1.2. Поршневые манометры

Поршневые манометры появились позже жидкостных. Впервые поршневой манометр был применен для измерения давления в 1833 г. Парротом и Ленцем (Российская Академия наук) при изучении сжимаемости воздуха и других свойств газов, причем значение давления для того времени было очень большим (10 МПа). Дальнейшее развитие поршне­вой манометрии шло, в основном, в сторону увеличения точности и верхних пре­делов измерений, а, начиная с тридцатых годов текущего столетия поршневые ма­нометры стали вытеснять жидкостные и при точных измерениях давлений, близких к атмосферному давлению.

Большой вклад в развитие поршневой манометрии внесли проф. М.К. Жохов-ский, который впервые разработал целостную теорию приборов с неуплотненным поршнем, П.В. Индрик, В.Н. Граменицкий и многие другие их последователи.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом поршневые манометры иг­рают ведущую роль при поверке и испытаниях манометрических приборов в ши­роком диапазоне давлений от 1 кПа до десятков тысяч МПа и находят все боль­шее применение в качестве национальных государственных эталонов давления.

1.2.1. Принцип действия, основы теории и типы поршневых манометров

На рис.5 изображен простейший поршневой манометр, который состоит из цилиндрического поршня 1, притертого к цилиндру 2 с ми­нимально возможным зазором. Если на ниж­ний торец поршня действует измеряемое дав­ление р, то для его уравновешивания к порш­ню должна быть приложена сила Р. Уравнение равновесия с учетом силы трения на боковую поверхность поршня, возникшей при протека­нии жидкости или газа через зазор между поршнем и цилиндром под действием изме­ряемого давления, имеет вид

рF = P-T, (7)

где F — геометрическая площадь поперечного сечения поршня; Т — сила жидкостного трения на боковую поверхность поршня.

Рис. 5. Простейший порш­невой манометр

Наиболее часто измеряемое давление уравновешивают весом грузов, что явно предпочтительно с точки зрения достижения высокой точности измерений, хотя и представляет известные неудобства в эксплуатации.

Благодаря высокой стабильности эффективной площади, которая определяется в основном геометрическими размерами пары поршень - цилиндр, а также возможности учета внешних влияний расчетными методами, поршневые манометры являются идеальными преобразова­телями давления в силу.

Наиболее существенное достоинство поршневых манометров со­стоит в том. что они непосредственно воспроизводят давление по опре­делению: давление равно силе, деленной на площадь поршня. Этот ме­тод так же, как и метод уравновешивания давления столбом жидкости, является фундаментальным, т. е. измерение давления в конечном итоге сводится к измерению массы, длины и времени. Вышеизложенное по­зволяет сформулировать следующее определение.

Поршневой манометр — манометр, в котором действующее на пор­шень измеряемое давление преобразуется в силу и определяется по зна­чению силы, необходимой для ее уравновешивания. В наиболее распрос­траненных поршневых манометрах давление уравновешивается весом грузов. Такие манометры называются грузопоршневыми.

Одно из обязательных условий, обеспечиваю­щих возможность выполнения измерения — сохранение постоянства из­меряемого давления при его измерении. В жидкостно-поршневых мано­метрах это достигается уравновешиванием измеряемого давления гидро­статическим давлением столба жидкости. Например, в колокольном манометре столб образуется в кольцевом пространстве между боковыми поверхностями колокола и сосуда, в которой залита разделительная жидкость (гидростатический затвор). В отличие от этого в поршневых манометрах постоянство давления в измерительной камере поддержива­ется благодаря гидравлическому сопротивлению протекания жидкости через зазор между поршнем и цилиндром (гидродинамический затвор). При этом ввиду малости зазора (1-2 мкм) гидравлическое сопротивле­ние позволяет поддерживать постоянство давления с допускаемыми от­клонениями. Не обеспечивая полную герметичность, гидродинамический затвор обладает очень важным преимуществом - измеряемое давление практически не влияет на размеры прибора, в то время как во всех жид­костных манометрах высота столба жидкости, необходимая для уравновешивания, прямо пропорциональна измеряемому давлению.

Измерительные системы поршневых манометров могут быть класси­фицированы по различным признакам: форме и конструкции поршне­вых пар, уравновешенности собственного веса поршня и способам его уравновешивания, видам измеряемой среды, способам уравновешивания измеряемого давления, назначению поршневого манометра, виду измеря­емого давления и пр.

Основные конструктивные формы цилиндрических поршневых пар, представленные на рис. 6, позволяют осуществить преобразование из­меряемого давления в силу или в давление другого назначения.

Различные формы поршневых пар при их применении в поршневых манометрах для измерения различных видов давления имеют свои пре­имущества и недостатки.

Рис. 6. Формы цилиндрических поршневых пар

При измерении избыточного давления наиболее предпочтительны од­ноступенчатые поршневые пары (рис. 6, а), которые обеспечивают мак­симальную конструктивную простоту манометров и технологичность их изготовления. При этом масса грузов, которые, как правило, применяют­ся для уравновешивания измеряемого давления, при измерении избыточ­ного давления (рабс > ратм) прилагается непосредственно к верхнему торцу 2 поршня; а при измерении отрицательного избыточного давления (рабс < ратм) к нижнему торцу 1 поршня. На этом принципе основаны образцовые и эталонные манометры с верхни ми диапазонами измерений от 40 кПа до 250 МПа, а в некоторых случаях до 600 МПа.

При измерении абсолютного давления и разности применение одно­ступенчатой поршневой пары приводит к существенному усложнению конструкции поршневого манометра и методики выполнения измерений. Так, при измерении абсолютного давления пространство над верхним торцом 2 поршня должно быть вакуумировано, что приводит к необхо­димости герметизации верхней части прибора, а это существенно услож­няет процесс наложения уравновешивающих грузов при измерении дав­ления. В данном случае более предпочтительно применение трехступенча­той поршневой пары (рис. 6, в), которая позволяет подводить измеряемое и опорное давления непосредственно в замкнутые измерительные камеры 2 и 3. При этом обеспечивается свободный доступ к верхнему торцу 4 поршня при наложении уравновешивающихся грузов.

Двухступенчатые (дифференциальные) поршневые пары (рис. 6. б) наиболее часто применяются для многократного уменьшения измеря­емого давления при измерении высоких избыточных давлений или уве­личения измеряемого давления при измерении низких давлений.

Показания поршневых манометров, как и любых других приборов, зависят от условий, в которых проводятся измерения. Поэтому, несмот­ря на то, что поршневые манометры являются наиболее стабильными по сравнению с манометрами других типов, в их показания при измерениях высокой точности необходимо вводить соответствующие поправки, учи­тывающие влияние условий измерений, k ним относятся влияние темпе­ратуры окружающей среды, деформации поршня и цилиндра под дейст­вием измеряемого давления, а для поршневых манометров, в которых измеряемое давление определяется по весу уравновешивающих его гру­зов, необходимо учитывать местное ускорение свободного падения и потерю массы грузов в воздухе.