CN102252797A - 一种u型管压力计及其压力测量方法 - Google Patents

Abstract

一种U型管压力计及其压力测量方法，压力计结构为：U型管的底部经加液管与加液罐连通，U型管的右管段向水平方向延伸后伸入过压溢水保护罐内，U型管的左管段与高压侧口管以及水平连接管连通，且三者的交接处设有三通阀，水平连接管外端与水平放空管以及活塞量气筒连通，三者的交接处设有另一三通阀；U型管的左管段上标识有体积刻度。测量方法是：通过三通阀切断高压测口管与U型管的连接，将U型管内高压气体与活塞式量气筒连接，采用活塞式量气筒测量U型管内高压气体在常压状态下的体积，通过计算获得高压气体压力。本发明具有测量精度不随压力的升高而变化，测量压力越高，相对误差越小的特点。

Description

一种U型管压力计及其压力测量方法

技术领域

本发明属于压力测量装置及方法，具体涉及一种用于高压气体压力测量的U型管压力计及其测量方法。 

背景技术

U型管压力计以结构简单、坚固耐用、价格低廉、高灵敏度和高精度等优点，在工业生产、科研等领域中得到非常广泛的应用。但目前普通的U型管压力计在使用过程中存在的问题有：1、由于需要对高压侧液柱和低压侧液柱高度都需要进行读数，因此使用时液柱高度差一般都在1m左右；若需要测量20kPa以上的压力，以水作为测压介质时，液柱高度差在2m以上，人工读取两端液面高度值极其不方便；若只读取一端液面高度，由于生产加工的原因，U型管两端管径不均匀将导致较大的测量误差；若将测压介质改为比水密度大的液体，如四氯化碳、三溴甲烷、水银等降低测压时液柱高度差，但由于这些介质具有毒性，通常不推荐使用，或需进行特殊保护处理造成价格昂贵；2、目前普通U型管压力计测压介质的加入通常是从顶部加入，十分不方便，且容易产生气泡甚至局部气柱带来测量误差；3、普通U型管压力计使用时若被测压力超过量程，U型管内测压介质将从低压测口喷出进入被测系统，造成不必要的损坏或损失。 

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的U型管压力计，以在保证测量精度的前提下，当液柱高度高度差在2m以上时无需读取两端液面高度值就可获得被测压力；无需从U型管顶部加注测压介质，避免气泡和局部气柱的产生；避免被测压力超过U型管量程时，测压介质进入被测系统造成不必要的损坏或损失。 

本发明的目的是这样实现的：一种新型U型管压力计，包括竖向安装的U型管，U型管的底部经三通与加液管连接，加液管由竖直向下段和水平段以及竖直向上段顺次连接组成，加液管的竖直向上段顶部与加液罐连通，加液罐内装满测压介质并经盖子密封，U型管的右管段向水平方向延伸后再沿竖直向下方向延伸而伸入过压溢水保护罐内，低压侧口管伸入经加盖子密封的过压溢水保护罐内； U型管的左管段与竖向的高压侧口管以及水平连接管内端连通，且三者的交接处设置有第1三通阀，水平连接管外端与水平放空管以及竖向设置的活塞量气筒连通，三者的交接处设置有第2三通阀；U型管的左管段上标识有体积刻度。 

上述U型管的左右管段之间还设置有用作读取液柱高度的标尺。 

上述加液罐的容积为U型管内液体体积的1～5倍。 

上述过压溢水保护罐的容积为U型管内液体体积的1～5倍。 

上述U型管为硬质耐压透明管，管内径尺寸为3mm～20mm。 

本发明的另一目的是提供一种U型管压力计的压力测量方法。 

本发明的另一目的是这样实现的：一种U型管压力计的压力测量方法，包括以下步骤：测量高压气体压力时，首先读取U型管内液面位置对应处的体积读数V_U2和活塞式量气筒测量前的体积读数V_H1，测量时调节活塞式量气筒的活塞位置使得U型管内的液面位置回到初始高度，其对应位置的体积读数为V_U1，然后读取活塞式量气筒的体积读数V_H2，计算公式如下： 

式中：P_测为测量的高压气体压力，P₀为大气压力，取为101325Pa；V_U0为U型管内高压测口管段体积0刻度处至第1三通阀的管内体积，mL；V_U2为测压时U型管内高压侧液面对应的体积读数，mL；V_U1为U型管高压侧液面初始位置即常压状态对应的体积读数，mL；V_H1为活塞式量气筒测量前体积读数，mL，设定为0mL；V_H2为活塞式量气筒测量后体积读数，mL；式中V_U0为未知参数，它是通过3组以上的压力测量数据进行标定后求取的平均值，该压力测量数据用标尺直接读取液柱高度差获得。 

测量结束后，控制第2三通阀，将量气筒内气体全部排出，以备下次测量使用。 

上述加液罐工作情况下罐内加满测压介质，防止测压时加U型管内液面产生跳动；加液时，旋开加液罐顶部盖子直接加注测压介质。 

当过压溢水保护罐内测压介质收集到一定程度后旋开盖子倒出罐内液体，保证过压溢水保护罐的正常工作。 

与现有普通U型管压力计相比，本发明的有益效果是： 

1、测量方法巧妙新颖：将测量压力转化为测量体积，方便测量并提高测量效率，无需读取两端液面高度值就可获得被测压力。 

2、测压介质加注方便，且结构简单：在U型管底部加装一个三通，与加液罐相连。可随时实现对U型管内测压介质的加注，且避免气泡和局部气柱的产生。 

3、具有过压保护的功能：在低压测口前处设有过压溢水保护罐，过压时测压介质被收集在过压溢水保护罐内，防止过压时测压介质通过管路从低压测点喷出进入被测系统，造成不必要的损坏或损失。 

4、结构简单，价格低廉，精度高。 

本发明提供的新型U型管压力计在保证测量精度的前提下，采用简单结构实现压力测量、测压介质加注、过压溢水保护等功能，造价低廉。 

附图说明

图1是本发明的结构示意图。 

具体实施方式

图中：1、(带体积刻度的)U型管；2、高压测口管；3、低压测口管；4、标尺；5、活塞式量气筒；6、第1三通阀；7、第2三通阀；8、排空管；9、第3三通阀；10、加液罐；11、过压溢水保护罐；12、连通管；13、加液管。 

图1所示，本发明主要由竖向安装的U型管1，U型管1的底部经三通9与加液管13连接，加液管由竖直向下段和水平段以及竖直向上段顺次连接组成，加液管的竖直向上段顶部与加液罐10连通，加液罐内装满测压介质并经盖子密封，U型管的右管段向水平方向延伸后再沿竖直向下方向延伸而伸入过压溢水保护罐11内，低压侧口管3伸入经加盖子密封的过压溢水保护罐11内；U型管的左管段与竖向的方向侧口管2以及水平连接管12内端连通，且三者的交接处设置有第1三通阀6，水平连接管12外端与水平放空管8以及竖向设置的活塞量气筒5连通，三者的交接处设置有第2三通阀7；U型管的左管段上标识有体积刻度。 

带体积刻度的U型管与高压测口管连接的左管段为带有体积刻度的硬质耐压透明管，管内径(直径)尺寸为3mm～20mm。 

参见图1，在高压测口处设有三通阀，用活塞式量气筒5测量密封在该三通阀与液面间的高压气体体积(常压状态)，通过计算获得高压气体压力。 

具体测量方法：通过第1三通阀控制切断高压测口与U型管1的连接，而将U型管内高压气体与活塞式量气筒连接，采用活塞式量气筒测量U型管内高压气体的体积(常压状态)，通过计算获得高压气体压力。 

具体计算方法：测量高压气体压力的方法是首先读取U型管内液面位置对应处的体积读数V_U2和活塞式量气筒测量前的体积读数V_H1，测量时调节活塞式量气筒的活塞位置使得U型管内的液面位置回到初始高度(对应位置的体积读数为V_U1，然后读取活塞式量气筒的体积读数V_H2，计算公式如下： 

式中：P_测为测量的高压气体压力，P₀为大气压力，取为101325Pa；V_U0为U型管内高压测口管段体积0刻度处至第1三通阀的管内体积，mL；V_U2为测压时U型管内高压侧液面对应的体积读数，mL；V_U1为U型管高压侧液面初始位置(常压状态)对应的体积读数，mL；V_H1为活塞式量气筒测量前体积读数，mL(通常可设定为0mL)；V_H2为活塞式量气筒测量后体积读数，mL。式中V_U0为未知参数，可通过3组以上压力测量数据(用标尺直接读取液柱高度差获得，标尺位于U型管的左右管段之间)进行标定，求取平均值获得。 

计算公式的具体推导过程如下：将第1三通阀至U型管内高压侧液面内气体(体积＝V_U0+V_U2，压力为P_测)，与第1三通阀至活塞式量气筒内测量前活塞位置内气体(体积＝V_H0+V_H1，压力为P₀，其中V_H0为第1三通阀至活塞式量气筒内体积0刻度内气体体积)，视为封闭系统。 

当调节第1三通阀使U型管内高压气体与活塞式量气筒连接后，调节活塞式量气筒活塞位置使U型管1内高压侧液面回到初始位置，此时封闭系统的平衡压力为P₀，平衡后的总体积＝V_H0+V_H2+V_U0+V_U1。应用气体状态方程有： 

P_测(V_U0+V_U2)+P₀(V_H0+V_H1)＝P₀(V_H0+V_H2+V_U0+V_U1) 

整理该方程即可得上述计算公式。 

在第1三通阀6与活塞式量气筒之间还设有一个第2三通阀7，测量结束后 控制第2三通阀将量气筒内气体全部排出，且保证V_H0内气体压力为常压P₀，以备下次测量使用。 

在U型管底部设有一个三通9连接加液罐10，实现对U型管内的液体加注和液面调节。加液罐顶部设有盖子进行密封，通常情况下罐内加满测压介质，防止测压时加U型管内液面产生跳动；加液时旋开顶部盖子直接加注测压介质。加液罐的容积为U型管内液体体积的1～5倍，至少保证当过压时，U型管内测压液体全部被收集到过压溢水保护罐11中时，旋开加液罐10顶部盖子可自动对U型管进行介质加注。加注后再添加测压介质到加液罐中并加满，拧紧盖子，完成一次介质的加注。 

在低压测口前处设有过压溢水保护罐11，防止过压时测压介质通过管路从低压测点喷出。过压溢水保护罐顶部也设有盖子进行密封，当管内测压介质收集到一定程度后旋开盖子倒出罐内液体，保证过压溢水保护罐的正常工作。过压溢水保护罐的容积为U型管内液体体积的1～5倍，至少保证可收集一次过压后，可收集U型管内所有的测压介质。 

下面以具体的测量实例，进行测量误差分析与比较： 

选取测压介质为水，U型管内径d＝8mm，测量压力P_测＝30kPa； 

设定U型管内液柱初始液面对应体积V_U1＝0mL；测量30kPa时液面下降高度ΔH≈0.5×P_测/(ρ_水g)＝0.5×30×10³/(1.0×10³×9.8)＝1.53(m)； 

对应的液面体积V_U2＝((1/4)×π×d²)×3.06/2×10⁶＝76.87(mL)； 

选取V_U0＝V_U2，V_H1＝0mL。 

则由压力计算公式可知：V_H2＝122.53mL。 

由于读取液面体积数值时存在读数误差ΔV，认为读数误差为1mm液柱的体积，则ΔV＝((1/4)×π×d²)×0.001×10⁶＝0.05(mL)。 

选取活塞式量气筒的测量精度与上述读数误差相同量级＝0.05mL，并认为通过标定获得的体积V_U0的计算误差与读数误差相同量级＝0.05mL。 

则测量绝对误差： 

相对误差＝ΔP_测/P_测＝131/30000＝0.4％ 

若采用单管读数乘以2的方法来计算测量压力，假设由于生产加工的原因使得U型管内高压侧与低压侧管径偏差1％，则1.53m液柱将产生1.53×((1+1％)²-1²)＝0.03(m)的液柱高度偏差。 

则压力的绝对误差＝1×10³×9.8×0.03＝301(Pa)，相对误差＝301/30000＝1％＞0.4％ 

可见本发明的测量方法相比单管读数乘以2的方法具有较高的测量精度，可满足高精度的测压要求。而且本发明的测量精度不随测量压力的升高而变化，测量压力越高，相对误差越小。 

Claims (9)

1.一种U型管压力计，包括，竖向安装的U型管(1)，其特征是：所述U型管(1)的底部经三通(9)与加液管(13)连接，加液管由竖直向下段和水平段以及竖直向上段顺次连接组成，加液管的竖直向上段顶部与加液罐(10)连通，加液罐内装满测压介质并经盖子密封，U型管的右管段向水平方向延伸后再沿竖直向下方向延伸而伸入过压溢水保护罐(11)内，低压侧口管(3)伸入经加盖子密封的过压溢水保护罐(11)内；U型管的左管段与竖向的高压侧口管(2)以及水平连接管(12)内端连通，且三者的交接处设置有第1三通阀(6)，水平连接管(12)外端与水平放空管(8)以及竖向设置的活塞量气筒(5)连通，三者的交接处设置有第2三通阀(7)；U型管的左管段上标识有体积刻度。

2.根据权利要求1所述的一种U型管压力计，其特征是：所述U型管的左右管段之间还设置有用作读取液柱高度的标尺(4)。

3.根据权利要求1或2所述的一种U型管压力计，其特征是：所述加液罐(10)的容积为U型管(1)内液体体积的1～5倍。

4.根据权利要求3所述的一种U型管压力计，其特征是：所述过压溢水保护罐(11)的容积为U型管(1)内液体体积的1～5倍。

5.根据权利要求1所述的一种U型管压力计，其特征是：所述U型管(1)为硬质耐压透明管，管内径尺寸为3mm～20mm。

6.一种采用权利要求1所述的一种U型管压力计的压力测量方法，其特征是：包括以下步骤：测量高压气体压力时，首先读取U型管(1)内液面位置对应处的体积读数V_U2和活塞式量气筒(5)测量前的体积读数V_H1，测量时调节活塞式量气筒(5)的活塞位置使得U型管(1)内的液面位置回到初始高度，其对应位置的体积读数为V_U1，然后读取活塞式量气筒(5)的体积读数V_H2，计算公式如下：

式中：P_测为测量的高压气体压力，P₀为大气压力，取为101325Pa；V_U0为U型管(1)内高压测口管段体积0刻度处至第1三通阀(6)的管内体积，mL；V_U2为测压时U型管(1)内高压侧液面对应的体积读数，mL；V_U1为U型管(1) 高压侧液面初始位置即常压状态对应的体积读数，mL；V_H1为活塞式量气筒(5)测量前体积读数，mL，设定为0mL；V_H2为活塞式量气筒(5)测量后体积读数，mL；式中V_U0为未知参数，通过3组以上的压力测量数据进行标定，求取平均值获得该数据用标尺(4)直接读取液柱高度差获得。

7.根据权利要求6所述的一种U型管压力计的压力测量方法，其特征是：所述测量结束后，控制第2三通阀(7)，将量气筒内气体全部排出，以备下次测量使用。

8.根据权利要求7所述的一种U型管压力计的压力测量方法，其特征是：所述加液罐(10)工作情况下罐内加满测压介质，防止测压时加U型管内液面产生跳动；加液时，旋开加液罐顶部盖子直接加注测压介质。

9.根据权利要求8所述的一种U型管压力计的压力测量方法，其特征是：所述当过压溢水保护罐(11)内测压介质收集到一定程度后旋开盖子倒出罐内液体，保证过压溢水保护罐(11)的正常工作。