Манометр

Чому про тиск кажуть, що він високий чи низький, а не малий чи великий? Вся справа в першому вимірювальному приладі, що з’явився в XVII столітті завдяки вченому Торрічеллі. Це була трубка з ртуттю, рівень якої знижувався чи підвищувався залежно від атмосферного тиску. Подібним чином діяв і перший прилад, який вимірює тиск у замкнутій системі. Розберемося, яке влаштування манометрів у сучасному світі.

Що таке манометр

Термін «манометр» в основі має два грецькі слова: «вимірювати» та «нещільний». З цього зрозумілі його призначення та основні функції – вимірювання в деяких нещільних середовищах (рідинах і газах).

Манометр — це прилад для вимірювання штучно створеного тиску газу або рідини в замкнутій системі.

Не слід плутати його з барометром, який теж показує тиск, але лише атмосферний. Тоді як за допомогою манометра можна виміряти, з якою силою рідина або газ тисне на стінки герметично закритої ємності. Умовно кажучи, він показує густину повітря всередині закритого простору.

Одиниця вимірювання тиску: паскаль (Па). Вона відбиває силу 1 Н, яка поступово діє площу 1 кв. м. Також тиск іноді вимірюють у барах, атмосферах, міліметрах ртутного чи водяного стовпа.

Для чого потрібен манометр

Залежно від модифікації манометри можуть використовуватися в різних сферах:

• при накачуванні автомобільних шин;
• в обслуговуванні систем кондиціювання та опалення ;
• у гідравлічних вузлах для пересування залізничної стрілки;
• для контролю тиску в пневматичних агрегатах на виробництві;
• у нафтовій та газодобувній промисловості;
• для обслуговування двигунів на морських суднах і т. д.

Основне призначення манометра – проінформувати про надмірний або недостатній тиск води, пари, газу або іншого робочого середовища. У промисловості також виділяють сигнальні прилади, які допомагають запобігти вибухам і техногенним катастрофам через розрив ємностей з небезпечними речовинами (наприклад, аміаком або гарячою парою).

Рідинний манометр

Цей тип манометрів з’явився першим ще в XVII столітті. Він веде свій початок від дослідів Торрічеллі – одного з учнів Галілео Галілея.

Італійський учений занурював у ємність запаяну з одного кінця і наповнену ртуттю трубку. Деяка кількість ртуті виливалась із трубки, і у її верхній частині виходив вакуум. Відповідно, при підвищенні атмосферного тиску ртутний стовпчик у трубці піднімався, а при зниженні опускався.

Принцип роботи рідинного манометра загалом схожий принцип роботи системи з досвіду Торричелли. Цей прилад є системою сполучених судин – дві трубки, з’єднані в U-подібну конструкцію. Система наполовину заповнена рідиною (зазвичай ртуттю), і якщо на неї діє лише атмосферний тиск, рівень рідини в обох трубках буде однаковий.

Якщо одну з трубок підключити до накачувального пристрою або до закритої ємності, на рідину в ній діятиме вимірюваний тиск (Р₁). У той час, як на рідину в другій трубці діє тільки атмосферний тиск (Р₂). При зміні Р₁ рівень рідини у другій трубці теж буде змінюватися.

Вимірявши різницю висоти стовпа Δh = h₁ − h₂, можна дізнатися, наскільки змінився тиск Δp = p₁ − p₂.

Результат вимірювань, отриманий в сантиметрах ртутного стовпа, переводять у паскалі з розрахунку:

1 см ртутного стовпа (при 0°C) = 1333,22 Па.

Для отримання результату відразу в паскалях можна скористатися формулою, яка визначає тиск води на стінки ємності:

Р = ρgh, де ρ — щільність рідини , g — прискорення вільного падіння, h — висота стовпа.

Прискорення вільного падіння (g) дорівнює 9,8 H/кг.

Цікавий факт! Слава винахідника манометра належить Торрічеллі, але насправді він був вигаданий на століття раніше за Леонардо да Вінчі. Геніальний художник та вчений написав трактат з гідравліки, в якому розповів про замір тиску води за допомогою U-подібної системи. Однак ця праця до широкої публіки дійшла лише у ХІХ столітті.

Інші види манометрів

Рідинний манометр дає можливість точних вимірювань, але має великий недолік: конструкція боїться ударів і вібрацій. Тому сьогодні такі прилади використовуються здебільшого у лабораторіях. З розвитком промисловості виникли інші типи манометрів, які можуть вимірювати тиск у будь-яких умовах — на рухомих механізмах, при сильних вібраціях тощо. За конструкцією виділяють деформаційні та поршневі (вантажопоршневі) прилади.

Деформаційні манометри

Манометр деформаційного типу – це компактний механічний пристрій, який вимірює тиск відразу в паскалях (без перекладу з інших одиниць). Його робочим елементом є дугоподібна або спіральна трубка Бурдона, в яку накачується газ. Якщо тиск усередині трубки підвищується, вона починає розпрямлятися, і цей рух через систему тяги передається на стрілку. При знятті тиску вона повертається у своє початкове положення.

Замість трубки може бути використана пружина, мембрана або інший чутливий елемент, який деформується під тиском. Принцип дії манометра залишається тим самим: деформація передається на стрілку, що рухається за шкалою.

Деформаційні металеві манометри найчастіше використовуються в побуті та на виробництві. Вони компактні, добре переносять вібрації, не вимагають строго вертикальної установки. Якщо потрібно вибрати, наприклад, автомобільний манометр, він саме такого типу.

Цікавий факт! Деформаційний манометр було винайдено випадково. У 1845 році швейцарський вчений Р. Шинц спостерігав, як на виробництві робітники відновлювали сплющену металеву трубку, заглушивши один її кінець і закачавши воду. Під дією тиску трубка розігнулася, а вченому спало на думку використовувати такий самий елемент для вимірювань, але працювати з повітрям, а не з водою.

Поршневі манометри

Незважаючи на те, що поршневі манометри були створені раніше деформаційних, вони набули меншого поширення. Сьогодні такі прилади використовуються для дослідження свердловин у нафто- та газодобувній промисловості, а також для звіряння показань у лабораторіях.

На малюнку нижче можна побачити, з чого складається манометр поршневого типу. У найпростішому варіанті це ємність з маслом, з’єднана за допомогою штуцера з вимірюваним середовищем. У ємність занурений циліндр із ретельно притертим поршнем (зазор між стінками циліндра та поршнем має бути мінімальним). На торці поршня закріплено таріль, на яку можуть укладатися вантажі.

Знизу на поршень діє вимірюваний тиск Р, зверху якоюсь силою, що створюється вагою самого поршня і вантажів G₁+ G₂.

Тиск під поршнем розраховується за формулою:

p = \frac{g(G_1 + G_2)}{F}

де G₁ – маса вантажів, G₂ – маса поршня з таріллю, g – прискорення вільного падіння, F – площа поршня.

Також тиск можна виразити через силу згідно із законом Паскаля:

P = F/S, де F — сила, що діє на поршень, S — площа поршня.

За допомогою поршневих маномерів вперше вимірювали тиск вчені-фізики Георг Паррот та Еміль Ленц. Але широкого поширення ці прилади набули завдяки комусь Рухгольцю, який запустив їх у масове виробництво.

Завдання 1

У каністру налитий бензин та висота стовпа становить 0,6 м. Щільність бензину — 710 кг/м². Визначте тиск бензину на дно каністри. Прискорення g дорівнює 9,8 H/кг.

Рішення:

Нам відомо:

h = 0,6 м;

ρ = 710 кг/м².

Згідно з формулою, що визначає тиск рідини на стінки судини:

Р = ρgh;

P = 710 × 9,8 × 0,6 = 4174,8 Па = 4,7 кПа.

Відповідь: 4,7 кПа.

Завдання 2

На поршень, занурений у циліндр з маслом, поклали вантаж вагою 3 кг. Площа поршня становить 2 см², його вага — 300 гр. Чому дорівнює сила тиску під поршнем?

Рішення:

Отже, у нас дано:

G₁= 3 кг;

G₂= 300 гр = 0,3 кг;

F = 2 см² = 0,0002 м²;

Прискорення g дорівнює 9,8 H/кг.

Відповідь: 161, 7 кПа.