6.1. Измерение давлений в воздухопроводах и схема подключений микроманометра.

Единицей давления в системе СИ является паскаль (Па).

Паскаль - давление, которое создастся силой в 1 Н на площади 1 м².

В технической системе давление выражалось в кГ/м², мм вод. ст., мм. рт. ст., кГ/см², технических атмосферах, физических атмосферах.

Зависимость между единицами давления следующая;

1 Па = 1 Н/м² =0,102 кг/м₂ =0,102 мм вод. ст.;

1кГ/м2 = 1мм вод. ст. = 9,81 Па = 10 Па;

1ат (техн.) = 10000 кГ/м² = 10000мм вод. ст. = 735мм рт, ст. = 98100 Па;

1ат (физич.) = 10333мм вод. ст. = 760мм рт. ст. = 101366 Па.

В вентиляционной технике давление обозначают: Р - абсолютное давление; ±Н - избыточное давление, т. е. разность между абсолютным давлением Р в измеряемой точке и атмосферным давлением Р в помещении:

при Р > Р_a избыточное давление Н положительно («плюс»), при Р < Р_a -отрицательно («минус»).

Внутри вентиляционных воздухопроводов при движении воздуха различают три вида давлений: статическое - Р_ст, динамическое - Р_д и общее -P_o. Статическое давление действует по всем направлениям по закону Паскаля. Динамическое давление действует только в направлении скорости и равно

Общее давление всегда равно сумме статического и динамического давлений:

Избыточные давления в воздухопроводе на основании формулы (4)

выражают следующим образом:

Динамическое давление в атмосфере помещения Рда принимают равным нулю.

Зависимость между избыточными давлениями выражается следующей формулой:

В вентиляционной технике приходится измерять очень малые избыточные давления и разрежения от 5 до 3000 Па. Приборы для измерения таких малых давлений называют микроманометрами. Микроманометры измеряют не абсолютные давления Р внутри воздуховодов, а разность давлении в воздухопроводе и в атмосфере Р_а, т. е. избыточное давление ±Н согласно зависимости (4).

Ввиду того, что в воздухопроводе есть три вида давлений: - статическое Р_ст, динамическое Р_д и общее Р_о приходится измерять три вида избыточных давлений: ± Н_ст., Н_д и ±Н_о, согласно зависимостям (6), (7) и (8).

Можно замерить только два, а третье найти вычислением по зависимости (9).

Микроманометры бывают жидкостные и мембранные. Мембранные микроманометры не выдерживают вибраций, поэтому их редко применяют в производственных условиях. Наибольшее применение имеют жидкостные (водяные и спиртовые) микроманометры.

Ртутные микроманометры в вентиляционной технике не применяют ввиду повышенной плотности (13, 6 г/см₃) ртути и ее вредности.

Принцип действия жидкостных микроманометров основан на вытеснении и перемещении жидкости в сообщающихся сосудах под действием разности давлений, уравновешиваемых гидростатическим давлением столба жидкости.

Наибольшее применение имеют следующие жидкостные микроманометры: простейшие U - образные, чашечные с вертикальной неподвижной шкалой, чашечные с наклонной неподвижной шкалой и чашечные с наклонной поворотной шкалой.

Простейший U-образный микроманометр. Устройство микроманометра и схема измерения давлений покачаны на рис. 4.

Микроманометр состоит из корпуса и изогнутой стеклянной калиброванной трубки диаметром 6…8 мм, которая крепится к корпусу. Концы стеклянной трубки открыты, заострены для удобства надевания резиновых шлангов и имеют местные утолщения для создания герметичности соединения. Между стеклянными трубками на рамке имеется шкала с миллиметровыми делениями. На рис.4 изображен микроманометр с нулем шкалы посередине и длиной шкалы 300мм. Удвоение надписей на шкале (20 мм вместо 10, 40 мм вместо 20 и т. д.) позволяет определить общую высоту столба жидкости по одному мениску при условии заливки жидкости перед замерами точно на нуль.

Имеются микроманометры с нулем внизу или с нулем посередине без удвоения надписей на шкале. Они более удобны для отсчетов.

Рис. 4. Схема измерения статического давления в воздухопроводе простейшим U - образным микроманометром при Р_в > Р_а

1 - U - образный микроманометр;
2 - воздухопровод;
3 - штуцер:
4 - резиновая трубка.

На схеме измерения показано, что один из концов стеклянной трубки микроманометра 1 соединен резиновой трубкой 4 со штуцером 3 воздухопровода 2. Второй конец стеклянной трубки микроманометра открыт, и на поверхность жидкости правого колена будет давить атмосферное давление Р_а. На поверхность жидкости левого колена трубки будет передаваться давление в воздухопроводе Р_в .

Когда давление в воздухопроводе Р_в > Р_а, уровень жидкости в правом колене опустится, а в левом поднимется на такую же величину. При Р_в < Р_а произойдет обратное перемещение жидкости из левого колена трубки в правое.

Столб жидкости высотой h от опустившегося уровня в правом колене до поднявшегося уровня в левом колене трубки микроманометра уравновешивает давление в воздухопроводе Р_в и атмосферное давление Р_а, по следующей зависимости:

где Р_ж - давление, равное весу столба жидкости высотой h, деленному на площадь поперечного сечения трубки.

Выражая вес столба жидкости через объем и плотность, получим уравнение равновесия жидкости в U - образном микроманометре в следующем виде:

На основании зависимости (4) измеряемое избыточное давление будет равно:

где: ж - плотность жидкости, кг/м³ или г/см³;

h - высота столба жидкости, м или мм;
g = 9, 81 м/с² - ускорение свободного падения.

Из выражения (12) видно, что точность измерения зависит от плотности жидкости ж. Чем меньше плотность жидкости, тем больше высота столба жидкости h при той же разности давлении (Рв - Ра) и тем меньше цена деления шкалы, а следовательно, меньше погрешность измерения.

Так, например, для воды плотностью ж = 1 г/см³ ошибка в отсчете по шкале h = 1 мм даст погрешность измерения давления ±H = 9,81 = 10 Па.

На спирте плотностью 0,8 г/см³ ошибка измерения составит около 8 Па. При измерении малых избыточных давлений меньше 100 Па эти ошибки измерения превышают 10%, что недопустимо.

Рис. 5. Схема измерения давления в воздухопроводе микроманометром с наклонной шкалой при Р_в < Р_а.

Поэтому простейшие U-образныe микроманометры можно применять только для измерения повышенных избыточных давлений больше 100 Па c невысокой точностью. Для более точных измерений применяют чашечные микроманометры с наклонной шкалой, которые имеют достаточно высокую точность ( до 1...2 Па).

Схема измерения избыточных давлений чашечным микроманометром с наклонной шкалой показана на рис. 5.

Уравнение равновесия в чашечном микроманометре с наклонной шкалой при Рв < Ра имеет следующий вид:

P_ж - давление первой составляющей G₁ силы тяжести столба жидкости в трубке, которое уравновешивает разность измеряемых давлений.

Давление первой составляющей столба жидкости можно выразить через площадь поперечного сечения трубки, объем и плотность жидкости. На основании зависимости (12) получим давление в Па:

Знак «минус» (-) перед избыточным давлением Н показывает, что

Из выражения (13) видно, что измеряемое избыточное давление Н, равно произведению длины наклонной шкалы l на синус угла α наклона трубки к горизонтали на плотность жидкости ρ_ж и ускорение свободного падения g. Чем меньше угол наклона трубки, тем точнее измерение, так как больше длина шкалы и меньше погрешность отсчета.

Для удобства получения результатов измерения давления в Па с учетом поправки на нормальные условия выражение (13) применяют в следующем виде:

где K= sin α ρ_ж - коэффициент чашечного микроманометра, или фактор микроманометра;

Δ=ρ_ст/ρ- поправочный коэффициент на приведение результатов замера к стандартным условиям;

ρ_ст= 1, 2 кг/м³ - плотность стандартного воздуха;

ρ - плотность воздуха при параметрах измерения.

Коэффициент Δ можно определить по следующей зависимости

где Т= 273 + t , °С - температура воздуха при измерениях, °К;

Р - давление воздуха при измерениях, Па.

Из сравнения уравнений равновесия (12) и (13) видно, что точность измерения микроманометром с наклонной шкалой выше, чем микроманометром с вертикальной шкалой. Это объясняется тем, что длина l наклонной шкалы больше высоты h столба вертикальной шкалы, т. к. h= l sinα . Таким образом, одна и та же ошибка в отсчете положения мениска по шкале в 1мм даст меньшую погрешность в давлении в l/sin α раза, чем при вертикальной шкале h. Чем меньше угол наклона трубки к горизонтали, тем меньше погрешность отсчета и выше точность измерения.

В настоящее время большое применение находят микроманометры ММН (микроманометр многопредельный для измерения избыточною давления H,Па), в которых цилиндрическая чаша имеет вертикальную ось, поэтому площадь сечения жидкости в чашке и точность измерения постоянны.

Схема подключения микроманометров для определения давления во всасывающем и нагнетающем воздухопроводах показана на рис. 6.

При измерениях полного давления (Н_п) или статистического (Н_ст) во всасывающем воздухопроводе соответствующий конец пневмометрической трубки соединяют с наклонной трубкой микроманометра, а для замеров тех же давлений в нагнетающем воздухопроводе - с баллоном микроманометра.

Техническая характеристика микроманометра ММН: длина шкалы - 300мм; пределы измерения: максимальный - до 2400 Па (240мм вод. ст.), минимальный при коэффициенте К = 0,2 - до 600 Па; заполнитель - этиловый спирт плотностью 0,8095 ± 0.0005 г/см3; погрешность измерения не превышает 0,5...1% от верхнего предела измерения; допустимое давлением при проверке герметичности чашки и трубки - до 20000 Па.

Для получения динамического давления во всех случаях соединяют концы пневмометрической трубки с микроманометром одинаково: трубку полного давления(+) - с баллоном, а трубку статического давления (-) - с трубкой микроманометра.