2.3. Применение основных законов гидростатики и аэростатики в физических измерениях

Измерение давления. Гидравлический метод измерения давления используется в жидкостных манометрах, в которых измеряемое давление уравновешивается высотой столба жидкости. Чувствительным элементом является столб жидкости, уравновешивающий измеряемое давление. Конструктивное исполнение жидкостных манометров отличается большим разнообразием. Основные разновидности жидкостных манометров: U-образные (двухтрубные), чашечные (однотрубные) и двух чашечные.

В жидкостных U-образных манометрах давление или разность давлений измеряемой среды определяется высотой h столба уравновешивающей жидкости (рис. 2.4.а). Для измерения избыточного давления левое колено трубки соединяют посредством резинового шланга с объемом, где измеряется давление; правое колено остается открытым в атмосферу. Под действием избыточного давления уровень жидкости в левом колене понизится, а в правом повысится. Условие равновесия в трубке: (Р1)F = (P2)F + ρghF или P = ρgh, где P1 - абсолютное давление в контролируемом объеме в кгс/см²; Р2 -- атмосферное (барометрическое) давление с кгс/^см2; Р - избыточное давление в кгс/см², ρg- удельный вес рабочей жидкости в кгс/см³; h - разность уровней (высота столба) жидкости в см; F - площадь проходного сечения трубки в см². Значительно удобнее пользоваться единицами измерении давления мм вод. ст. для приборов с водяным заполнением или мм рт. ст. для приборов с ртутным заполнением. При этом измеряемое давление будет равно разности уровней (высоты столба) жидкости в мм, т. е. Р будет равно h, где Р - избыточное давление (мм вод. ст. или мм рт. ст.); h - разность уровней (высоты столба жидкости) в мм. Разность уровней определяется как разность отсчетов по миллиметровым шкалам правого и левого колен h = h2 – h1.При точных измерениях необходимо учитывать также погрешность температурную, а также погрешность от изменения ускорения свободного падения.

Чашечный (однотрубный) манометр (рис.2.4.б) является разновидностью U-образного трубного манометра, у которого одна из трубок заменена сосудом большого диаметра (чашкой). Измеряемое давление действует на жидкость в чашке. Открытый конец трубки сообщается с атмосферой. Под действием избыточного давления Р- Ра , уровень жидкости в чашке понизится, а в трубке повысится. Для упрощения градуировки шкалы площади чашки F и трубки f выбирают такими, что величиной f/F можно пренебречь. Поэтому без внесения погрешности можно считать, что Р- Ра= ρgh. Чашечный манометр имеет то преимущество, что определение измеряемой величины давления производится одним отсчетом, а поэтому вдвое уменьшается ошибка отсчета. Чашечные и трубные манометры применяются для тарировки и поверки рабочих приборов, реже - в качестве рабочих приборов. Погрешность таких приборов составляет : ± 1,5 %.

Для измерения малых давлений (меньших 100 - 200 мм водяного столба) применяют микроманометры (рис.2.5).

Представляют из себя жидкостной манометр с наклоненной по углом 20…50° трубкой (рис.2.6). Благодаря этому считываемое по шкале показания увеличиваются в раз. h = L.sin(a) - высота поднятия уровня жидкости в узкой трубке, P = r.g.h - измеренное давление.

И змерение плотности жидкости. На законе Архимеда основан принцип действия приборов для измерения плотности жидкости – ареометров. Шкалы ареометров проградуированы в единицах плотности. Ареометр представляет собой стеклянную трубку, расширенная нижняя часть которой заполнена балластом - чистой сухой металлической дробью, залитой слоем смолы, сургуча или другого связывающего вещества - с температурой плавления не ниже +80°С. (рис. 2.6). На практике применяют ареометры двух типов: ареометры постоянного веса (более распространённые) и ареометры постоянного объёма.

Рис.2.6. Ареометры: а – постоянного веса (денсиметр). 1 — полый корпус; 2 — трубчатый стержень; 3 — балласт; 4 — связующее вещество; 5 — шкала плотности; 6 — встроенный термометр; 7 — шкала температуры. б - постоянного объёма: 1 — корпус; 2 — балласт; 3 — связующее вещество; 4 — тарелка для гирь; 5 — кольцевая метка

К ареометрам постоянного веса относятся денсиметры (рис. 2.6.а), шкалы которых градуируются в единицах плотности и ареометры для измерений концентрации растворов, шкалы которых градуируются в % по объёму или по массе. Многие ареометры, предназначенные для измерений концентрации веществ в определённых жидких смесях и растворах, имеют специальные названия: лакто денсиметры, которыми определяют жирность молока, спиртомеры — содержание спирта в воде, сахарометры — содержание сахара в сиропах (по массе, в %), и т. д. Плотность у денсиметров отсчитывается непосредственно по шкале.  При измерениях плотности ареометром постоянного объёма (рис.2.6б) остаётся неизменным объём погруженной части прибора, что достигается изменением веса ареометра. Плотность определяется по массе гирь, снятых или добавленных для того, чтобы ареометр погрузился до метки, указывающей объём вытесненной жидкости.