Гидростатические преобразователи

Простейшими гидростатическими преобразователями являются жидкостные манометры с открытым и закрытым коленом. Измеряемая этими манометрами разность давлений ДР = Р_ср. — Р уравновешивается весом столба жидкости высотой h: где Р_ср. — сравнительное давление; Р — измеряемое давление; g — ускорение земного притяжения; р — плотность жидкости.

Манометры с открытым коленом (рис. 2а) удобны для измерения давлений, близких к атмосферному. В этом случае Р_ср. = Р_атм. и высота столба h минимальна. Показания такого манометра зависят от атмосферного давления.

В манометре с закрытым коленом (рис. 2б) 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 манометров применяют ртуть или масла, имеющие низкое давление пара. Масляные манометры имеют большую чувствительность, однако масло хорошо растворяет газы и перед работой требуется его тщательное обезгаживание.

Если в качестве рабочей жидкости используется ртуть, то в манометре с открытым коленом:

где h — разность уровней жидкости, мм. Или

В манометрах с закрытым коленом давление в вакуумной системе измеряется путем непосредственного отсчета разности уровней ртути:

или

где h — в мм.

Пределы измерения ртутных манометров (105103) Па, а масляных -(105-10⁰) Па.

Для измерения давлений ниже 1 Па обычные жидкостные манометры не пригодны из-за невысокой точности и громоздкости. Но если газ, низкое давление которого требуется измерить, заключить в известный объем V₀, после чего сжать его при постоянной температуре (изотермическое сжатие), то полученное таким путем повышенное давление становится возможным измерить обычным жидкостным манометром.

Гидростатические манометры с предварительным сжатием газа называются компрессионными. Компрессионный манометр (рис. 3) состоит из измерительного баллона 2 с капилляром К₁, резервуара с 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; V₀ — начальный объем сжимаемого газа; h -разность уровней в сравнительном и закрытом капиллярах; V_k — конечный объем газа после сжатия.

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.