ЖИДКОСТНЫЙ МАНОМЕТР Российский патент 1995 года по МПК G01L7/18 

Изобретение относится к измерительной технике и метрологии и может быть использовано для измерения давления в авиационной, нефтехимической, металлургической, медицинской и других отраслях народного хозяйства, а также для научных исследований.

Известна система измерения давления, состоящая из нескольких жидкостных манометров с резервуаром и вертикальной мерной трубкой, заполненных одной и той же манометрической жидкостью [1]
Известен ртутный манометр, снабженный воздухонепроницаемым затвором, выполненным в виде полого сосуда, трубкой с наружной резьбой, поворотным краном, ловушкой в виде колокола [2]
Известен также ртутный манометр, который по совокупности существенных признаков наиболее близок к заявляемому и принят за прототип. Этот манометр содержит сообщающиеся коаксиальные сосуды, заполненные ртутью и установленные в корпус с водой, платиновые термометры для измерения температуры ртути и измеритель уровня жидкости [3]
Манометр работает следующим образом. Уравнение измерения в общем случае для жидкостных манометров записывается следующим образом:
P₁ P₂ ρg/(h₂ h₁), где Р₁, Р₂ значения давлений, разность между которыми измеряют;
ρ плотность ртути при данной температуре;
g ускорение свободного падения;
h₁, h₂ уровни ртути в коаксиальных сосудах.

Процесс измерений заключается в следующем. В исходном состоянии, когда в обоих сосудах одинаковое давление, т.е. Р₁ Р₂, уровни ртути в сосудах находятся на равной высоте, т.е. h₁ h₂. При подаче в сосуды разных давлений Р₁ и Р₂, разность между которыми необходимо измерить, уровни ртути смещаются и устанавливаются на разной высоте, соответственно h₁ и h₂. В одном сосуде уровень ртути поднимается, а в другом опускается. Разность давлений при этом уравновешивается столбом ртути. Измерив h₁ и h₂, находят высоту ртутного столба, а зная ρ и g из указанного выше уравнения, можно определить неизвестную разность (Р₁ Р₂).

Если необходимо измерить не разность давлений, а неизвестное давление Р_х, то в один из сосудов подают известное давление, например Р₂= Р_о, которое в процессе измерений остается постоянным, или этот сосуд откачивают так, чтобы Р₂ было меньше давления Р_х Р₁, которое необходимо измерить. В этом случае, учитывая Р₂ Р_о (или пренебрегая Р₂), уравнение измерения примет вид
P_x ρ g/(h₂ h₁) + P_o.

В процессе измерения температура окружающей среды может изменяться, т.е. может иметь место градиент температуры по всей высоте ртутного столба. Эти факторы приводят к изменениям плотности ртути как в целом, так и по высоте, что, в свою очередь, приводит к дополнительной температурной погрешности при определении Р_х за счет изменения плотности ртути. В известном устройстве указанная погрешность частично учитывается за счет измерения температуры ртути с помощью трех платиновых термометров с последующим внесением температурных поправок. Но при высокоточных и длительных по времени измерениях полностью исключить температурную погрешность в известном манометре, связанную с изменением плотности ртути, особенно по высоте ртутного столба, практически не представляется возможным.

Современный уровень техники в авиационной, металлургической, нефтехимической, медицинской и других отраслях народного хозяйства, а также в метрологии и при проведении научных исследований требует создания более высокоточных средств измерения давления и эталонных средств для их проверки с целью повышения качества и учета (расхода) выпускаемой продукции, обеспечения безопасности полетов. Существующие средства измерения давления из-за своей низкой точности предъявляемым требованиям не удовлетворяют. Предлагаемое устройство жидкостный манометр, имеющий на порядок более низкую температурную погрешность, за счет обеспечения постоянства температуры и устранения температурных градиентов вдоль столба рабочей жидкости позволяет полностью удовлетворить нужды науки и техники.

Целью изобретения является повышение точности измерения давления.

Цель достигается тем, что жидкостный манометр, содержащий установленные в полом корпусе два металлических сообщающихся, коаксиальных сосуда с подводящими патрубками, заполненных рабочей жидкостью, и измерители уровня и температуры рабочей жидкости, снабжен термостатом с размещенной внутри него ампулой с ацетоном, выходное отверстие которой с помощью трубки соединено с отверстием, выполненным в нижней части корпуса, а корпус закрыт сверху введенной металлической крышкой-охладителем, выполненной с отверстиями, через которые пропущены подводящие патрубки сообщающихся сосудов, внутри корпуса с зазором относительно его боковых стенок установлена введенная прокладка, выполненная из термически формованного медного порошка, при этом дно корпуса выполнено наклонным.

Такая конструкция манометра позволяет создать пространство с одинаковой и постоянной температурой вокруг всей высоты сосудов с рабочей жидкостью и тем самым свести к минимуму температуpные погрешности.

На чертеже изображен манометр в разрезе.

Он содержит корпус 1, изготовленный из стали типа Х18Н10Т в виде цилиндра длиной 1300 мм с внутренним диаметром 156 мм, два коаксиально расположенных, сообщающихся цилиндра 2 с внутренними диаметрами 45 и 98 мм и длиной 1200 мм, изготовленных из той же стали, заполненных рабочей жидкостью 3 (ртутью марки Р-О), измеритель 4 уровня ртути, представляющий собой макетный образец лазерного интерферометра, измеритель 5 температуры, состоящий из блока индикации и платинового термометра типа ПТС-10М, имеющего возможность перемещаться вдоль своей высоты корпуса 1 в установленной в корпусе трубке, крышку-охладитель 6, изготовленный из указанной выше стали, прокладку 7 толщиной 5 мм, выполненную из термически формованного медного порошка, размещенную внутри корпуса 1 в непосредственной близости от его стенок с зазором, позволяющим проводить разборку манометра, термостат 8 типа ТЭН-3, в котором размещена ампула 9 с ацетоном. Выходная трубка ампулы 9 подключена к нижней точке корпуса 1, дно которого выполнено наклонным (с углом порядка 5^о), а крышка-охладитель 6 установлена в верхней части корпуса 1, причем ее нижний торец выполнен с равномерным утолщением до 10 мм к краю.

Предлагаемый жидкостный манометр работает следующим образом.

В исходном положении в ртутном манометре, содержащем корпус 1 с сообщающимися цилиндрами 2, расположенными коаксиально, уровень ртути 3 устанавливается на одной высоте, примерно на уровне средней части цилиндров. Включаются блоки управления и индикации лазерного интерферометра и измерителя 5 температуры. Далее в цилиндры 2 подаются давление Р₁ (во внутренний цилиндр) и давление Р₂ (во внешний цилиндр), разность между которыми необходимо измерить. При этом, если Р₁ > Р₂, то во внешнем цилиндре уровень ртути 3 поднимается и устанавливается на высоте h₂, а во внутреннем цилиндре уровень ртути 3 опускается и устанавливается на высоте h₁. Разность между уровнями ртути определяется с помощью лазерного интерферометра. Тогда неизвестную разность давлений можно определить из выражения
P₁ P₂ ρ g(h₂ h₁).

Если надо измерить неизвестное давление Р₁ Р_х, то внешний цилиндр или откачивают, или в него подается известное давление Р₂ Р_о.

Точность измерения давления предлагаемым манометром выше по следующим причинам.

В процессе измерений ампула 9 с ацетоном находится в термостате 8 при определенной температуре. При этой же температуре возникает парообразование и пары ацетона распространяются во всем объеме между прокладкой 7 и внешним цилиндром 2. Пары, достигшие охладителя 6, конденсируются и через пористую прокладку 7 стекают обратно к ампуле 9. Дно корпуса 1 и утолщения охладителя 6 способствуют процессу стекания ацетона. Ацетон выбран в качестве рабочего вещества благодаря высокой теплопроводимости, достаточного давления его паров в рабочем диапазоне температур (Р ≃ 27 кПа при 20^оС), низкого значения вязкости, совместимости с материалами корпуса 1, цилиндров 2 и прокладки 7. Основное назначение прокладки 7, изготовленной из термически формованного медного порошка, связано с созданием достаточного капиллярного напора для перемещения сконденсированного ацетона от охладителя 6 к ампуле 9.

Описанные выше процессы позволяют вокруг цилиндра 2 с ртутью 3 создать пространство с постоянной и определенной температурой во время всего измерения. В результате плотность ртути 3 остается постоянной и не зависит от температуры по высоте ртутного столба. Следовательно, температурные погрешности манометра сведены к минимуму.

В результате проведенных исследований удалось установить, что температурные погрешности в жидкостном манометре уменьшаются примерно на порядок.

Жидкостный манометр предлагается для использования в разных отраслях науки и техники. Кроме того, на базе жидкостного манометра предполагается создание эталонов единицы давления и образцовых средств высшей точности, которые могут применяться в территориальных органах Госстандарта и ведомственных метрологических службах.

Использование: в измерительной технике при измерении давления в различных отраслях промышленности, а также в метрологической практике. Сущность изобретения: с целью повышения точности измерения давления конструкция манометра представляет собой два металлических коаксиальных цилиндра 2, помещенных в полый цилиндрический металлический корпус 1 и заполненных рабочей жидкостью 3. В нижней части корпуса 1 вварена трубка, соединенная с ампулой 9 с ацетоном, помещенной в термостат 8. Внутри корпуса 1 установлена прокладка 7 в форме тонкостенного цилиндра, выполненная из медного порошка. Для отсчета разности уровней рабочей жидкости использован интерферометр. Коаксиальные цилиндры закреплены на верхней крышке манометра, выполняющей функцию охладителя. Оба цилиндра предварительно откачиваются до давления порядка 10 мм рт. ст. Затем в один из них подается газ под измеряемым давлением. Рабочая жидкость в цилиндре поднимается, и по разности уровней, измеренной с помощью интеферометра, давление определяется по известной формуле. 1 ил.

ЖИДКОСТНЫЙ МАНОМЕТР, содержащий установленные в полом металлическом корпусе два сообщающихся коаксиальных сосуда с подводящими патрубками, заполненные рабочей жидкостью, и измерители уровня и температуры жидкости, отличающийся тем, что он снабжен термостатом с размещенной внутри него ампулой с ацетоном, выходное отверстие которой с помощью трубки соединено с отверстием, выполненным в нижней части корпуса, а корпус закрыт сверху введенной металлической крышкой-охладителем, выполненной с отверстиями, через которые пропущены подводящие патрубки сообщающихся сосудов, внутри корпуса с зазором относительно его боковых стенок установлена введенная прокладка, выполненная из термически формованного медного порошка, при этом дно корпуса выполнено наклонным.