10.4. Вимірювання тиску газу
P = F / S
де F-сила, ньютон, Н; S- площа, m2.
Одиниця 1 Н / м2 = 1 Па, а 1 атм = 101325 Па, позасистемна одиниця тиску "бар" дорівнює 105 Па.Для вимірювання тиску широко застосовують ртутні і водяні манометри. З ними пов'язані ще дві одиниці вимірювання тиску: міліметр ртутного стовпа, скорочено - мм рт. ст., або торр, і міліметр водяного стовпі скорочено - мм вод. ст., або мм Н2О.
Позначення одиниці тиску "торр" пов'язане з ім'ям Торрічеллі, Еванджеліста (1608 - 1647) - італійського фізика і математика, учня Г. Галілея. Торрічеллі вперше винайшов ртутний барометр. Одиниця тиску 1 торр дорівнює гідростатичному тиску стовпа ртуті висотою 1 мм на плоску підставу при 0 ° С. Одиниця тиску 1 мм віл. ст. дорівнює гідростатичному тиску стовпа води заввишки 1 мм на плоску підставу при +4 ° з
Співвідношення між одиницями вимірювання тиску: 1 торр = 133,322 Па 1 атм = 760 торр, 1 торр = 13,5951 мм вод. ст., 1 мм вод. ст. = 9,807 Па = 7,678-10-2 торр.
Для вимірювання тиску застосовують рідинні, мембранні, пружинні, теплові та електричні манометри різних конструкцій з використанням простих і складних електронних і оптичних схем.
Манометри, призначені для вимірювання атмосферного тиску, називають барометрами (від грец. Baros - тяжкість і metreo - вимірюю), для вимірювання тиску нижче атмосферного - вакуумметрами, а для вимірювання різниці двох тисків жодне з яких не є атмосферним, - діфманотрамі, або диференціальними манометрами.
Рідинні манометри. Рідинні манометри - найпростіші і точні прилади для вимірювання тиску. У такому приладі вимірюється тиск (або вакуум) або різниця тисків врівноважуються тиском стовпа манометричної рідини, що заповнює прилад. Діапазон вимірювання тиску рідинними манометрами - від 10-4 до 105 Па (або від 10-6 до 760 торр).
Рідинні манометри ділять на дві великі групи: барометри і вакуумметри. Їх застосовують в основному для визначення тиску в лабораторних умовах і для перевірки інших манометрів.
Манометричної рідиною в рідинних манометрах найчастіше є ртуть, а при малих діапазонах вимірювання тиску - вода, етанол, толуол, силіконове масло.
Ртуть у звичайних умовах має дуже невеликий тиск пара і володіє незмірно малої здатністю розчиняти гази.
Мал. 241. Ртутний барометр (в). Висота меніска (б). U-подібний барометр з відритим коліном (в) і U-образний діфбарометр (г)
Однак високий поверхневий натяг ртуті призводить до того, що її меніск навіть в досить широких трубках має опуклий вигляд. Обумовлена цим явищем похибка вимірювань для манометричних трубок з внутрішнім діаметром 8 мм складає близько мінус 0,07 мм, а при діаметрі 16 мм -приблизно мінус 0,01 мм.
Ртутні барометри ділять на чашкові з вертикальним розташуванням барометрической трубки, U-образні і на прилади з похилою барометрической трубкою.
У першому типі приладів чашка 5 (рис. 241, а), наповнена ртуттю, безпосередньо сполучається з атмосферою через захисний патрон 6, а барометрична трубка 3 має запаяний кінець і забезпечена зовнішньої шкалою 1 з рухомою шкалою-ноніусом 4, що дозволяє вимірювати положення меніска ртуті з похибкою ± 0,1 мм. Положення меніска ртуті і визначає зовнішнє атмосферний тиск в мм рт. ст. Захисний патрон 6 служить для запобігання попадання пилу на відкриту поверхню ртуті в посудині 5. Він містить активоване вугілля, просочений йодом, і закритий з двох сторін полімерною ватою. Такий фільтр захищає ртуть від пилу і одночасно не дозволяє проникати пару ртуті з посудини 5 в приміщення.
Для приготування адсорбенту 20 г активованого вугілля просочують розчином, що містить 5 г йоду в 50 мл метанолу, фільтрують і висушила повітрі.
Перш ніж проводити будь-які відліки, барометр встановлюють строго вертикально по схилу 7. Відхилення на 1 ° від вертикалі викликає похибка у вимірі тиску ± 0,1 мм при висоті стовпчика ртуті h = 760 торр.
Відлік значення h, беруть від нижньої нульової точки шкали коли вістря 8 торкається поверхні ртуті, до верхньої лінії 0-0 меніска ртуті в трубці 3 (рис. 241,6). При оцінці стану меніска він повинен знаходитися на рівні очей. Внаслідок відображення поділок шкали, нанесених на трубку, від поверхні ртуті, положення верхньої точки меніска важко помітити. Тому відлік для барометричних трубок з нанесеними на них поділками рекомендують брати на тлі пересувному порожнини паперу або скла, що має одну половину чорну-другу білу (див. Рис. 81, е). Окулярну нитку зорової труби для позначки 0-0 (на рис. Не показана) встановлюють так, щоб ділення шкали, якщо вона нанесена на барометрическую трубку виявилися збоку, а не перед очима.
Істинне відстань h відповідає температурі 1 між вістрям 8 і верхньою точкою меніска 0-0 на шкалі, відрізняється з-за термічного розширення шкали від виробленого відліку ht і одно:
(Ю.2)
де відлік за шкалою при температурі t, - температура, при якій градуйована шкала; а - коефіцієнт лінійного розширення матеріалу шкали; значення а для скла та латуні рівні відповідно 1 • 10-5 і 2 • 10-5 на 1 ° С.
Після приведення значення ht, до істинного ht0 вносять ще й температурну поправку. тоді
(10.3)
де beta - коефіцієнт об'ємного розширення ртуті, рівний 1,8168 * 10-4 на 1 ° С в температурному інтервалі 0-100 oC.
Ця поправка призводить обсяг ртуті, що відповідає температурі t, до об'єму, що займають нею при 0 ° С. Тому ртутні манометри в процесі вимірювання тиску повинні бути захищені від зміни температури вздовж барометрической трубки. Похибка в оцінці температури на 1 ° С буде відповідати похибки 0,12 мм при визначенні тиску.
Якщо ртутний барометр містить над ртуттю залишковий повітря, то виключити його вплив на показання приладу можна тільки калібруванням такого барометра по зразковому приладу
Ртутний барометр U-образного типу з відкритим кінцем (рис. 241, в) має близько вигину звуження 3 для того, щоб різкі коливання тиску не привели до викиду ртуті. Цей типи манометрів широко застосовують для вимірювання тиску від 5 до 300 торр. При вимірах трубку 4 з'єднують з системою підвищеного тиску, а трубку 1, забезпечену шкалою 2, залишають відкритою на атмосферу.
Тоді тиск в системі, зв'язковий з манометром через трубку 4, дорівнюватиме алгебраїчній сумі показань барометра, розташованого поблизу, і цього барометра.
В показання цих двох барометрів вносять все поправки, розглянуті вище при описі барометра. Найбільш серйозним джерелом похибок є капілярний зниження меніска ртуті. У табл. 35 наведені поправки на це явище, які додають до спостерігається висоті ртутного стовпа.
Даними табл. 35 можна користуватися тільки при роботі з абсолютно сухою і чистою ртуттю. З табл. 35 видно, що застосування для манометрів трубок невеликого внутрішнього діаметра призводить до неприйнятно високим значенням капілярного зниження меніска ртуті, яке сильно залежить від висоти меніска 1. Тому застосовувати для ртутних урометра і манометрів трубки з діаметром менше 8 мм не Рекомендують.
Якщо перетину лівої і правої трубок барометра і манометра однакові і меніски ртуті мають одну і ту ж висоту l, то ніяких додаткових вимірів проводити не потрібно. Якщо ж діаметри трубок різні і меніски ртуті не однакові по висоті, то слід ввести поправку, яка була вражати поправок для верхнього і нижнього менісків.
Мал. 242. Похилий барометр (а) і U-образний вакуумметр (б)
Перед початком вимірювань U-подібним барометром проводять перевірку нуля, з'єднавши з атмосферою обидва коліна а в діфбарометре (рис. 241, г), з'єднавши обидва коліна між собою за допомогою крана 3 при закритих кранах 1 і 2 Згідно із законом сполучених посудин рівні в обох колінах при цьому встановлюються на одній горизонталі. Переміщаючи шкалу 4 вгору або вниз, поєднують нуль шкали з цієї горизонталлю.
Похилий барометр з відкритим кінцем 1 (рис. 242, а) має більш високу чутливість до змін тиску в порівнянні з U-подібним вертикальним барометром. У похилому коліні 3 ртуть просувається на більшу відстань 1 і вимірюється тиск її стовпа за шкалою 2 одно
(10.4)
де α - кут нахилу трубки до горизонталі.
Рідинні вакуумметри - прилади для вимірювання невеликих тисків газу в системі (вакуум від лат. Vacuum - порожнеча). Вакуум вважають низьким, якщо тиск відповідає 100 - Па Па (приблизно, 1 - 100 торр), середнього вакууму відповідає тиск від 100 до 0,1 Па, та високому - від 0,1 до 10-6 Па.
Для вимірювання низького вакууму в інтервалі 600 - 4 * 10-4 Па (5 - 300 торр) в лабораторіях широко використовують U-образний вакуумметр (рис. 242,6). Він є складовою частиною будь-якої установки по вакуумній перегонці рідин (див. Разл-8.4).
Висота вакуумметричний трубки 1 визначає значення вимірюваного тиску. Внутрішній діаметр цієї трубки дорівнює 9-10 мм.
Критерієм відсутності повітря в трубці 1 служить появи різкого звуку, коли ртуть вдаряється в запаяний кінець трубки Якщо в трубці 1 видно хоча б найменший бульбашка повітря вакуумметр не можна використовувати.
Інші частини:
10.4. Вимірювання тиску газу. Частина 1
10.4. Вимірювання тиску газу. Частина 2
10.4. Вимірювання тиску газу. частина 3
До змісту