1.3. Гидростатические преобразователи

Простейшими гидростатическими преобразователями являются жидкостные манометры с открытым и закрытым коленом. Измеряемая ими разность давлений р и р_ср уравновеши­вается весом столба жидкости высотой h:

(р_ср – р) = gρh,

где g – ускорение земного притяжения; ρ – плотность жидкости.

Манометры с открытым коленом (рис. 1.4, а) удобны для из­мерения давлений, близких к атмосферному. В этом случае р_ср = p_атм и высота столба h минимальна. Показания такого манометра зависят от атмосферного давления.

В манометре с закрытым коленом (рис. 1.4, б) перед заполне­нием рабочей жидкостью получают давление р_ср ≈ 0, что позволя­ет непосредственно измерять абсолютное давление газа в вакуум­ной системе. В этом случае показания прибора не зависят от атмосферного давления. При измерении малых давлений (менее 2·10⁴ Па) манометр с закрытым коленом имеет меньшие габариты, чем манометр с открытым коленом.

а) б)

Рис. 1.4. Жидкостные манометры:

а – с открытым коленом; б – с закры­тым коленом

В качестве рабочей жидкости для заполнения рассмотренных манометров применяют ртуть и масло. Масляные манометры име­ют большую чувствительность, так как плотность масла примерно в 15 раз меньше плотности ртути. Однако масло хорошо растворяет газы, и перед работой требуется его тщательное обезгаживание.

Пределы измерения ртутных манометров 10⁵...10³ Па, а масля­ных – 10⁵... 10⁰ Па. Погрешность при отсчете уровня h может быть доведена до 0,1 мм. Более точное измерение уровня не имеет смыс­ла из-за непостоянства величины поверхностного натяжения, ко­лебаний плотности, температурных градиентов рабочей жидкости и т. д. Чувствительность манометров к перепаду давлений в ос­новном ограничивается вязкостью самой жидкости.

Гидростатические манометры с предварительным сжатием газа называются компрессионными. Компрессионный манометр (рис. 1.5) состоит из измерительного баллона 2 с капилляром К₁, резервуара со ртутью, соединительного трубопровода 3 с капил­ляром К₂. Через азотную ловушку 4 манометр подключается к ва­куумной системе. Баллон 2 перед началом измерений соединяется с вакуумной системой через трубку 3. Из баллона 1 под давлением атмосферного воздуха ртуть поднимается вверх по трубке T, от­ключает баллон 2 от вакуумной системы и сжимает заключенный в баллоне газ до давления, которое можно непосредственно измерить по разности уровней ртути в закрытом и сравнительном капилля­рах K₁ и K₂. После компрессии давление измеряется точно так же, как и в обычном ртутном манометре с закрытым коленом.

P

К вспомогательной вакуумной системе

h₁

K₁

K₂

3

4

2

1

H₂O

T

Рис. 1.5. Компрессионный манометр

Уравнение компрессионного манометра на основании закона Бойля – Мариотта имеет следующий вид:

pV₀ = (p+ρgh)V, (1.1)

где p – измеряемое давление; V₀ – начальный объем сжимаемого газа; h – разность уровней в сравнительном и закрытом капиллярах;

V = (πd_k²/4)h₁ – конечный объем газа после сжатия; d_k – диаметр капилляров. Решая (1.1) относительно давления р, получим

p = (πρd_k²hh₁) / (4(V₀ – πd_k² h₁ /4)).

При условии, что h₁πd_k²/4 значительно меньше V₀,

p = ((πd_k²) / (4V₀))hh₁. (1.2)

Если ртуть в закрытом капилляре манометра всегда поднимать до одного и того же уровня, то h₁ будет величиной постоянной и уравнение (1.2) можно записать так:

p = C₁h; C₁ = πd_k²h₁ /(4V₀).

Этот способ измерения давления называется методом ли­нейной шкалы.

Для расширения пределов измерения можно пользоваться методом квадратичной шкалы, при котором сжатие в ма­нометре производится так, чтобы ртуть в сравнительном капилля­ре K₂ всегда устанавливалась на одном уровне с запаянным кон­цом закрытого капилляра К₁. При этом h = h₁. Тогда уравне-ние (1.2) можно записать в виде

p = C₂h²; C₂ = πd_k²/(4V₀)².

Диапазон измерения компрессионных манометров 10¹... 10^–3 Па. Трудности в измерении более низких давлений связаны с непостоянством капиллярной депрессии ртути (понижение уровня ртути в капилляре по сравнению с ее уровнем в сообщающемся с капилляром широком сосуде); откачивающим действием струи ртут­ного пара из манометра в ловушку; отличием формы конца запа­янного капилляра от формы мениска ртути, что ограничивает ми­нимальное значение на уровне 5... 10 мм. Кроме того, по техноло­гическим соображениям диаметр капилляров удобно выбирать не меньше 1 мм, а объем измерительного баллона определяется проч­ностью стекла и обычно не превышает 1 л, что дает максимальное значение коэффициента компрессии 2,5·10⁵.

Для измерения более высоких давлений требуется манометр с очень длинными (или переменными по сечению) капиллярами. В области давлений более 10 Па можно пользоваться обычными гидростатическими манометрами без предварительного сжатия га­за. Для уменьшения откачивающего действия струи ртутного пара трубка Т сделана в виде капилляра, охлаждаемого водой.

Компрессионный манометр относится к абсолютным приборам и используется в качестве образцового для градуировки других приборов. Его показания не зависят от рода газа.

Однако компрессионным манометром нельзя измерить давление паров тех веществ, у которых упругость насыщенных паров при температуре измерения меньше давления в измерительном капилляре после сжатия; нельзя проводить непрерывное измерение давления. Недостатком манометра является также то, что он должен присоединяться к вакуумной системе через азотную ловушку.