§ 8. Измерение давления. Жидкостные манометры.

Если разность давлений воздуха в сосуде и во внешней атмосфере не очень велика, то ее легко измерить при помощи -образной стеклянной трубки, частично наполненной жидкостью (рис. 11). Пренебрегая собственным весом воздуха, мы получим следующие соотношения. В сечении А давление жидкости равно тому давлению под которым находится воздух в сосуде. В другом колене -образной трубки на той же высоте, т.е. в сечении В, давление также равно (сообщающиеся сосуды!) На свободной поверхности жидкости, т. е. в сечении С, давление жидкости равно атмосферному давлению Обозначая превышение уровня жидкости в правом колене над уровнем в левом колене через мы

получим на основании уравнения (6), что

Таким образом, U-образная трубка, наполненная жидкостью, позволяет весьма просто измерять разности давлений воздуха, пока эти разности не очень велики. В разных видоизменениях она является основной частью многих манометров. Для того чтобы не надо было отсчитывать уровень жидкости в двух сечениях трубки (в сечениях на рис. 11), одно из ее колен часто выполняется в виде широкого сосуда (рис. 12); тогда колебания уровня в этом сосуде получаются столь малыми, что ими можно пренебрегать. Для отметки на трубке нулевой точки необходимо соединить с атмосферой оба отверстия манометра. Для измерения очень небольших разностей давления либо применяются уточненные способы отсчета уровня жидкости в трубке, либо трубка манометра делается наклонной. Более точный отсчет уровня достигается при помощи передвижного микроскопа или проектирования на экран шкалы, плавающей в трубке манометра, в увеличенном масштабе (способ Бетца).

Рис. 11. Гидростатическое измерение давления -образная трубка)

Рис. 12. Жидкостный манометр

Примерами манометра с наклонной трубкой могут служить манометрический уровень Теплера (рис. 13 и 15) и микроманометр Крелля (рис. 14). В обоих этих приборах перемещению столба жидкости в трубке на расстояние х соответствует изменение высоты уровня на величину хътщ следовательно, разность давлений будет равна

Однако точное измерение малого наклона а трубки представляет некоторые трудности; кроме того, без тщательной проверки нельзя быть уверенным в том, что трубка совершенно прямая. Поэтому для точных

Рис. 13. Манометрический уровень Теплера

Рис. 14. Микроманометр Крелля

Рис. 15. Манометрический уровень Теплера

измерений при помощи таких приборов производится их предварительная тарировка.

Тарировка микроманометра Крелля производится следующим образом. Измеряют диаметр широкого цилиндрического сосуда (этот сосуд должен быть выточен очень точно). Затем, пользуясь уровнем, тщательно выравнивают прибор, после чего начинают подливать в широкий сосуд взвешенные порции жидкости и каждый раз отсчитывают по шкале положение жидкости в узкой трубке. Каждая порция жидкости, налитая в широкий сосуд, нагружает первоначальный уровень и приводит к увеличению давления на величину, равную весу порции, деленной на площадь поперечного сечения широкого сосуда При этом равновесие первоначальной системы жидкости получается совершенно таким же, как если бы соответствующее увеличение давления было вызвано воздухом. То обстоятельство, что долитая в сосуд жидкость в действительности смешивается с остальной жидкостью, для наших рассуждений значения не имеет. Полученные соответственные значения давления и положения жидкости в узкой трубке позволяют построить необходимую для отсчетов шкалу или составить таблицу.

Манометрический уровень Теплера является в высшей степени чувствительным прибором для измерения самых небольших разностей давлений, если только при работе с ним соблюдать тщательные меры предосторожности, указанные самим Тендером. Основная часть прибора представляет собой изогнутую посредине стеклянную трубку (рис. 13), внутри которой находится столбик нелетучей, легко подвижной жидкости (ксилол). Длина

этого столбика равна около 25 см. Трубка проходит через наполненный водой сосуд из (рис. 15) со стеклянными стенками, причем непосредственно позади трубки укрепляется шкала с миллиметровыми делениями (на рис. 15 изгиб трубки не показан). Сосуд с водой стоит на металлической доске наклон которой может регулироваться при помощи винта Угол поворота винта отсчитывается по лимбу. Так как шаг винта известен, то, зная угол его поворота, можно определить наклон доски Микроскоп укрепленный на доске позволяет наблюдать перемещение мениска жидкости в правом конце трубки Одинаковому давлению на обоих концах трубки соответствует определенное нулевое положение манометрического уровня. Зная это положение, можно определить наблюдаемую разность давлений либо по перемещению мениска жидкости в трубке либо по углу, на который надо повернуть винт чтобы вернуть мениск в прежнее положение. Для тарирования, необходимого при первом способе, наблюдают перемещение мениска, происходящее только вследствие вращения винта при отсутствии разности давлений на обоих концах трубки и строят кривую или таблицу, связывающую это перемещение с углом поворота винта. Чем меньше угол перелома а трубки тем, очевидно, чувствительнее манометрический уровень. При очень малом угле а Тендеру удавалось измерять разности давлений порядка

Рис. 16. Прецизионный манометр Рейхардта

Для измерения очень малых разностей давления существуют также манометры без жидкости. Один из таких приборов, сконструированный Рейхардтом, обладает особенно большой чувствительностью: он позволяет измерять разности давлений в водяного столба и даже меньшие. Он представляет собой коробку (рис. 16), разделенную на две полости I и II. Эти полости соединены резиновыми трубками с теми пространствами, в которых надо измерить разность давлений. В перегородке между полостями имеется щель, через которую проходит с зазором в изогнутый по дуге круга легкий поршень К. Этот поршень вместе с присоединенной к нему стрелкой подвешен в точке на платиновой проволоке наподобие гальванометра. Резиновые трубки, подводящие в прибор давления должны быть широкими, так как иначе неизбежное течение газа или воздуха через зазор между стенками щели и поршнем, может вызвать в трубках заметное понижение давления.

Применение жидкостных манометров привело к установлению особого рода единиц для давления, широко распространившихся в практике. В самом деле, давление жидкости можно условиться измерять

непосредственно высотой того столба жидкости, который уравновешивается этим давлением. Так как жидкостные манометры могут наполняться разными жидкостями с разными удельными весами, то при таком способе измерения давления необходимо каждый раз указывать название жидкости. Так, например, говорят о миллиметрах водяного столба, ртутного столба (сокращенно: вод. ст., рт. ст.). Как легко подсчитать, вод. самом деле, столб воды с площадью основания в и высотой имеет объем в и весит Первое соотношение вод. особенно легко запоминается. Это привело к тому, что единица давления получила очень широкое распространение в технике (в авиационной, вентиляционной и т.д.). В тех случаях, когда требуется высокая точность отсчета высоты столба жидкости, вода как жидкость для измерения давления мало пригодна, так как она легко и неравномерно прилипает к стенкам стеклянной трубки. Значительно удобнее жидкости, растворяющие жир (алкоголь, толуол, ксилол и т.д.). Для измерения значительных разностей давлений удобнее всего применять ртуть, которая в чистом виде даст в не слишком узких трубках очень удобный для отсчета мениск. Удельный вес ртути равен 13,6 г/см2 (точнее 13,595 г/см3 при 0°С), поэтому Обратно, Единицей давления в 1 мм рт. ст. обычно пользуются в физике. В последнее время для нее предложено название тор (в честь Торичелли, см. § 9).