Жидкостный барометр Советский патент 1941 года по МПК G01L7/18 

Если взять трубку, закрытую с одного конца, частнчно наполнить ее ртутью, оставив в остальной части воздух, а затем опрокинуть в сосуд с ртутью так, чтобы открытый конец трубки погрузился в ртуть, то часть ртути из трубки выльется в сосуд; между давлением воздуха внутри трубки и столбом ртути Б ней, с одной стороны, и внешним атмосферным давлением, с другой стороны, установится равновесие (фиг. 1). Это можно выразить следующей формулой:

Р+/г-Ро. ....{)

где РО - внешнее давление, h - разность высот ртути в трубке и сосуде, Р - давление внутри трубки.

Если известны первоначальный объем воздуха в трубке - VQ, конечный объем его - Vb и величина h, то легко можно вычислить PQ.

При небольших пределах расширения можно считать, что масса воздуха в трубке будет следовать закону

р1/ const при 2 const.

Поэтому можно написать:

Р„Уп Р14; Р

й О

Подставив это выражение Р в уравнение (1), получим

P,v

+ Л РО

hV

ЛКь

--5- (А

-л 1/ f

AV

Vb-Vo

Если известны размеры трубки - ее объем V и площадь поперечного сечения S, из формулы (2) можно исключить ft или ДК

Величина ДУ связана с Л следующим уравнением:

Д1/ I/-I/O -AS. . .(3)

так как V-1/о - первоначальный объем ртути, а AS-ее конечный объем.

Решив уравнение (3) относительно h, получим:

/, У-У,-АУ.о„ч

/Z -

Подставив значение Д1/ из (3) или fi из (За) в уравнение (2), получим соответственно для Р,:

о:-.-мок,

S ДК

Vb

Р.Л- VO-AS

Таким образом давление Р определяется измерениями Д1/ и Л.

Предлагаемый жидкостный барометр как раз и основан на изложенном принципе измерения атмосферного давления путем измерения количества барометрической жидкости. Он выполняется в виде двух соединенных снизу краном резервуаров разного поперечного сечения, из коих резервуар с большей поверхностью зеркала барометрической жидкости снабжается краном для сообщения с атмосферой. При этом, согласно изобретению, второй резервуар снабжается двумя сливными отверстиями, из которых верхнее выполнено открытым, а нижнее имеет кран для выпуска жидкости; объем или вес жидкости, вытекшей при измерениях из нижнего отверстия, определит замеренное барометром атмосферное давление.

Сущность изобретения поясняется схематическим чертежом, на фиг. 1 которого показана схема известного барометра; на фиг. 2 - схема предлагаемого барометра; на фиг. 3 - схема объемомера для измерения количества ртути.

Предлагаемый барометр состоит из сообщающихся резервуаров-сосудов А и В. В верхней части сосуда А находится кран 1 для сообщения с окружающей атмосферой. Сосуд А соединен с сосудом В трубкой 4; сосуды могут быть разобщены краном 2. Сосуд В снабжен сливными отверстиями-трубками: открытой трубкой 5 и трубкой 6 с краном 3. Сосуды могут иметь любую форму сечения; однако дальнейшие расчеты и рассуждения будут относиться к прибору с сосудом круглого сечения.

При измерении давления прибор ставится так, чтобы верхняя стенка сосуда А была горизонтальна (по уровню). Открывают краны 1 и 2 кран 3 закрывают и через кран 1 наливают ртуть до тех пор, пока она не начнет выливаться через трубку 5 сосуда В. После этого

. .(5) кран 1 закрывают и открывают кран 3, через который ртуть начнет выливаться. Из сосуда В ртуть выльется до уровня отверстия б, а из сосуда А - лишь некоторая часть. Так как из сосуда В выливается всегда вся ртуть до уровня отверстия 6, независимо от наружного давления, то ее можно исключить из измерений. Для этого нужно прежде, чем открывать кран 3, закрыть кран 2, дать вылиться ртути сосуда В в отдельный сосуд, затем открыть кран 2 и слить остальную часть ртути в объемомер, где измеряется ее объем.

Выливаясь из сосуда А, ртуть дает возможность расширяться воздуху, находящемуся в верхней части этого сосуда.

Благодаря увеличению объема .воздуха внутри сосуда А давление в нем станет меньше атмосферного давления РО и будет равно поэтому при установивщемся в приборе равновесии уровни ртути в сосудах А и В будут различны: в сосуде А уровень будет несколько выше, чем в сосуде В (в сосуде А уровень а, а в сосуде В - уровень Ь). Таким образом, в приборе создается некоторая разность уровней.

Применим теперь уравнения (1), (2), (4) И (5).

Измерив /г или AV и зная постоянные V, VQ И S, МОЖНО определить давление РО- Для определения Pfl с достаточной точностью, все измерения необходимо сделать с весьма большой точностью. Так, для прибора, у которого диаметр, dfi 80 мм, мм, размер /о 60 л{м и /J 20 мм при РО 800 мм Hg будет h 18,51 мм, а при мм Hg -Л 17,28 мм, т. е. при изменении давления на 400 мм Hg уравновешивающий давление столбик ртути изменяется на 1,23 мм. Таким образом, для определения Яд с точностью до 0,1 мм размер h придется определять с точностью до 0,0003 мм (при ДРо -0,1 мм Hg изменение ДА - 0,0003 мм).

Поэтому непосредственное определение А и вычисление РО по формуле (5) сопряжено с большими трудностями. Если же измерять не/г, а изменение объема ртути ДК, пользуясь для вычисления РО формулой (4), то при условиях вышеуказанного примера, разность Д1/ равна 6170 л.и8 (Д Кюо - 6170 мм). Следовательно, изменение РО на 0,1 мм Hg вызывает изменение Д1/ на--1,5 мм . Эта величина уже поддается измерению без особого труда.

Приведенное значение ДУ получается при частном примере - прибор имеет произвольно выбранные размеры. Величину Д1/можно увеличить, увеличив диаметр сосуда А. Возможно увеличение величины Д1/ и за счет изменения соотношения линейных размеров /j и /в при одном и том же / (фиг. 2). Но здесь имеется ограничение со стороны предела расширения воздуха, при котором возможно применять закон Р1 const при const, верный, вообще говоря, для идеального газа.

Измерение Д1/ может быть произведено несколькими способами, например:

L Д может быть определена взвешиванием на аналитических весах (тогда вторая часть прибора по фиг. 3 не нужна), что особенно выгодно, если используемая жидкость - ртуть (так как в предлагаемом барометре вообще может быть использована и другая жидкость).

При этом ДУ можно определить с точностью до 0,1 мм (считая точность взвешивания всего до 1,3 мг, причем удельный вес ртути dii 13,6). В этом случае прибор может служить для обнаружения малых изменений давления.

И. ДУ может быть определена по объему. Для этого удобно применить объемомер, изображенный на фиг. 3. Он состоит из сосуда С с трубкой 7, имеющей сечение 1 мм, В сосуде С имеется отверстие 8 с герметически закрывающей ее пробкой. На верхней частя сосуда С укреплено измерительное приспособление, состоящее из рамки 9, к которой прикреплен круг 10 с делениями.

Рамка имеет винт lie миллиметровой резьбой и ручкой 12, при вращении которой винт приводит в движениецилиндрическое тело 13.

Ртуть вливается через отверстие 2 в сосуд С. Затем отверстие закрывается пробкой и начинают вращать ручку 12 с миллиметровым винтом 11, опуская этим самым цилиндрическое тело 13 до тех пор, пока ртуть не дойдет до определенной метки в трубке 7.

Точно зная размеры сосуда С и цилиндрического тела 13, можно точно определить объем ртути ДУ. Пусть, например, объем сосуда С 15 15 000 мм, сечение тела 13 S 1 см 100 мм-. Для того, чтобы вогнать ртуть в трубку 7, пришлось сделать пятнадцать полных оборотов, и ручка остановилась на 17-м делении шкалы круга 10. Тогда ДУ 15000 - - (15-100+0,17-100) 13483 мм .

Этот метод удобнее первого в смысле быстроты измерения и простоты измерительного прибора (вместо аналитических весов), но он не дает такой точности, как первый.

III. Третий метод в принципе почти не отличается от второго. Определение ДУ производится непосредственно в самом барометре. Это может быть выполнено следующим образом. После сливания ртути из барометра опять закрывается кран 3 сосуда В и в сосуд А вводится какое-нибудь твердое тело (как в объемомере тело 13) до тех пор, пока ртуть не начнет выступать из трубки 5. Ясно, что объем введенного твердого тела А У.

При изменении температуры будут меняться размеры сосудов А, В и С, а также и плотность жидкости, употребляемой в приборе при измерении давления: следовательно, при температуре t мы будем иметь дело не с AV, Vo ь, V и 5 (размеры при 0°), а с величинами

V/( y(.t}

1/(0 Vb(l-f-3aO

(l + 3«)

1/((1Н-ЗаО-АК(1+ЗаО Уь(1 + За/)

Ро

После вынесения за квадратные скобки и сокращения на (1 -f-{-2a2 J. (1 + За) получим:

P,,a + .0

Но здесь еще не введена поправка на изменение плотности жидкости. Давление Яц выражено высотой столба жидкости плотности р( (температуры f), но принято его выражать высотой, которую этот столб жидкости принял бы при температуре 0° (плотность ро) и, таким образом, окончательно получим

(У -Vp-AKjt b 1 + ° 0 S дк 14 Р

предполагается, что при измерении прибор должен принять окружающую температуру.

Во время измерения постоянство температуры прибора и воздуха, в нем заключенного, обеспечивается тепловой инерцией прибора и непродолжительностью самого измерения.

К этим двум факторам можно прибавить и теплоизоляцию прибора, если это оказалось бы необходимым.

Автором указываются следующие преимущества предлагаемого барометра:

1. Небольшие размеры по сраД1/() ДК()

5(0 5(1+2 a О a плотность жидкости станет

Р Ро Т4Т

где а - коэфициент линейного расширения материала, из которого изготовлен прибор, р - коэфициент объемного расширения жидкости, р„- плотность ее при 0°.

Подставив значения У Vf( VbW, Д1/№, S« в формулу (4), получимS(l-|-2e/)AV(l+3aO

внению с другими жидкостными барометрами.

2.Удобства при перевозке и простота наполнения жидкостью, в то время, как для других жидкостных барометров это связано с большими трудностями.

3.Большая точность, очевидная при весовом методе определения Д1/ и могущая быть достигнутой при соответствующих размерах сосуда А при объемном методе.

4.Возможность применения для измерений не только ртути, но и масел (о таких маслах и методах их изготовления имеются указания у Менделеева).

5.Возможность изготовления прибора для большого диапазона давлений (практически для любого встречающегося) в отличие от других жидкостных барометров.

При перечисленных преимуществах предлагаемый барометр может быть применен в экспедиционной работе, в инспекторской и для точной нивеллировки местности.

Предмет изобретения.

1. Жидкостный барометр, состоящий из двух соединенных снизу краном резервуаров разного поперечного сечения, из коих резервуар с большей поверхностью зеркала барометрической жидкости снабжен сверху краном для

сообщения с атмосферой, отличающийся тем, что, с целью уменьшения длины второго резервуара, он снабжен двумя сливными отверстиями, из которых верхнее выполнено открытым, а нижнее снабжено краном с тем, чтобы можно было определять измеряемое давление по весу или объему жидкости, выливаемой из нижнего отверстия.

2. Форма выполнения барометра по п. 1, отличающаяся тем,

.;i. ,

;,-;#..;;

ЧТО первый резервуар снабжен вводимым в жидкость телом, по величине перемещения которого можно определить объем слитой при измерении жидкости.

3. При барометре по п. 1 применение объемомера, состоящего из резервуара для приема сливаемой жидкости, снабженного трубкой и вводимым в жидкость телом, по величине перемещения которого можно определять объем жидкости.