован, скважина с водой или даже любое измерение глубины воды в открытом резервуаре, так как оно даёт нам величину hp.

Манометры чаще всего применяются механические, реже – жидкостные. Все манометры измеряют не полное давление, а избыточное:

p_ман=p_изб= p - p_атм.

Преимуществами их перед пьезометрами являются более широкие пределы измерения, однако есть и недостаток: они требуют контроля их показаний. Манометры, выпускаемые в последнее время, градуируются в единицах СИ: МПа или кПа. Однако ещё продолжают применяться и старые манометры со шкалой в кгс/см2, они удобны тем, что эта единица равна одной атмосфере. Нулевое показание любого манометра соответствует полному давлению p, равному одной атмосфере.

Вакуумметр - это U-образная стеклянная трубка, в колене которой имеется жидкость, тяжелее от той, которая находится в сосуде. Один конец трубки соединен с сосудом, а второй открыт рис.4.

Рис. 4. Жидкостной вакуумметр

Вакуумметр по своему внешнему виду напоминает манометр, а показывает он ту долю давления, которая дополняет полное давление в жидкости до величины одной атмосферы. Вакуум в жидкости – это не пустота, а такое состояние жидкости, когда полное давление в ней меньше атмосферного на величину p_в, которая измеряется вакуумметром. Вакуумметрическое давление p_в, показываемое прибором, связано с полным и атмосферным так:

p_в=p_атм – p.

Величина вакуума p_в не может быть больше 1 атм, то есть предельное значение p_в ≈ 100000 Па, так как полное давление не может быть меньше абсолютного нуля.

По принципу действия вакуумметры можно подразделить на следующие типы:

- классические – являются обычными манометрами (жидкостными или анероидами), служат для измерения малых давлений. В жидкостных вакуумметрах в измерительном колене применяется масло с известной плотностью и по возможности малым давлением пара с тем, чтобы не нарушать вакуум. Обычно жидкостные манометры изолируют от остальной вакуумной системы при помощи азотных ловушек – специальных устройств наполняемых жидким азотом и служащих для вымораживания паров рабочего вещества манометра. Область измеряемых давлений от 10 до 100000 Па.

- емкостные – основаны на изменении емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Одна из обкладок конденсатора выполняется в виде гибкой мембраны. При изменении давления мембрана изгибается и меняет емкость конденсатора, которую можно измерить. После градуировки возможно использовать прибор для измерения давления. Область измеряемых давлений от 1 до 1000 Па.

- термонапорные – принцип действия основан на охлаждении за счет теплопроводности. Термопара находится в контакте с нагреваемым проводом. Чем лучше вакуум, тем меньше теплопроводность газа, и следовательно выше температура проводника (теплопроводность разреженного газа прямо пропорциональна его давлению). Проградуировав подключенный к термопаре гальванометр при известных давлениях можно использовать измеряемое значение температуры для определения давления. Область измеряемых давлений от 10^-3 до 10 Torr.

- ионизационные – принцип действия основан на ионизации газа. При понижении давления газа уменьшается число атомов, способных подвергнуться ионизации, и соответственно ионизационный ток, текущий между электродами при данном напряжении. Область измеряемых давлений от 10^-12 до 10^-1 Torr. Подразделяются на вакуумметры с холодным катодом (Пеннинга и магнитронные) и с накапливаемым катодом.

Термонапорный и ионизационный вакуумметры широко применяются в промышленности и экспериментах, так как являются массовыми, хорошо повторяемыми приборами. Практически выполняются в виде электронных ламп со стеклянным отростком, соединяющимся с исследуемым объемом с помощью шланга или припаивания.

Приведём примеры снятия показаний с приборов:

пьезометр, показывающий hp=160 см вод. ст., соответствует в единицах СИ давлениям p_изб=16000 Па и p= 100000+ 16000= =116000 Па;

манометр с показаниями p_ман = 2,5 кгс/см2 соответствует водяному столбу hp=25 м и полному давлению в СИ p = 0,35 МПа;

вакуумметр, показывающий p_в=0,04 МПа, соответствует полному давлению p=100 000–40 000=60 000 Па, что составляет 60% от атмосферного.

Литература.

1. Башта, Т.М. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учебник для вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов [и др.]. – 2-е изд., перераб. – М.: Машиностроение, 2010. – 423 с.

2. Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод: учеб. пособие для вузов / Т.В. Артемьева [и др.]; под ред. С.П. Стесина. – 3-е изд., стер. – М.: Академия, 2008. – 336 с.

3. Сологаев, В.И. Механика жидкости и газа: конспекты лекций / В.И. Сологаев; СибАДИ. – Омск, 2010. – 56 с.

4.Чугуев Р.Р. Гидравлика. Л.:»Энергоатомиздат», 1982.