Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Грузопоршневой манометр — эталонный прибор для измерения и воспроизведения давления, в котором измеряемое давление уравновешивается силой тяжести калиброванных грузов, действующих на поршень известной площади. Разобраться, как работает грузопоршневой манометр, проще всего через его принцип работы: давление определяется как отношение веса поршня с грузами к эффективной площади поршневой пары, что даёт прямую и стабильную связь измеряемой величины с массой, длиной и ускорением свободного падения.
Ниже разобраны физический принцип уравновешивания, устройство измерительной колонки, расчёт давления и вводимые поправки, диапазоны и классы точности, роль прибора при поверке и калибровке средств измерений давления, а также порядок работы и типичные ошибки эксплуатации.
В основе прибора лежит уравновешивание сил. Измеряемое давление рабочей жидкости или газа действует снизу на поршень, установленный в притёртом цилиндре, и стремится вытолкнуть его вверх. Сверху на поршень через грузоприёмную тарелку накладывают калиброванные грузы, создающие силу тяжести. Когда сила от давления снизу уравновешивается весом поршня с грузами, поршень «плавает» в равновесном положении, и по массе грузов вычисляют измеряемое давление.
Связь величин выражается фундаментальным соотношением «давление равно сила, делённая на площадь». Именно потому, что и массу грузов, и площадь поршня можно определить с очень малой погрешностью, грузопоршневой манометр служит эталонным (образцовым) средством измерений давления.
Давление определяется как вес поршня с грузами, делённый на эффективную площадь поршневой пары: p = G / S. Это прямая связь давления с массой, ускорением свободного падения и площадью.
Такое определение давления закреплено на государственном уровне: единицу давления — паскаль — воспроизводят и хранят государственные первичные эталоны на основе грузопоршневых мер, а давление определяют как силу тяжести поршня с грузами, делённую на эффективную площадь поршневой пары, с учётом местного ускорения свободного падения и архимедовой силы выталкивания воздуха. Поэтому грузопоршневой манометр — не просто измеритель, а средство передачи единицы давления другим приборам.
Основной рабочий узел — измерительная колонка. От качества её изготовления, точности и чистоты сопрягаемых поверхностей напрямую зависит погрешность измерения. Главная рабочая пара — калиброванный поршень в притёртом цилиндре; к поршню жёстко присоединена грузоприёмная тарелка.
Зазор в паре «поршень — цилиндр» очень мал; для снижения трения поршню с тарелкой придают вращательное движение с рекомендуемой частотой порядка 30–120 об/мин. Вращение вводит рабочую жидкость в зазор и устраняет сухое трение, снижающее точность. Равновесное положение фиксируют по кольцевой метке на поршне, совмещённой с образующей прижимной гайки, или оптическим отсчётным устройством у приборов малых давлений.
Просачивание рабочей жидкости через зазор поршневой пары — нормальное явление: именно тонкая плёнка жидкости в зазоре обеспечивает жидкостное трение вместо сухого. Излишки жидкости отводятся в маслосборник. Скорость опускания поршня нормируется и служит одним из критериев исправности.
Для очень высоких давлений применяют схему с мультипликатором: измеряемое давление действует на поршень с малой площадью, а уравновешивается на поршне с большей площадью, что снижает нагрузку на измерительную пару и исключает недопустимую деформацию. Соотношение площадей задаёт коэффициент преобразования давления.
Базовое соотношение простое, однако для эталонной точности в него вводят поправки, учитывающие реальные условия измерения.
p = G / S
p
G
S
Поскольку давление определяется через силу тяжести, результат зависит от местного ускорения свободного падения. За нормальное значение принимают gн = 9,80665 м/с². Номинальное давление, нанесённое на грузы, действительно для широты изготовителя; при работе на другой широте вводят поправку.
Δp = p × (g / gн − 1)
g
Δpt = p × (20 − t) × 3 × 10−5
t
gн = 9,80665 м/с²
g = 9,815 м/с²
p = 10 МПа
Δp = 10 × (9,815 / 9,80665 − 1) ≈ 0,0085 МПа
Для приборов высокой точности поправки на местное ускорение свободного падения, температуру, выталкивающую силу воздуха и деформацию поршневой пары обязательны: без них реальная погрешность может превысить нормируемую для класса точности.
Общие технические требования к грузопоршневым манометрам избыточного давления с непосредственно нагружаемым поршнем и к комплектуемым с ними устройствам создания давления установлены стандартом ГОСТ 8291-83 действующий. Он распространяется на приборы с верхними пределами измерений от 0,25 до 250 МПа и устанавливает классы точности 0,02; 0,05 и 0,2.
Класс точности численно равен пределу допускаемой основной погрешности в процентах от нормирующего значения: ±0,02 % для класса 0,02, ±0,05 % для класса 0,05 и ±0,2 % для класса 0,2. Возможность определить и приведённую площадь поршня, и массу грузов с малой погрешностью обеспечивает эти высокие классы точности; у отдельных зарубежных прецизионных исполнений погрешность ещё ниже. Для давлений выше верхнего предела прямого нагружения применяют схемы с мультипликатором.
Нормальные условия применения зависят от класса: температура окружающего воздуха 20 °C с допуском ±2, ±5 и ±10 °C для классов 0,02, 0,05 и 0,2 соответственно. Значение ускорения свободного падения, к которому приведена масса грузов, должно быть известно с погрешностью не более ±0,0025 %.
Приведённые типы и диапазоны относятся к манометрам с непосредственно нагружаемым поршнем. На грузопоршневые манометры с измерительными мультипликаторами, автоматические задатчики давления, приборы с аэродинамической смазкой и показывающие грузопоршневые манометры действие ГОСТ 8291-83 не распространяется.
Главное назначение грузопоршневого манометра — служить рабочим эталоном при поверке и калибровке средств измерений избыточного давления: деформационных (пружинных) манометров, измерительных преобразователей (датчиков) давления, образцовых и технических манометров. Поверяемый прибор и измерительная колонка подключаются к общей гидросистеме и оказываются под одним давлением; эталонное значение задаётся массой наложенных грузов, а показания поверяемого прибора сравниваются с ним.
Методы и средства первичной и периодической поверки самих грузопоршневых манометров классов точности 0,02; 0,05 и 0,2 установлены стандартом ГОСТ 8.479-82 действующий. При поверке контролируют, в частности, продолжительность свободного вращения поршня, скорость его опускания, отклонение оси поршневой системы от вертикали и соответствие действительной массы грузов расчётным значениям.
Передача единицы давления от государственных первичных эталонов к рабочим средствам измерений выполняется по государственной поверочной схеме для средств измерений избыточного давления. При установке приборов соблюдают важное правило: торцы штуцеров поверяемого и эталонного приборов (или нижний торец поршня) должны находиться в одной горизонтальной плоскости, иначе учитывают давление столба рабочей жидкости.
Типовая последовательность работы с грузопоршневым манометром в поверочной схеме выглядит так.
Точность эталонных измерений чувствительна к условиям и аккуратности работы. Наиболее частые ошибки перечислены ниже.
Частые ошибки: не введены поправки на местное ускорение свободного падения и температуру; поверяемый и эталонный приборы установлены на разной высоте без учёта столба жидкости; в гидросистеме остался воздух; поршень не приведён во вращение (сухое трение); нарушена вертикальность оси поршневой системы; применена загрязнённая рабочая жидкость или неполный набор грузов; превышен установленный межповерочный интервал самого эталона.
Для сохранения метрологических характеристик поршень и цилиндр не разукомплектовывают (они пронумерованы и притёрты как пара), поддерживают чистоту рабочих поверхностей, применяют рабочую жидкость требуемого сорта и контролируют условия по температуре и влажности, установленные для соответствующего класса точности.
Измеряемое давление действует на поршень снизу, а сверху его уравновешивают калиброванными грузами. В равновесии давление равно весу поршня с грузами, делённому на эффективную площадь поршневой пары (p = G / S). По массе грузов определяют измеряемое давление.
Из измерительной колонки (прецизионная пара «поршень — цилиндр» с грузоприёмной тарелкой), набора калиброванных грузов и устройства создания давления с ручным насосом (прессом), бачком рабочей жидкости и вентилями. Среда передачи давления — воздух, трансформаторное или касторовое масло в зависимости от диапазона.
Это площадь, на которую делят вес поршня с грузами, чтобы получить давление. Она не равна геометрической площади торца: приближённо это площадь торца плюс половина площади зазора между поршнем и цилиндром. Эффективную площадь определяют экспериментально.
Вращение поршня с тарелкой (обычно 30–120 об/мин) вводит рабочую жидкость в зазор и заменяет сухое трение жидкостным. Без вращения сухое трение резко снижает точность и может сделать измерение невозможным.
Давление определяется через силу тяжести грузов, поэтому зависит от местного ускорения свободного падения; номинал грузов действителен для широты изготовителя. Температура меняет размеры поршневой пары. Для эталонной точности вводят поправки на местное g, температуру, выталкивающую силу воздуха и деформацию поршня.
Как рабочий эталон давления для поверки и калибровки деформационных манометров, датчиков (преобразователей) давления, образцовых и технических манометров. Он реализует давление напрямую из массы и площади и стабилен во времени.
По ГОСТ 8291-83 приборы с непосредственно нагружаемым поршнем охватывают верхние пределы от 0,25 до 250 МПа и классы точности 0,02; 0,05; 0,2. Для более высоких давлений применяют схемы с мультипликатором.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.