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:

(p_ср – p) = gρh , (6.4)

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

Манометры с открытым коленом (рис. 6.4, а) удобны для измерения давлений, близких к атмосферному. В этом случае р_cр = p_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_cр ≈ 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 жидкости 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. 6.5) состоит из измерительного баллона 2 с капилляром К₁, резервуара с ртутью, соединительного трубопровода 3 с капилляром K₂. 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 K₂. После компрессии давление измеряется точно так же, как и в обычном ртутном манометре с закрытым коленом. 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.