Жидкостный барометр

Класс 421, 11 М 60220 ОП НИ ЕТЕНИ И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ арегистрировано в Отделе иэобретенай Госплана при СИС СС М. С. Стернзат. Жидкостный баромет Заявлено 23 апреля 1939 года в ГУГЯ Ойуольйсовано 31 иая 1941 го) относитель(За Если взять трубку, закрытую с одного конца, частично наполнить ее ртутью, оставив в остальной части воздух, а затем опрокинуть в сосуд с ртутью так, чтобы открытый конец трубки погрузился в ртуть, т о часть ртути из трубки выльется в сосуд; между давлением воздуха внутри трубки и столбом ртути в ней, с одной стороны, и внешним атмосферным давлением, с другой стороны, установится равновесие (фиг. 1). Это можно выразить следующей формулой: Р+Ь=Р (1) где Р, - внешнее давление, Ь - разность высот ртути в трубке и сосуде, Р в давлен внутри трубки.Если известны первоначальный объем воздуха в трубке - У;, конечный объем его - Рь и величина Ь, то легко можно вычислить Р,.При небольших пределах расширения можно считать, что масса воздуха в трубке будет следовать законуРУ=сопз 1 при 1=сопз 1. Подставив это выражение Р в уравнение (1), получим Если известны размеры трубки - ее объем Ь и площадь поперечного сечения 5, из формулы (2) можно исключить Ь или ъКВеличина ЬУ связана с Ь следующим уравнением:-- . (З) так как У - Ь; - первоначальныобъем ртути, а Ь 5 - ее конечньобъем.Решив уравнение (3но Ь, получим:Ь=1 - Ъ - ЮПодставив значение Ы 1 из (3) или Ь из (За) в уравнение (2), получим соответственно для Р;,(У - Уо - У) " ьо д У(4) Уь РО=Ь у у г(5) Таким образом давление Р, определяется измерениями 111 и Ь.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 заме. ренное барометром атмосферное давление.Сущность изобретения поясняется схематическим чертежом, на фиг.1 которого показана схема из. вестного барометра; на фиг, 2 - схема предлагаемого барометра; на фиг. 3 в схе 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 н через кран 1 наливают ртуть до тех пор, пока она не начнет выливаться через трубку 5 сосуда В. После этого краи 1 закрывают и открывают кран 3, через который ртуть начнет выливаться, Из сосуда В ртуть выльется до уровня отверстия 6, 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 частя этого сосуда.Благодаря увеличению объема .воздуха внутри сосуда А давление в нем станет меныпе атмосферного давления Р, и будет равно РС Р,; поэтому при установи. вшемся 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 в уровень Ь), Таким образом, в приборе создается не. которая разность уровней.Применим теперь уравнения (1), (2), (4) и (5).Измерив Ь или Ь 1 и зная по стоянные К , и Я, можно определить давление Р,. Для опреде. ления Р с достаточной точностью, все измерения необходимо сделать с весьма большой точностью. Так, для прибора, у которого диаметр, А=80 мм, св=15 мм, размер У,=60 мм и Р,=20 лглк при Р,= =800 мм Нд будет Ь=18,51 мм, а при Р, =400 мм Нд - Ь = =1,28 мм, т. е. при изменении давления на 400 мм Нд уравновешивающий давление столбик ртутиизменяется на 1,23 мм. Таким образом, для определения Р, с точностью до 0,1 мм размер Ь при.дется определять с точностью доО,0003 мм (при ЬР, - 0,1 мм Ндизменение М - 0,0003 мм).Поэтому непосредственное определение Ь и вычисление Р, по формуле (5) сопряжено с большимитрудностями. Если же измерятьне Ь, а изменение объема ртути Ь 1,пользуясь для вычисления Р, формулой (4), то при условиях вышеуказанного примера, разность ЬУравна 6170 мм Р К 00 -У 80, -- -6170ммф). Следовательно, изменениеРна 0,1 мм Нд вызывает изменение ЛУ на - 1,5 мм. Эта величина уже поддается измерению безособого труда,Приведенное значение ЬЬ получается при частном примере -прибор имеет произвольно выбранные размеры, Величину ЬУ можноувеличить, увеличив диаметр со.суда А, Возможно увеличение ве.личины ЬУ и за счет изменениясоотношения линейных размеров 1,и 1 при одном и том же 1(фиг.2),Но здесь имеется ограничение состороны предела расширения воздуха, при котором возможно применять закон РЧ=- сопз 1 приХ = сопй, верный, вообще говоря,для идеального газа.Измерение ЬУ может быть произведено несколькими способами,например:1, ЬУ может быть определенавзвешиванием на аналитическихвесах (тогда вторая часть приборапо фиг. 3 не нужна), что особенновыгодно, если используемая жидкость - ртуть (так как в предлагаемом барометре вообще можетбыть использована и другая жидкость),При этом ЬУ можно определитьс точностью до 0,1 мм (считаяточность взвешивания всего до1,3 лг, причем удельный вес ртутин = 13,6). В этом случае приборможет служить для обнаружениямалых изменений давления. 11. ЬУ может быть определенапо 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 части сосуда С укреплено измерительное приспособление, состоящее из рамки 9, к которой прикреплен круг 10 с делениями.Рамка имеет винт 11 с миллиметровой резьбой и ручкой 12, при вращении которой винт приводит в движение цилиндрическое тело 13,Ртуть вливается через отверстие 2в 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 ицилиндрического тела 13, можно точно определить объем ртути ЬК Пусть, например, объем сосуда С = 15 см = 15 000 ммф, сечение тела 13 5=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 111= 15 000 -- (15 100+0,17 100) =13483 ммз.Этот метод удобнее первого всмысле быстроты измерения и простоты измерительного прибора (вместо аналитических весов), но он не дает такой точности, как первый.Ш. Третий метод в принципепочти не отличается от второго, Определение ЬУ 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 = лК60220 г) Ьи(1заО) 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 1 мы будем иметь дело не с ЬУ,Уь, У и 5 (размеры при О), а с ве- личинами 1 - 1;(1+ Зк)Уь 1= ;(1+За)Ъ о = Ъо (1+ 3г) 1l (1 + 3 а 1) - Уо (1+ 3Ро - Я(1+2 После вынесения за квадратные скобки и сокращения на (1+ + 2 а ). (1+ 3 а 1) получим:Ро я ьК (1+ а 1)(1 1 о Ь 1) ь Но здесь еше не введена поправка на изменение плотности жидкости, Давление Р, выражено высотой столба жидкости плотности рф (температуры Р), но принято его выражать высотой, которую этот столб жидкости принял бы при температуре О (плотность о,) и, таким образом, окончательно по- лучим( о Ь 1) ь 1+ а 1о -Ь 1 1+ 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 сра. Ь уф = Ь Ь(1 + 3 а 1)Яф = Я 1+ 2 а )а плотность жидкости станет1Р=ро 1ргде а - коэфициент линейного расширения материала, из которогоизготовлен прибор,р - коэфициентобъемного расширения жидкости,р - плотность ее при О,Подставив значения И, Ко 1,1 ьф, М/ф, Яф в формулу (4), получим а Ф) - ЬУ(1+За У)3 1/ь (1+ За 1) 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 ЬУ 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 и зоб ретения. 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. М 71266. Зак, М 4283 - 575 еоа 35 код о:планиздат 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 измеря. емое давление по весу или объему жидкости, выливаемой из нижнего отверстия.2, Форма выполнения барометра по и. 1, о т л и ч а ю щ а я с я тем,что первый резервуар снабжен вводимым в жидкость телом, по величине перемещения которого можно определить объем слитой при измерении жидкости,3. При барометре по и. 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,