§ 44. Манометры. Поршневой жидкостный насос

редкий, неплотный и metreo — измеряю) — измерительный прибор, предназначенный для измерения давлений жидкостей и газов, которые больше или меньше окружающего атмосферного давления (избыточного давления или разрежения).

• 1. Классификация по конструкции — делятся на жидкостные (U-образные дифференциальные) и металлические деформационные (трубчатые, мембранные).
• 2. Функциональное назначение — непрерывный технический контроль давления в паровых котлах, водопроводах, гидравлических приводах, баллонах со сжатым газом и промышленных магистралях.

дифференциальный прибор, состоящий из U-образной стеклянной трубки, частично заполненной рабочей жидкостью (водой, спиртом или ртутью), одно колено которого сообщается с атмосферой, а второе — с исследуемой системой:

• 1. Физический принцип работы — базируется на гидростатическом законе сообщающихся сосудов и законе Паскаля. Если давления в обоих коленах равны атмосферному ($p_1 = p_2 = p_{\text{атм}}$), мениски жидкости устанавливаются на одном горизонтальном уровне.
• 2. Измерение разности давлений — при подаче избыточного давления в одно из колен жидкость смещается; избыточное давление уравновешивается весом столба жидкости высотой $\Delta h$:

$$\Delta p = p - p_{\text{атм}} = \rho_{\text{ж}} g \Delta h.$$

технический деформационный прибор для измерения средних и высоких давлений, запатентованный французским инженером Эженом Бурдоном в 1849 году.

• 1. Устройство чувствительного элемента — изогнутая по дуге окружности упругая металлическая трубка овального (эллиптического) сечения (1 на рис. 144). Один ее конец наглухо запаян, а открытый штуцер (4) подключается к резервуару с газом или жидкостью под давлением.
• 2. Механизм трансформации деформации — при нагнетании давления внутрь трубки силы давления стремятся распрямить эллиптическое сечение в круг, заставляя дугу распрямляться; запаянный конец смещается наружу и через рычаг (5) и зубчатый сектор с трибкой (3) поворачивает стрелку (2) вдоль круговой шкалы. При сбросе давления упругие силы возвращают трубку и стрелку в исходное нулевое положение.

механическое гидравлическое устройство циклического действия для подъема и перекачивания жидкостей с использованием внешнего атмосферного давления (рис. 145):

• 1. Основные конструктивные элементы — цилиндр (1), плотно прилегающий подвижный поршень со штоком (2), нагнетательный клапан на поршне (3), всасывающий клапан в днище цилиндра (4) и всасывающая труба (5). Оба клапана открываются строго в одном направлении — вверх.
• 2. Такт всасывания (ход поршня вверх) — под поршнем образуется разрежение ($p < p_{\text{атм}}$), нагнетательный клапан (3) закрывается весом воды, а атмосферное давление, действующее на открытую гладь водоема, вдавливает воду через открывшийся всасывающий клапан (4) в цилиндр насоса.
• 3. Такт нагнетания (ход поршня вниз) — вода под поршнем сжимается, всасывающий клапан (4) захлопывается, а нагнетательный клапан (3) отпирается, перепуская воду в надпоршневое пространство цилиндра, откуда при следующем цикле она сливается в отводящую трубу.

теоретический и практический физический предел подъема жидкости обычным всасывающим насосом, обусловленный величиной атмосферного давления:

• 1. Аналитический расчет для воды:

$$h_{\max} = \frac{p_0}{\rho_{\text{в}} g} = \frac{101\,300\text{ Па}}{1000\text{ кг/м}^3 \cdot 9{,}8\text{ м/с}^2} \approx 10{,}33\text{ м} \approx 10{,}3\text{ м}.$$

Поскольку плотность воды в $13{,}6$ раза меньше плотности ртути, столб воды должен быть во столько же раз выше ртутного столба ($760\text{ мм} \cdot 13{,}6 = 10\,336\text{ мм} \approx 10{,}3\text{ м}$). Поднять воду выше 10 метров обычным поверхностным всасывающим насосом невозможно, так как даже абсолютный вакуум под поршнем не заставит атмосферу поднять воду выше этого гидростатического рубежа.

усовершенствованная гидромашина повышенного давления (рис. 146), оснащенная герметичным воздушным компенсатором (воздушным колпаком 6):

• 1. Принцип создания избыточного напора — поступающая под давлением поршня вода сжимает воздух внутри замкнутой камеры (6); сжатый упругий воздух аккумулирует потенциальную энергию и с силой выталкивает жидкость по нагнетательному трубопроводу на высоту в десятки и сотни метров, существенно превосходящую 10 метров.
• 2. Сглаживание пульсаций потока — упругая воздушная подушка работает как гидравлический демпфер, обеспечивая непрерывную и равномерную подачу струи даже во время обратного холостого хода поршня (принцип пожарной помпы).

Для измерения давлений жидкостей и газов, отличающихся от атмосферного (больших или меньших его), применяют приборы, называемые манометрами:

• Открытые жидкостные U-образные манометры — лабораторные приборы на основе сообщающихся сосудов, используемые для измерения небольших разностей давлений по высоте столба уравновешивающей жидкости.
• Металлические манометры (с трубкой Бурдона) — надежные технические стрелочные приборы, широко используемые в промышленности, транспорте и коммунальном хозяйстве для измерения средних и высоких давлений сжатых газов, пара и жидкостей.
• Мембранные и цифровые датчики давления (манометры) — современные прецизионные приборы с тензорезистивными и пьезоэлектрическими преобразователями.

1. Устройство открытого жидкостного манометра:

• U-образная стеклянная трубка, закрепленная на вертикальной стойке с измерительной миллиметровой шкалой.
• Рабочая жидкость (вода, масло или ртуть), налитая в трубку так, чтобы заполнять нижнее колено.
• Гибкая соединительная трубка (шланг), подключаемая одним концом к измерительному колену манометра, а другим — к исследуемой емкости (или коробочке с эластичной резиновой мембраной). Второе колено трубки остается открытым в атмосферу.

2. Принцип действия:

• Действие основано на гидростатическом законе сообщающихся сосудов и законе Паскаля.
• В исходном состоянии на свободные поверхности жидкости в обоих коленах давит только наружный воздух ($p_{\text{атм}}$), поэтому уровни жидкости в коленах строго равны.
• При подключении к источнику давления (или надавливании на резиновую пленку коробочки) давление воздуха в закрытом колене возрастает. Избыточное давление передается по закону Паскаля на поверхность жидкости: в подключенном колене уровень опускается, а в открытом — поднимается.
• Движение прекращается, когда избыточное давление воздуха полностью уравновесится гидростатическим давлением избыточного столба жидкости высотой $\Delta h$:

$$p_{\text{изб}} = p - p_{\text{атм}} = \rho_{\text{ж}} g \Delta h.$$

По величине разности уровней $\Delta h$ судят о величине измеряемого давления.

Для экспериментального доказательства изотропности давления внутри покоящейся жидкости на заданной глубине проводят следующий опыт:

• К открытому жидкостному манометру присоединяют гибким шлангом круглую плоскую коробочку, одна сторона которой затянута тонкой эластичной резиновой пленкой (капсулу-датчик).
• Коробочку погружают в высокий сосуд с водой на фиксированную глубину $h$. Под действием гидростатического давления воды пленка прогибается внутрь, воздух в шланге сжимается, и жидкость в манометре фиксирует определенную разность уровней $\Delta h$.
• Не меняя глубины погружения центра мембраны, плавно поворачивают коробочку в воде в различных направлениях: ориентируют ее мембраной вверх (измерение давления снизу вверх), вбок (измерение бокового давления) и наклонно под любыми углами.
• Результат опыта: при любых поворотах коробочки на одной и той же глубине показания жидкостного манометра (разность уровней в коленах $\Delta h$) остаются абсолютно неизменными. Это строго доказывает, что внутри жидкости на одной и той же глубине давление передается по всем направлениям абсолютно одинаково.

1. Устройство металлического манометра (рис. 144):

• Упругая дугообразная металлическая трубка (1) овального сечения, согнутая в дугу окружности.
• Входной штуцер с краном (4), через который открытый конец трубки соединяется с полостью измеряемой системы.
• Запаянный свободный конец трубки, соединенный через шарнир с передаточным рычагом (5).
• Зубчатый передаточный механизм (зубчатый сектор и трибка) (3), механически связанный с осью стрелки.
• Легкая стрелка-указатель (2) и циферблат с круговой шкалой делений.

2. Принцип действия:

• Внутрь трубки через штуцер подается жидкость или газ под давлением.
• Под действием внутреннего давления сплюснутое эллиптическое сечение трубки стремится округлиться. При этом внешняя дуга трубки деформируется сильнее внутренней, и вся металлическая трубка начинает выпрямляться.
• Свободный запаянный конец трубки перемещается наружу и через рычаг и зубчатую пару приводит во вращательное движение стрелку, которая поворачивается по часовой стрелке, указывая значение давления на шкале.
• При падении давления накопленные силы упругости металла возвращают трубку в исходно изогнутое состояние, и стрелка возвращается к нулевой отметке.

1. Физическая основа:

Действие поршневого жидкостного насоса основано на действии силы атмосферного давления и явлении возникновения разрежения (разности давлений) при механическом расширении замкнутого объема.

2. Принцип действия насоса (рис. 145):

• Ход поршня вверх (такт всасывания): при подъеме поршня под ним в цилиндре создается разреженное пространство ($p < p_{\text{атм}}$). Нагнетательный клапан на поршне под собственным весом плотно закрыт. Внешнее атмосферное давление, непрерывно давящее на открытую поверхность воды в колодце, вдавливает воду по всасывающей трубе вверх, преодолевает вес всасывающего клапана, открывает его и заполняет полость цилиндра под поршнем.
• Ход поршня вниз (такт перепуска): под давлением сжимаемой воды нижний всасывающий клапан захлопывается, не давая воде уйти обратно в скважину. Одновременно избыточным гидростатическим напором снизу отпирается нагнетательный клапан в теле поршня, и вся порция воды перетекает в пространство над поршнем.
• Повторный ход поршня вверх (такт нагнетания и слива): поршень вновь идет вверх, нагнетательный клапан закрывается, и поршень, как на подносе, поднимает надпоршневой слой воды к сливному патрубку, из которого она выливается наружу. Одновременно за поршнем снизу поднимается новая порция воды из колодца.

Принцип работы поршневого насоса с воздушной камерой (напорного насоса):

• Конструктивное отличие: нагнетательный трубопровод насоса снабжен закрытым герметичным резервуаром — воздушной камерой (колпаком 6), частично заполненным воздухом.
• Нагнетание и сжатие воздуха: при рабочем ходе поршня выталкиваемая им вода под большим механическим напором устремляется в нагнетательную магистраль и частично заходит в воздушную камеру. Поступающая несжимаемая жидкость уменьшает объем воздуха в камере, в результате чего воздух сжимается, а его давление резко возрастает, в несколько раз превышая атмосферное давление.
• Непрерывная подача жидкости: сжатый в камере воздух играет роль мощного гидропневматического аккумулятора. В момент, когда поршень меняет направление движения или совершает холостой ход (и приток воды из цилиндра временно прекращается), сжатый воздух упруго расширяется и продолжает с огромной силой непрерывно гнать воду в отводящую трубу.
• Преимущества: наличие воздушной камеры позволяет не только поднять воду на высоту, значительно превышающую предельные 10 метров атмосферного всасывания (вплоть до сотен метров), но и превращает прерывистую пульсирующую подачу воды в непрерывную, мощную и равномерную струю (что критически важно в пожарных брандспойтах и промышленных гидросистемах).