Қысымды өлшейтін құралдар

Атмосфералық қысымнан жоғары не төмен қысымды өлшеу үшін манометрлер (гректің манос – сирек, тығыз емес, метрео - өлшейтін деген сөзден шыққан) деген приборлар қолданылады.

Манометр түрлері осы жұмыстың негізгі бөлімінде қарастырылған.

1. Манометрлердің  түрлері және атқаратын қызметі

Атмосфералық қысымнан жоғары, не төмен қысымды өлшеуге арналған приборларды манометр  деп аталады. Олардың келесі түрлері болады: түтікшелі манометр,  сұйықтықты - пішінді манометрлер, Мак-Лаодтың компресиондық манометрі, манометрлік шамдар, термобулы манометр, металл манометрлер.

Түтікшелі манометр – жоғарлатылған және жоғарғы қысымды өлшеуге арналған кең таралған манометрлердің бірі.

Ол доға тәрізді майысқан құбырдан тұрады. Қысым жоғарлаған кезде құбыр пішінін өзгертіп, сектордың орны ауысады да, ол өз кезегінде бағыттағыш – стрелканы да ауыстырады. Осылайша, бұл деформациялық манометр. Деформациялық манометрге мембраналық және сильфондық манометрлер де жатады. Сильфондық манометр - өте сезімтал және өлшеудің аса ірі диапазонына ие.

Манометрлердің айырмашылықты және абсолютті болатындығын айта кеткен дұрыс. Абсолюттік деформациялық манометрлердің принципі бойынша барометр–анероид жасалған. Ол мембраналық, сондай-ақ сильфондық та болуы мүмкін.

Жер бетінен көтерілген сайын ауа қысымының төмендей беретіндігіне сәйкес, абсолюттік манометрді биіктікті өлшеуге де қолдануға болады.

Өте үлкен қысымдарды (3*103Па-ға дейін, яғни 30 мың атм) өлшеу үшін манганинді манометрді, манганинді сымы бар катушка қолданылады.

Сұйықтықты - пішінді монометрлердің жұмысы өлшеніп жатқан газ қысымын сұйықтықтың қысымына теңестіруге негізделген (сынап, су т.б.) қысымды формуласы арқылы табады. Һ-тың көлемі белгіленген жағдайларда сол жердегі еркін құлаудың жылдамдығына байланысты болатындығын айта кеткен жөн. Мұндай манометр барлық жағдайларда паскаль арқылы өлшенбейді. Көп уақыттарда қысымды берілген сұйықтың баған биіктігінің бірлігі арқылы өлшеген қолайлы болады, яғни сынап бағанының миллиметрі (1 мм сынап бағанасы = 133,3 Па).

Егер деңгейлердің айырмашылығы кішкентай болса, онда нақты түрде санау қиынға түседі. Манометрді қисайтуға болады. Онда деңгейлердің айырмашылықтары көлденеңнен сақталады, бірақ тек қисайған жағдайында

болады және кішкентай бұрыштары арқылы ұзындығын өлшеген оңай.

Қысым 1 мм сынап бағанасынан төмен болған кезде деңгейлердің айырмашылығын өлшеу өте қиын болады, өлшеуге келмейді деп те айтуға болады. Бірақ зерттелініп отырған газды сықса, белгілі рет оның қысымын төмендету яғни қысым қаншаға өссе, соншаға оның көлемін азайтса, онда оны - типтес манометр арқылы айқындауға болады.

Бұл ой Мак-Лаоданың компресиондық манометрі жұмысының негізінде жатыр. Ыдысты көтерген кезде сынап тройникке кіреді де, оны жауып, шардағы газды сыға бастайды.

Сынапта сол жақтағы түтіктеде капиллярдың жоғарғы жағының соңына дейін жететіндей етіп көтереді. Оның ішінде көп рет сығылған газ болғандықтан капиллярдың көлемінің соңына жетпейді. Бойль-Мариот заңы бойынша осы сығылған газдың қысымы

 немесе  ,

мұндағы V0 – шар мен капиллярдың көлемі, d – капиллярдың диаметрі, Н – мм сынап бағанасымен өлшенетін қысым. Сонымен ізделініп отырған

.

Компрессионды манометрлермен жұмыс істеудің басқа да әдісі бар:

1. Капиллярында сынапты  белгілінген жерге дейін жеткізсек, онда Dһ деңгейінің айырмашылығы Н-пен сызықты байланыста болады.

Капиллярлы құбылыстарды ескермес үшін бір капиллярдағы сынаптың деңгейін тура сондай екінші капиллярдағы сынаптың деңгейімен салыстырады.

2. Капилляр кең түтікшемен  байланыстырылады.

Мак-Лаодтың манометрі тым үлкен болғандықтан, оны қолдану өте ыңғайсыз, арақашықтықтағы өлшемдерді өлшеуге қалыртастырылмаған. Бірақ оның көрсеткіштері газдың құрамына байланыссыз болғандықтан, ол – бағалы. Сондықтан қазіргі кезде оны басқа манометрлер – вакумметрлерді өлшеуде бақылаушы прибор ретінде қолданады.

Практикада эликтрикалық шығуы бар шағын манометрлер – манометрлік шамдар қолданылады. Қарапайым, яғни жылулық жағдайларында оның қысымына қарағандағы газдың жылу өткізгіштігіне тәуелділігіне пайдаланылады. Тұрақты ток күші кезінде қызу жіптері тек жылуөткізгіштікке ғана тәуелді болады. Оны көпірдің (мост) схемасына қоса отырып, температурасын жіптің кедергісі арқылы өлшеуге болады. Көбінесе терможұп қолданылады, ал ЭҚК  микровольтметрмен өлшейді. Термобулы манометр осылай құрылған. Ол тек қысым облысында ғана жұмыс істей алады (Р2 = 10 Па-дан Р1 = 10-1 Па-ға дейін), себебі газдың жылу өткізгіштігі тек осы облыста ғана қысымға байланысты болады.

Тереңірек вакуумдарды өлшеу үшін  иондық шамдар қолданылады. Олар анодтың ролін ерекше  атқарады. Оның артында теріс потенциалды – коллектор орналасқан. Электрондар катодтан шығып, анод – торына қарай талпынады, бірақ инертті түрде одан секіріп өтеді де оның жанынан тербеліс жасап өтеді. Бұның арқасында олардың газ молекулаларымен соқтығысуы мүмкін. Соқтығысу кезінде иондану пайда болады. Ақыр соңында электрондар торға түседі, ал оң иондар коллектор болып жиналады, сосын онда тоу пайда болады. Бұл ток микроамперметрмен өлшенеді. Ток күші газ молекуласы көлемінің бірліктеріне тәуелді, яғни қысымға тәуелді болады. Ионданған шам 10-1 – 10-6 Па қысым облысында жұмыс істейді.

Ионданған шамның кемшіілігі газ жіберетін және вакуумды бұзатын – қызу катод. Бұл жетіспеушілік магнитті электроразрядты манометрде жойылған, мұнда катод суық болып қалады. Электрондар автоэлектронды эмиссияның арқасында пайда болады. Анод – катод тізбегіндегі ток күші қысымға байланысты, себебі көбіне ол ион сандары көлемінің бірлігімен анықталады. Мұндай манометрлердің өлшеу диапазоны 102 – 10-4 Па.

Барлық уақытта газ қоспаларының қысымын білу жеткілікті болмайды. Көп уақыттарда әр қайсысын бөлек өлшеу керек болады, әр ыдыста қанша газ бар екені, яғни парциалды қысымдары қажет. Мұндай есептерді газоанализатордың көмегімен шешеді. Олар әр түрлі жүйелі болады, мұнда көп қолданылатын массалы – спектрометриялығын қарастырамыз.

Қарапайым массалы – спектрометрдегі лампада электрондар мен молекулалардың соқтығысуы нәтижесінде пайда болған газ ионизациясы болады. Иондардың бір бөлігі лампаның тесігі арқылы электр өрісіне түседі, мұнда ол жылдамдатылады да жіңішке үйілмеге айналады. Иондардың жылдамдығын mv /2/ 2 = eu арқылы табуға болады. Мұндағы u – тездетілген кернеу. Сосын иондар магнитті өріске түседі. Ньютонның екінші заңы бойынша mv2/R = evB. Осы екі қатынас арқылы радиус мынаған тең

.

Яғни, молекуланың массасына тәуелді болады. Магниттік өрістен шыққан кезде иондардың бір бөлігі коллектормен ұсталынады. Ток күші иондар санына пропорционал болады. В мен U-ді өзгертіп, коллекторға басқа иондарды жіберуге болады және олардың санын білуге болады. Осылай иондар санын бөлу спектр – графигін алады, яғни олардың массасынан да газдағы N молекулалар санын осылай табады.

2. Ашық сұйықты  манометрдің құрылысы мен 

жұмыс істеу принципі

Жоғарыда айтып кеткеніміздей егер ортаның қысымы атмосфералық қысымнан артық не кем болса, онда манометрлер қолданылатынды және олардың құрылысы әртүрлі. Соның түрінің бірі ашық сұйықты манометр болып есептеледі. Енді осы ашық сұйықты манометрдің құрылысы мен жұмыс істеу принципін қарастырайық (1-сурет). Ол екі тармақты шыны түтіктен жасалады, түтікке қандай да бір сұйық құйылады. Сұйық екі тармақта да бір деңгейде тұрады, өйткені ыдыстың тармақтарында оның бетіне тек атмосфералық қысым ғана әсер етеді.

 

 

1-сурет Ашық сұйықты манометр

Бұл манометр қалай жұмыс істейтінін түсіну үшін, оны дөңгелек қорабы бар резеңке түтікпен жалғастыруға болады, ол қораптың бір бетіне резеңке қапталған. Егер пленканы бармақпен сәл бассақ, сонда қораппен жалғасқан манометр тармағындағы сұйықтың деңгейі төмен түседі де, екінші тармағындағы сұйықтың деңгейі жоғары шеткеріледі. Паскаль заңы бойынша қысымның артуы манометрдің қораппен жалғасқан тармағындағы сұйыққа да беріледі. Сондықтан бұл тармақта сұйыққа түсетін қысым екінші тармақтағы қысымнан көбірек болады, ал екінші тармақтағы сұйыққа атмосфералық қысым әсер етеді.

Осы артық қысым күшінің әсерінен сұйық жылжып, орын ауыстыра бастайды; ауасы сығылған тармақтағы сұйық төмен түседі, екінші тармақтағы сұйық жоғары көтеріледі, сығылған ауаның артық қысымы манометрдің екінші тармағындағы сұйықтың артық бағанының қысымымен теңелгенде, сұйық тепе-теңдік қалыпқа келеді.

Пленка неғұрлым күштірек болса, соғұрлым сұйықтың артық бағаны биіктеу және соғұрлым оның қысымы көп болады, яғни, осы артық бағанның биіктігіне қарап қысым шамасының өзгерісін білуге болады.

3. Металл манометрдің  құрылысы және 

жұмыс істеу принципі

Техникада газдың немесе будың қысымдарын өлшеу үшін металл манометрлер қолданылады. Сондай манометрлердің біреуінің (2-сурет) маңызды бөлігі – доға тәрізді иілген металл түтік, оның бір жағы бітеу болады, екінші жағы кран арқылы ішіндегі қысымы өлшенетін ыдыспен жалғастырылады. Қысым ұлғайған кезде түтік түзулене бастайды, сонда оның тұйық ұшының қозғалысы иінтірек пен тісті тегергіштердің көмегімен аспаптың шкаласы бойымен қозғалып тұратын тілшеге жеткізіледі. Қысым кеміген кезде, түтік серпімділік қасиеті арқасында алғашқы қалпына келеді де шкаланың нөлдік бөлігін көрсетіп тұрады.

2-сурет

4. Пито-түтікшелі  және зонд-түтікшелі микроманометр

Бұл манометр 1 мм су бағанасы дәлдігімен өлшенетін кішкентай қысымдарға арналған және көбінесе аэродинамикадан, молекулярлы динамикадан және жылудан тәжірибе жасау үшін қолданылады.

Прибор көлемі 240 х 300 х 75 мм болатын төртбұрышты футлярда жасалған; жанынан жұмыс құралдарына қосу үшін арналған штуцер бар. Микроманометрдің 0-ден 20-ға дейінгі мм алынған өлшемдері кемімелі қысым мен разрядталған қысым үшін де бірдей. Микроманометрдің сезімтал элементі – герметикалық қорабша, ол мембранадан тұрады. Мембраналар жұқа қола фальгадан жасалады және олардың профильді жүзік тәрізді кофрировкасы болады. Мембрананың ішкі жағы трубкамен штукердің соңына қосылған. Қысымның әр түрлілігі алдыңғы мембрананың иілуіне әкеледі және оның центрлі орын ауыстырады. Бұл оыр науыстыру поводоктың рычагқа берілуімен және ості бұру арқылы жүзеге асады. Осьтің бұрылуы тяга арқылы бағытшаның осіне беріледі, ол орташа нольдік қалпынан қандай да бір қалыпқа ауысады. Прибордың шкаласы миллиметрлік су бағанасы бойынша үлкен өлшемге ие болады, олар мембрананың қорабшасы сияқты алыстан жақсы көрінеді.

Бағытшаны нолге орнату үшін корректор пайдаланылады, ал оның тұтқаша  прибордың кері жағынан шығарылған.

а Пито трубкасы және б зонд-трубкасы ауадағы қысымды өлшеудегі датчик ретінде қолданылған кезде қолдан жасалуына болады. Оларды жұқа қабырғалы металдан жасалған, диаметрі 4 мм болатын трубкадан жасайды. Пито трубкасының бұрылған жағы ашық болады, ал зонд-трубкасы жабық және ол ағылмалы болады. Зонд-трубканың (түтікшенің) жанында диаметрі 1мм-ге тең симметриялы төрт тесік жасалынған.

Ауа ағымын зерттеуде қолданылатын тәжірибелерде әмбебап двигателі болатын ауашықм (воздушканы) қолданады.

Манометр тікелей қысымның өзін көрсетпейтіні, тек газ тұрған орынның ішкі және сыртқы қысымдарының айырымын ғана көрсететіні айқын айтылмайды. Велосипед камерасының тығынын (вентилін) ашсақ, камерадағы ауа сыртқа шығады да қалған ауаның қысымы сыртқы атмосфераның қысымымен теңеледі. Егер осы жағдайда камерадағы ауаның қысымын манометрмен өлшесек, ондағы қысым 0-ге тең болады. Сондықтан, манометр ақиқат қысымды емес, тек сыртқы және ішкі қысымның айырымын ғана көрсетеді.

Ақиқат қысым манометрдің көрсетуі мен осы кеңістікті қоршаған атмосфера қысымының қосындысына тең. Мысалы, егер ашық манометр 56 см сынап бағанасын көрсетсе, онда қысымның ақиқат шамасы 56 + 76 = 132 см сынап бағ. болады. Бұл атмосфераға тең.

2.3Вакууметр. Абсолютті вакумметр

Гидростатикалық U-тәрізді вакумметр, сыртқы бейнесі 3суретте көрсетілген. Сынап немесе басқа да төмен тығыз бумен мысалы вакумды маймен, сұйықтықпен толтырылған U-тәрізді шынылы түтікше болып танылады. Түтікшенің екі иілісі де өзара үш жолды шынылы кранмен жалғанған. Оң жақ иіліс 10-1-1Па сиретуді жасайтын қосалқы сорғымен жалғанады.

 

 
3-сурет U-тәрізді вакууметр

Өлшеу процесі барысынды ол қысым 0-ге тең болып саналады. Кран тұтқасының 1800қа бұрылғанда иіліс өзара аулақтандырылады, ал сол жақ иіліс сауытпен бірігеді, омен міндетті түрде қысым өлшенеді. Ол мына формуламен есептелінеді.

мұндағы, р- судың тығыздығы;   g- тартылыс күші;  h-вакууммтрдағы 2иілісті дегейінің ауырлығы.

Қысым диапазоны сынапты вакуумметрмен өлшенілетін 102 – 105 Па (1–100 торр, майлы 1–5×103 Па (0,01–50 торр).

         Компрессиалық вакууметр Мак-Леода сызба түрінде 2-ші суретте көрсетілген. Компрессиялық деп аталу себебі, онда дәнекерленген капиллярда газдың сығылуы жүзеге асады. Вакууметрдің басты элементі болып дәнекерленген K1 капилляры V1ыдысында болып табылады, жиынтық көлем а нүктесіне дейін дәйектелген процесте аса нақтылықпен анықталады және дәнекерленген капилляр диаметрімен бірдей салыстырмалы K2 капилляры,  дәнекерленген капиллярмен  ұзындығы бойынша тұрақты, диамтрі бірдей болуы керек. 

 

4-сурет Компрессиялық вакуумметр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Қолданылған әдебиеттер.

1. К.З.Альжанов. К.К.Кусайнов.К.К.Мусенов.С.Д.Дарибеков. Молекулалык  физика   Караганды-2001.

2. Покровский Демонстрационный  эксперимент  по  физике  М-1967.

3. Учебное оборудование по физике в средней школе. Пособие для учителей. Под ред  Покровского А.А. М.: Просвещение. 1962.

4. Марголис А.А. и др. Практикум по школьному физическому эксперименту. Учеб.  пособие для студентов физ.-мат. фак. пед. ин-тов.. Изд. 3-е, перераб. и доп. М., «Просвещение», 1977.
5. Е.Н. Горячкин, В.П. Орехов, Методика и техника физического эксперимента, изд. « Просвещение», М ., 1964.

6. Покровский А.А. Физика сабақтарының демонстрациялық тәжірибелері. А: Мектеп, 1958.