Hidrostatiskais manometrs

Hidrostatiskie manometri — vienkāršākās ierīces vakuuma mērīšanai.

Hidrostatisko manometru darbības princips

Sākot ar Torričelli eksperimentiem 1644. gadā un līdz šim laikam, hidrostatiskais manometrs ir jebkuras vakuuma laboratorijas neatņemama sastāvdaļa. Hidrostatiskie manometri (šķidruma manometri) tieši mēra atšķirību gāzes spiedienā uz šķidruma virsmu U-formas caurules kreisajā un labajā galā. Viens caurules gals savienojas ar vakuuma sistēmu, kurā spiediens, kas ir vienāds ar P_b, otrajā galā mērīšanas laikā saglabā nemainīgu salīdzinošo spiedienu P_k.

Diferenciālais spiediens | P_k-P_b |, kas darbojas uz šķidruma virsmu, ir līdzsvarots ar šķidruma kolonnas augstuma starpības hidrostatisko spiedienu manometra galos. Šķidruma kolonnas spiedienu nosaka pēc tā svara uz platības vienību, un tas ir atkarīgs tikai no kolonnas augstuma un šķidruma blīvuma.

Manometrs ar atvērto galu

Gadījumā ar manometru, kuram ir atvērts gals, spiediena starpība ΔP, ko mēra ar manometru, ir vienāda ar starpību starp atmosfēras spiedienu P_a un spiedienu P_b vakuuma sistēmā.

ΔP=P_a-P_b=gρh, kur

• g — brīvās krišanas paātrinājums (cm/s²);
• ρ — šķidruma blīvums manometrā (g/cm³);
• h — šķidruma līmeņa starpība (cm);
• ΔP — (Mpa);

Manometra rādījumi ir atkarīgi no atmosfēras spiediena. Ja mērīšanas laikā ir zināms atmosfēras spiediens P_a, tad, izmantojot manometra rādījumus, var aprēķināt absolūto spiedienu vakuuma sistēmā:

P_b=P_a-gρh (Mpa)

Ja mērinstrumenta darba šķidrums ir dzīvsudrabs, tad P_b = P_a-h cm dzīvsudraba staba.

Manometrs ar slēgto galu

Manometrs ar slēgto galu mēra spiediena starpību P_b vakuumsistēmā un P_k manometra slēgtajā galā.

ΔP=gρh=|P_b-P_k| (Mpa)

Ja spiediens P_k mērīšanas procesā ir divas līdz trīs reizes lielāks par manometra mērīšanas kļūdu, tad varam pieņemt, ka P_k ≈ 0. Šajā gadījumā manometrs tieši nosaka absolūto spiedienu vakuuma sistēmā P_b = gρh (Mpa), bet ja par manometra darba šķidrumu tika ņemts dzīvsudrabs, tad P_b=h cm dzīvsudraba staba.

Hidrostatisko manometru priekšrocības

Abi aprakstītie hidrostatiskie manometri ir absolūtas ierīces, jo saskaņā ar to norādījumiem ir iespējams aprēķināt spiediena vērtības, neizmantojot graduējumu ar citām ierīcēm. Atvērtā gala manometri ir vieglāk izgatavojami, bet mazāk ērti lietojami, jo to norādījumi ir atkarīgi no atmosfēras spiediena, turklāt, mērot spiedienu robežās no 1÷100 mm Hg, tiem ir ievērojami lielāki izmēri nekā slēgta gala manometriem.

Prasības hidrostatisko manometru darba šķidrumam

1. minimālais tvaika spiediens manometra darba temperatūrā;
2. šķidruma neagresivitāte;
3. iespējams zemāks blīvums;
4. minimālā viskozitāte;
5. mazākā spēja izšķīdināt gāzes.

Darba šķidruma tvaika spiediena vērtība ir vairākas reizes zemāka, nekā darba spiediens vakuuma sistēmā. Eļļas, dzīvsudraba un ūdens tvaika elastība, ko parasti izmanto, lai piepildītu hidrostatiskos manometrus, 10 °C temperatūrā attiecīgi ir 10⁻⁸; 10⁻³; 17 mm dzīvsudraba staba.

Šķidruma blīvums noteiktā spiediena mērīšanas diapazonā ietekmē mērierīces izmērus un to maksimālo jutību. Aizstājot darba spiedienu manometrā, piemēram, dzīvsudrabu ar blīvumu 13,6 g/cm³ ar eļļu ar blīvumu apmēram 0,8 g/cm³, manometra jutīgumu var palielināt apmēram 15 reizēs un paplašināt tā apakšējo robežu tādu pašu skaitu reižu. Darba šķidruma viskozitātei jābūt minimālai, lai samazinātu manometra rādījumu inerciālitāti. Dzīvsudrabs gandrīz neizšķīdina gāzes un no šī viedokļa ir ideāls šķidrums manometru uzpildīšanai. Eļļas parasti izšķīdina gāzes lielos daudzumos. Strauja spiediena samazināšana eļļas manometrā parasti ir saistīta ar gāzes burbuļu parādīšanos, kas rada grūtības mērīšanas procesā.

Šķidruma manometru izmantošana

Strādājot ar šķidruma manometriem, jāņem vērā korekcija uz smaguma spēka paātrinājumu un manometra temperatūru. Spiediena vienība 1 mm dzīv.st. atbilst hidrostatiskam spiedienam dzīvsudraba staba ar augstumu 1 mm pie Hg blīvuma, kas attiecināts pie 0 °C (ρ_Hg=13,5951 g/cm³), un pie normālā smaguma spēka paātrinājuma g_n, kas ir vienāds ar 980,665 cm/s². Mērījumi visbiežāk notiek pie citiem nosacījumiem, ko jāņem vērā, ieviešot koriģējumus. Smaguma spēka paātrinājuma novirzes labošana:

Δh=h((g/g_n)-1)*(ρ_Hg/ρ_šķidruma), kur

• ρ_šķidruma — manometra darba šķidruma blīvums pie mērīšanas temperatūras;

Temperatūras mērījumu labošanu, saistītu ar to, ka mērījums tika darīts pie temperatūras t, kura ir atšķirīga no 0 °C, var attēlot kā:

Δh_t=h((1+α(t-20))/(1+βt))*(ρ_Hg/ρ_šķidruma), kur

• α — lineārais izplešanās koeficients mērījumu diapazonā (α=8*10⁻⁶ gon⁻¹ stiklam;
• β — šķidruma tilpuma izplešanās koeficients (β_Hg — dzīvsudraba tilpuma izplešanās koeficients ir 1,8*10⁻⁴ 1/gon) ;