Описание установки

Основы теории

Гидростатическим давлением Р в некоторой точке называется предел отношения силы гидростатического давления Р, направленной по нормали к поверхности ΔS на которую она действует, к площади этой поверхности:

(1.1)

Гидростатическое давление действует как внутри жидкости, так и на ее поверхности. В соответствии с основным уравнением гидростатики давление в поле действия силы тяжести линейно увеличивается с возрастанием глубины z:

(1.2)

где Р_о -давление на поверхности жидкости или в любой ее точке;

g - ускоре­ние силы тяжести;

ρ-плотность жидкости.

Динамическое давление потока газа или жидкости может быть определе­но из уравнения Бернулли, все члены которого приведены к размерности дав­ления:

(1.3)

Второй член уравнения (1.3) представляет собой динамическое давление.

Гидростатическое давление, измеренное внутри газа или жидкости, назы­вается абсолютным Р_абс. Если это давление больше атмосферного, то разность между ними определяет избыточное давление:

(1.4)

Если же атмосферное давление больше абсолютного, то их разность оп­ределяет вакуум в аппарате Р_вак:

(1.5)

Сущёствуют приборы для измерения гидростатического, динамического, атмосферного, избыточного давления и вакуума. Рассмотрим схемы и принцип действия основных приборов для измерения давления.

Пьезометр (рис. 1.1) применяется для измерения избыточного давления представляет собой стеклянную трубку с открытым верхним концом. Нижний конец трубки соединен с местом измерения давления. Под действием давления жидкость в трубке поднимается на высоту h, измеряемую по линейной шкале.

Согласно уравнению (1.2) абсолютное давление в произвольно выбранной точке А

U - образный мановакууметр - это U-образная стеклянная трубка, запол­ненная до некоторого уровня рабочей жидкостью с плотностью большей, чем плотность измеряемой среды. Одно из колен трубки соединено с местом изме­рения, другое имеет выход в атмосферу (рис. 1.2). Если давление в измеряемом аппарате больше, чем атмосферное, то под его действием уровень жидкости в левом колене опустится, а в правом поднимется. Разность уровней h является показанием прибора. Проведя плоскость cравнения на уровне жидкости в левом колене, запишем равенство давлений:

(1.8)

где Р₁ - давление в аппарате;

ρ - плотность жидкости в приборе;

ρ_c – плотность среды в аппарате;

h - разность уровней точки А и рабочей жидкости в левому колене.

Отсюда избыточное давление в аппарате

(1.9)

Если в аппарате вакуум, т.е. давление ниже атмосферного, то в левом колене жидкость поднимется, а в правом опустится. Вакуумметрическое давление в аппарате в этом случае выражается следующим образом:

(1.10)

Рис.1.2

Дифференциальный манометр применяется для измерения разности давлений. Он также представляет собой U-образную стеклянную трубку (рис.1.3), оба конца которой подсоединены соответственно к двум аппаратам. Проведя плоскость сравнения через

уровень жидкости в колене, получим:

(1.11)

Отсюда разность давлений в аппаратах:

(1.12)

Если аппараты находятся на одном уровне, то h₁=h₂+h. Тогда

(1.13)

Рис.1.3

Микроманометр, или пьезометр с наклонной трубкой (рис.1.4), применяется для повышения точности измерений. Он представляет собой разновидность чашечного манометра, отличающегося от U-образного тем, что одна из трубок заменена сосудом более широкого сечения. Это позволяет уменьшить влияние изменения уровня в ней на точность измерения давления. Наклонная трубка применяется для повышения точности измерений. Показание трубки

(1.14)

Измеренное микроманометром избыточное давление

(1.15)

Микроманометр позволяет также измерять разность давлений. В этом случае трубку с большим давлением подсоединяют к штуцеру со знаком «плюс»(+), а меньшее к штуцеру со знаком «минус»(-). Микроманометры чаще всего заполняют спиртом (ρ= 810 кг/м³) идля удобства шкалу наклонной трубки градуируют в единицах давления Р_т, а значения sin α = β отмечают на шкале угла наклона: 0,1; 0,2 и т.д.

Рис.1.4.

Избыточное давление или разность давлений вычисляют по формуле

(1.16)

Микроманометр часто используют для измерения динамического давле­ния потока газа. К микроманометру при этом подсоединяют трубку Пито, имеющую загнутый конец. Как правило, трубка снабжена двумя каналами, входное сечение одного из которых направлено перпендикулярно потоку. Этот канал измеряет полное давление (см. уравнение (1.3). Плоскость сечения второ­го канала параллельна потоку. Этот канал измеряет статическое давление (см. уравнение (1.2). Если оба канала подсоединить к микроманометру, то он будет измерять разность этих давлений, т.е. динамическое давление потока газа. С учетом коэффициента трубки НИИОГАЗ, используемой в работе (k = 0,55), по­лучим

(1.17)

Механические приборы применяются для измерения больших давлений. В конструкциях механических манометров и вакуумметров используются упру­гие рабочие элементы: полые пружины эллипсоидального сечения, гибкие диа­фрагмы, сильфоны и т.п., которые под действием давления деформируются и эта деформация передается на стрелку прибора (рис 1.5).Примером прибора этого типа является барометр, который в данной лабораторной работе применя­ется для определения атмосферного давления.

Рис 1.5

Описание установки

В лабораторной установке (рис.1.6,а) имеются два U-образных мановакууметра 1 и 2 (один заполнен водой, а другой спиртом) и два пьезометра 3 и 4, а также два герметичных резервуара 5 и 6, заполненных до середины водой. Верхний резервуар 5 сообщается с атмосферой с помощью крана К2, а нижний резервуар 6 соединен с ней постоянно

б