Общие сведения. Гидростатическое давление представляет собой напряжение сжатия в точке, расположенной внутри покоящейся жидкости (рис

Гидростатическое давление представляет собой напряжение сжатия в точке, расположенной внутри покоящейся жидкости (рис. 1).

Если DР – сила, действующая на площадку Δ ω на произвольно выбранной плоскости, проходящей через заданную точку в покоящейся жидкости, то – сила, приходящаяся на единицу площади, то есть напряжение. Так как при равновесии жидкости сила DР может быть только сжимающей силой, то это напряжение представляет собой среднее для данной площадки напряжение сжатия. Для получения значения напряжения в точке надо определить предел отношения при :

р . (1)

Записанное выражение является определением гидростатического давления. Фактическое гидростатическое давление, действующее в точке называется, обычно, абсолютным давлением:

, (2)

где – давление на свободной поверхности жидкости;

– удельный вес жидкости, ;

h – глубина погружения точки под уровень свободной поверхности.

Выражение (2) называется основным законом гидростатики.

Если (атмосферное давление), то уравнение (2) принимает вид:

. (3)

Разность между абсолютным и атмосферным давлениями называется избыточным давлением:

. (4)

Избыточное давление, как разность может быть и больше, и меньше нуля. Если избыточное давление больше нуля (), то оно называется манометрическим давлением:

. (5)

Если избыточное давление меньше нуля (), то оно называется вакуумметрическим давлением:

. (6)

Таким образом, манометрическое давление показывает, насколько абсолютное давление больше атмосферного, а вакуумметрическое давление – насколько атмосферное давление больше абсолютного.

Для измерения давления используют различные единицы измерения, представленные в табл. 1.

Таблица 1

Единицы измерения давления

В зависимости от необходимости измерения атмосферного, абсолютного, манометрического или вакуумметрического давления существуют несколько видов приборов для измерения давления.

Приборы, предназначенные для измерения атмосферного давления, называются барометрами, для измерения манометрического давления – манометрами, для измерения вакуума – вакуумметрами. Приборы, позволяющие измерять избыточное давление и вакуум, называются мановакууметрами. В некоторых случаях бывает достаточно знать разницу давлений в двух различных точках. Измерение разницы давления может быть выполнено с помощью дифференциального манометра.

По принципу действия все приборы можно разделить на жидкостные, механические, грузопоршневые, электрические и комбинированные.

К жидкостным, относятся приборы, в которых измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, высота которого служит мерой давления: например, ртутные барометры, дифференциальные манометры, пьезометры с наклонной шкалой и т.д.

В пружинных приборах действию измеряемого давления подвергается упругий элемент (трубка, мембрана, сильфон). Под воздействием давления возникает деформация упругого элемента, величина которого служит мерой давления.

Действие электрических приборов основано на изменении под действием давления омического или емкостного сопротивления элементов или на использовании пьезометрического эффекта.

В грузопоршневых приборах гидростатическое давление, действующее на поршень, уравновешивается приложенной к нему внешней силой (обычно грузом).

Жидкостные манометры – пьезометры – применяются для измерения избыточного давления и представляют собой (рис. 2) стеклянную, установленную строго вертикально трубку 1 с открытым в атмосферу верхним концом. Нижний конец трубки соединяется с местом измерения давления. Под действием давления жидкость поднимается на высоту h, измеряемого по линейно шкале. Избыточное давление в точке А равно:

,

где h ₁ – глубина точки А по отношению нулю шкалы прибора.

Для измерения малых давлений могут применяться микроманометры с наклонной шкалой (рис. 3). По шкале наклонного микроманометра вместо малой высоты h отсчитывается большая величина l, причем

,

где – угол наклона шкалы.

Угол наклона манометрической трубки может изменяться, при этом уменьшению угла наклона соответствует увеличение чувствительности прибора.

Наиболее широкое распространение в технике получили пружинные манометры. Устройство манометра показано на рис. 4. Основной деталью прибора является полая трубка 1, имеющая в сечении овальную форму и согнутая по дуге окружности так, чтобы большая ось овала была перпендикулярна плоскости трубки. Открытый конец трубчатой пружины 1 вставлен в держатель 2, который укреплен в корпусе манометра и выполнен как одна целое со штуцером 9.

Передаточный механизм состоит из зубчатого сектора 6. С одной стороны сектор 6 связан через поводок 5 со свободным концом трубчатой пружины, с другой стороны с указательной стрелкой 7, передвигающейся по шкале 8. Подобные приборы могут измерять как избыточное, так и вакуумметрическое давление.

Вакуумметрическое давление может быть измерено с помощью прибора, изображенного на рис. 5. В резервуаре 1 абсолютное давление меньше атмосферного:

.

На основании уравнения (6) имеем:

,

здесь h_вак называется вакуумметрической высотой:

.

В тех случаях, когда необходимо измерить не давление в сосуде, а разность давлений в двух сосудах или же в двух точках жидкости в одном и том же сосуде, применяют дифференциальные манометры. Дифференциальный манометр, присоединенный к двум сосудам А и В, представлен на рис. 6. Здесь для давления р на уровне поверхности ртути в левом колене имеем:

,

откуда:

,

или, так как :

.

Таким образом, разность давлений определяется разностью уровней в двух коленах дифференциального манометра.