Конструирование компрессионного манометра с квадратичной шкалой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Принцип работы компрессионного манометра

2. Метод квадратичной шкалы

3. Градуировка компрессионного манометра

Заключение

Список использованной литературы

Реферат

Курсовая работа содержит 16 страниц, 2 рисунка, 1 таблицу, 2 использованных источника.

КОМПРЕССИОННЫЙ МАНОМЕТР, КВАДРАТИЧНАЯ ШКАЛА, КАПИЛЛЯР.

Объектом исследования является принцип работы и характеристика компрессионного манометра.

Цель работы - конструирование компрессионного манометра с квадратичной шкалой.

Введение

Практическое использование прибора затруднено в силу сложности, неудобства и медленности работы с ним, а также невозможности серийного изготовления. Манометры изготавливаются и градуируются штучно, при этом для каждого экземпляра варьируется значение постоянной прибора. Потому манометр Мак-Леода используется только как эталонный прибор при градуировке серийных манометров и вакуумметров. Достоинствами манометра Мак-Леода является абсолютность метода измерения, так как высота столбика сжатого газа при прочих равных условиях напрямую связана с его давлением. Предел шкалы прибора ограничивается возможностью очистки рабочего объёма от газа (при его увеличении резко возрастает масса используемой в приборе ртути), диаметром капилляра (при излишне узком капилляре происходит прилипание ртути к его стенкам), возможностью измерения столбика газа, и в лучших практических экземплярах составляет порядка 10^?5Torr.

1. Принцип работы компрессионного манометра

Прототипом компрессионного манометра является манометр Мак - Леода (1890 г.). В компрессионном манометре используется закон Бойля - Мариотта. Манометр (рис. 1) состоит из стеклянного баллона 1 с измерительным капилляром 2, верхний конец которого запаян. От баллона вниз идет припаянная к нему стеклянная трубка 3, имеющая ответвление 4, сообщающее измерительную часть манометра с вакуумной установкой. В свою очередь, трубка 4 разветвляется в виде капилляра 5, по внутреннему диаметру одинакового с 2; капилляр 5 называется сравнительным.

К нижнему концу трубки 3 присоединяется приспособление, содержащее ртуть и позволяющее для измерения давления в вакуумной установке производить поднятие ртути до нужной высоты. На рис. 1 изображен один из вариантов этого приспособления в виде так называемой груши 6, присоединяемой к трубке 3 резиновым шлангом. Груша сверху открыта и. следовательно, над уровнем ртути в груше давление всегда равно атмосферному.

Разберем работу манометра.

Положение I. В вакуумной системе, к которой присоединен манометр, давление равно атмосферному (откачка не начата). Очевидно, при этих условиях уровни ртути в груше и в резиновом шланге будут одинаковы.

Положение II. Начинается откачка вакуумной системы. По мере уменьшения давления в вакуумной системе уровень ртути в резиновом шланге и далее в трубке 3 будет подниматься (в груше несколько понизится). Когда разность уровней достигнет соответствия атмосферному давлению (например, 750 мм), дальнейшее перемещение ртути прекратится, и манометр готов к измерению давления.

Положение груши и измерительной части манометра должно быть заранее предусмотрено так, чтобы до измерения поднимающаяся под действием атмосферного давления ртуть не могла дойти до ответвления 4. это необходимо для того, чтобы сообщение между измерительной частью манометра и вакуумной системой не было перекрыто ртутью и, следовательно, чтобы до измерения в измерительной части было такое же давление, как и вакуумной схеме.

Положение III. Начинаем измерение давления в вакуумной системе. Для этого поднимаем грушу с ртутью; очевидно, вместе с этим будет подниматься и уровень ртути в трубке 3, и в некоторый момент, который мы отметим как положение III, ртуть перекроет сообщение измерительной части манометра с вакуумной системой. Начиная с этого момента, в измерительной части остается определенное количество газа, занимающее в момент перекрытия объем V₁, складывающийся из объемов: измерительного капилляра, баллона и небольшого отрезка трубки между баллоном и ответвлением; давление же в этот момент, очевидно, совпадает с измеряемым давлением в вакуумной системе. Произведение давления на объем равно pV₁.

Положение IV. При дальнейшем поднимании груши как объем, так и давление газа в измерительной части манометра изменяются: объем становится меньше, а давление (по закону Бойля - Мариотта) во столько же раз больше. Положим, мы прекратили поднимание груши в момент, когда уровень ртутив измерительном капилляре занял положение 4ґ, на расстоянии hґ от внутреннего верхнего конца измерительного капилляра. Очевидно, поскольку над уровнем ртути 4ґґ в сравнительном капилляре будет оставаться весьма малое давление, он будет выше уровня ртути в измерительном капилляре как раз на величину, соответствующую давлению, до которого газ сжат в измерительном капилляре. Если расстояние (по вертикали) уровня ртути в сравнительном капилляре от внутреннего верхнего конца измерительного капилляра обозначить через hґґ, то давление сжатого в измерительном капилляре газа будет измеряться разностью уровней (hґ - hґґ). Обозначим объем сжатого газа через V₂; тогда произведение давления на объем газа в положении IV будет равно (hґ - hґґ) V_2.

Теперь можно определить давление p в вакуумной системе. Так как количество газа, перекрытого в момент, соответствующий положению III в измерительной части манометра, оставалось неизменным, температура практически также не изменялась, то можно применить закон Бойля - Мариотта и написать:

pV₁ = (hґ - hґґ) V₂ , (1)

Отсюда искомое давление

p = (hґ - hґґ). (2)

Таким образом, все измерение давления в вакуумной системе компрессионным манометром сводится к такому уменьшению первоначального объема газа V₁ до объема V₂, чтобы первоначальное весьма малое давление р, которое нужно измерить, было увеличено до давления (hґ - hґґ), измеряемого непосредственно глазом по разности уровней ртути в измерительном и сравнительном капиллярах. Заметим, что достаточно правильное измерение давления (hґ - hґґ) возможно лишь при условии, если будет исключено влияние так называемой капиллярной депрессии ртути; для этого сравнительный капилляр, как уже указывалось, должен иметь внутренний диаметр такой же, как и у измерительного капилляра; в частности вследствие влияния капиллярной депрессии уровни ртути в широкой ветви трубки (рис. 1) и в сравнительном капилляре никогда не будут одинаковы: в капилляре он будет тем ниже, чем тоньше капилляр.

Если давление (hґ - hґґ) мы отсчитываем непосредственно глазом, то отношение мы непосредственно измерить не можем. Чтобы знать, чему равно отношение , мы должны пользоваться теми данными, которые дает предварительная градуировка манометра. В зависимости от способа градуировки существует два метода измерения давления компрессионным манометром: метод линейной и метод квадратичной шкалы.

2. Метод квадратичной шкалы

Метод квадратичной шкалы представлен на рис. 2.

Рисунок 2 Измерение давления методом квадратичной шкалы

Градуировка манометра сводится к измерению объема V₁ и измерению поперечного сечения капилляра . В этом случае давление в вакуумной системе равно:

р = (hґ - hґґ) = hґ(hґ - hґґ). (3)

Величина , как зависящая только от размеров манометра, является для данного экземпляра манометра постоянной. Обозначая эту постоянную через С, можем написать:

р = С hґ(hґ - hґґ). (4)

Удобнее всего производить отсчет, если при измерении останавливать ртуть так, чтобы hґґ = 0, т.е. чтобы в сравнительном капилляре уровень ртути при измерении был на высоте внутреннего верхнего конца измерительного капилляра. Тогда можно положить hґ = (hґ - hґґ) = h и написать окончательно:

р =Сh². (5)

Поскольку С является постоянной величиной, то при измерении этим методом искомое давление пропорционально квадрату разности уровней в измерительном и сравнительном капиллярах; отсюда и название метода « квадратичной шкалы». Для определения р этим методом, поскольку постоянная С определена заранее ( при градуировке манометра), удобно пользоваться таблицей, позволяющей значения h переводить непосредственно в значения давления р. Например, если при градуировке манометра постоянная С оказалась равной 310^-5, то таблица имеет следующий вид ( табл.1).

Таблица 1

Относительно чувствительности манометра к различным давлениям можно судить по постоянной С = . Чем больше баллон и тоньше капилляр, тем манометр более приспособлен к измерению низких давлений; наоборот, манометром с малым баллоном и широким капилляром можно пользоваться для измерения более высоких давлений.

Капилляры берутся не уже 0,8 мм, иначе столбик ртути в капилляре может разорваться; объем баллона приходится также ограничивать (обычно до 250 см³), так как при больших объемах возникает опасность поломки манометра под тяжестью ртути.

грудуировка манометр компрессионный эталонный

3. Градуировка компрессионного манометра

Сущность градуировки компрессионного манометра была уже выяснена при рассмотрении метода квадратичной шкалы. Здесь мы рассмотрим, каким образом следует измерять объем измерительной части V₁ и поперечное сечение капилляра , а так же сделаем ряд дополнительных замечаний.

Измерение объема V₁ удобно совместить с промывкой манометра дистиллированной водой до присоединения его к приспособлению для поднятия ртути. Для этого манометр опрокидывается в положение капилляром вниз и в него из мерного стакана наливается дистиллированная вода точно до начала разветвления к сравнительной части; по убыли воды из мерного стакана определяется объем V_1.

После промывки и просушки манометра можно проводить измерение поперечного сечения капилляра . Для этого в измерительный капилляр вводится заранее взвешенная капля чистой ртути так, чтобы она вошла в капилляр целиком, но в то же время не заняла всей длины капилляра; особенно важно, чтобы столбик загнанной в капилляр ртути не заходил в участок капилляра, где он начинает расширяться при переходе к измерительному шару. Если вес загнанного столбика ртути равен Р, а длина его равна l, то нетрудно сообразить, что поперечное сечение равно:

= , (6)

где 13,6 - удельный вес ртути.

В случае работы по методу линейной шкалы величину можно рассматривать как объем капилляра на единицу его длины; следовательно, расстояние hґ от вершины закрытого капилляра до метки, соответствующей заданному отношению С = , можно вычислить из уравнения

hґ = = , (7)

откуда

С = . (8)

В случае работы по методу квадратичной шкалы значение постоянной манометра С определяется из соотношения

С = . (9)

Очевидно, поскольку величины hґ, hґґ или h всегда измеряются с миллиметрах, остальные величины, как V₁, V₂, d и l, надо измерять также соответственно в кубических или линейных миллиметрах, а вес капли ртути - в миллиграммах.

При работе с ртутью необходимо соблюдать осторожность, не допуская ее потерь, чтобы не загрязнять рабочее место.

Заключение

В данной курсовой работе изучен принцип действия компрессионного манометра (манометра Мак - Леода). Проведено конструирование компрессионного манометра с квадратичной шкалой. Изучен принцип его работы и основные характеристики.

Список использованной литературы

1 Б. И. Королев. Основы вакуумной техники. М: Государственное энергетическое издательство, 2010. 400 с.

2 http://ru.wikipedia.org/wiki/Манометр_Мак-Леода.

Размещено на Allbest.ru