测量流体静压强的仪表很多,根据测量原理的不同可分为三种:液柱式、机械式和电气式。这里仅介绍液柱式测压计的几种基本形式及测压原理。
(1)测压管
测压管是液柱式测压计中最简单的测压计,如图 2.12(a)所示。它由一根细直的玻璃管制成,铅垂地安装,下端与欲测的测点连接,上端通大气。它用于测量表压强,若玻璃管中液体上升高度为 h ,则测点 A 的表压强为
图 2.12(b)所示为用于测气体中小于大气压的真空度,点 A 的真空度为
(a)测表压强(b)测真空度图 2.12 测压管
各种液柱式测压计要注意毛细管现象的影响,其内径以大于 8 mm为宜。
(2)微压计
如所测的压强较小,为了提高精度,可将测压管倾斜放置。如图 2.13 所示,此时标尺读数 L 比 h 放大了一些,便于测读。此时, A 点的压强为
测气体微小压强时,其构造原理如图 2.14 所示。
图 2.13 微压计
图 2.14 微压计
设圆管内气体的压强为 p ,微压计盛装液体的容器的横截面积 A 1 ,测压管的横截面积为 A 2 ,液压计中液体的密度为 ρ ,测压管倾斜角为 α 。当微压计两端与大气相通时,容器液面为 O 1 -O 1 。微压计与欲测点接通后,如果被测压强 p 大于压强 p a ,则容器液面下降到 O 2 -O 2 位置,而测压管液面上升到 H 高度,这两个液面高差为 H + h ,则测点的表压强(忽略气柱引起的极微小压强)为
因为 H + h 很小,读测时容易发生误差,因而微压计是通过读测标尺 L 来计算压强 p m 。
根据容器中液体下降的体积等于测压管中液体上升的体积的原理得
及
将 h 及 H 代入式(2.19)得
一般地,
A
2
≪
A
1
,则
项可忽略不计。实际使用时,该微压计的计算公式为
(3)U形管测压计
当测量较大的压强时,可采用U形管测压计,如图 2.15 所示。设被测流体的重度为 γ ,U形管测压计中的液体一般为水银、四氯化碳等密度较大的液体,最常用的是水银。
图 2.15 所示为测点 A 的压强大于大气压的情况。因为 B 、 C 是等压面上的两点,有
故点 A 的表压强为
图 2.15 U形管测压计
图 2.16 测真空度
如果以水柱高度表示,各项除以
γ
水
,并注意
,
,则式(2.22)可写为:
当测点 A 具有真空度时,则U形管测压管中的液位情况如图 2.16 所示。此时, A 点真空度为
或
U形管测压计也可用来测定某两点的压强差(实际上测表压强和真空度就是压强差),因而也称压差计。如图 2.17 所示,设 A 点和 B 点的高差为 z ,所测的液体重度为 γ ,则 A 、 B 两点的压强差可按下列步骤求得。
得
因为 M-M 为等压面,则
因为 h 1 + z = h + h 2 ,所以 h 2 - h 1 = z - h ,代入上式得
用水柱表示压强差时,则
图 2.17 测压强差
图 2.18 微压差计
如图 2.18 所示为一种工作介质相对密度小于所测定液体相对密度时的一种压差计,它用来测定较小的压差。设测定液体的相对密度为 S ,工作介质的相对密度为 S 1 , A 、 B 两点的高差为 z ,测压计两分界面读数(垂直距离)为 h ,则 A 、 B 两点之压差用下述步骤求得。
因为 M-M 为等压面,所以
得
或
如果用水柱表示,则
通过上述各种液柱式测压计测定压强的计算例题,可归纳其计算程序如下:
①从一端(或分界面,假如路线连续)开始用统一的单位(例如帕)和适当的符号写出该点的压强。
②用相同的单位将从该点到下一个分界面引起的压强变化相加。相加时注意走向,若向上,取负号;若向下,则取正号;遇等压面平移。
③连续相加直到另一端,写出等号,并在等式右边写出该点的压强。
例如,在图 2.18 中,根据上述程序,从 A 点开始:
故
所得出的结果一样。如果从 B 点开始,也得到同样的结果。
例 2.5 如图 2.19 所示为一复式U形水银测压计,已知 γ = 9810 N/ m 3 , h 1 = 0.7 m, h 2 =0.5 m, h 3 = 0.3 m, h 4 = 0.6 m,求 A 点的绝对压强及表压强( p a = 1 at)。
图 2.19 例 2.5 图
解 从右边开始,接前述程序写出方程。
①求 A 点的绝对压强
即 A 点绝对压强为
②求 A 点的表压强