§ 6.3.1. Гидростатические преобразователи

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

где g —ускорение земного притяжения; р —плотность жидкости.

Манометры с открытым коленом (рис. 6.4, а) удобны для измерения давлений, близких к атмосферному. В этом случае р_вр = р_атм и высота столба h минимальна. Показания такого манометра зависят от атмосферного давления.

В манометре с закрытым коленом (рис. 6.4, 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.

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... 10³Па, а масляных— 10⁵... 10° 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. 6.5) 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 Т, 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 К₁ и К₂. После компрессии давление измеряется точно так же, как и в обычном ртутном манометре с закрытым коленом.

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

где р — измеряемое давление; V_o— начальный объем сжимаемого газа; h— разность уровней в сравнительном и закрытом капиллярах;— конечный объем

газа после сжатия; d_K — диаметр капилляров. Решая (6.1) относительно давления р, получим

При условии, что h₁πdK₂/4 значительно меньше V_o,

Если ртуть в закрытом капилляре манометра всегда поднимать до одного и того же уровня, то hi будет величиной постоянной и уравнение (6.2) можно записать так: p = C₁h; C₁= h₁πdK₂/(4V₀).  

Этот способ измерения давления называется методом линейной шкалы.