Компресійний манометр

Компресі́йний мано́метр (ва́куумме́тр) Мак-Ле́ода — рідинний манометр (вакуумметр), у якому для вимірювання абсолютного тиску розрідженого газу його попередньо стискують ртуттю. Цей прилад, що використовується для вимірювання низьких тисків в лабораторних умовах, було створено у 1874 році британським хіміком Гербертом Мак-Леодом (англ. Herbert McLeod, 1841–1923).

Компресійний манометр Мак-Леода

Конструктивна схема компресійного манометра

Компресійний манометр у дії

Дія компресійного манометра (вакуумметра) ґрунтується на залежності величини об'єму, який займає деяка порція газу від величини тиску, що підлягає вимірюванню, тобто на законі Бойля — Маріотта. Принцип вимірювання базується на визначенні висоти стовпця газу, попередньо стиснутого ртуттю у капілярі відомого перерізу.

Будова манометра

Основні частини приладу (див. схему): вимірювальний балон (ресивер) з відомим об'ємом V; трубка (3), що сполучає прилад із системою, у якій вимірюється тиск; два капіляри однакового діаметра d, один з яких, вимірювальний (1), сполучений з об'ємом V, а інший (2) — із сполучною трубкою. Знизу до ресивера під'єднано резервуар змінного об'єму (з гнучкими стінками), заповнений ртуттю.

Трубка 3 зазвичай має значно більший діаметр ніж капіляри 1 та 2 з метою полегшення проникнення газу з досліджуваної системи у ресивер.

Вимірювання тиску з використанням манометра Мак-Леода

Вимірювання проводиться в такіій послідовності:

• Збільшуючи об'єм резервуару з гнучкими стінками повністю очищають трубки 1, 2 і 3 від ртуті, сполучаючи таким чином ресивер V з досліджуваним об'ємом V_x.
• Далі, стискуючи нижній резервуар, заповнюють систему ртуттю до тих пір, поки рівень ртуті в капілярі 2 не досягне верхнього кінця капіляра 1. При цьому в капілярі 1 залишиться стовпець стисненого газу висотою h.
• При виготовленні прилад градуюється, і поряд з трубкою наноситься шкала, по якій можна безпосередньо робити відлік тиску в торрах чи інших одиницях вимірювання тиску.

Слід відзначити, що манометр розрахований на вимірювання тиску газу в ізотермічних умовах, тому процес заповнення манометра і наступного стискання газу у вимірювальному капілярі повинен відбуватись якнайповільніше.

Робоча формула

Приведемо виведення формули для знаходження тиску в об'ємі ${\displaystyle V_{x}}$ за висотою ${\displaystyle h}$:

Тиск газу в капілярі 1 до стискання дорівнює вимірюваному тиску ${\displaystyle ~p}$, після стискання:

${\displaystyle p_{1}=p+\rho gh}$.

При цьому, так як процес стискання газу є ізотермічним, на основі закону Бойля-Маріотта:

${\displaystyle pV=(p+\rho gh)(\pi r^{2}h)}$.

Звідси можна виразити тиск, що визначається:

${\displaystyle p={\pi \rho gr^{2} \over (V-\pi r^{2}h)}h^{2}}$.

Так як об'єм газу в капілярі набагато менший за об'єм ресивера, формулу можна перетворити до такого спрощеного вигляду:

${\displaystyle p=Ch^{2}}$,

${\displaystyle C={\pi \rho gr^{2} \over V}}$,

де C — стала приладу. Очевидно, що для вимірювання якнайменшого тиску при незмінній висоті стовпчика газу в капілярі 1 слід збільшувати об'єм ресивера і зменшувати радіус капіляра.

Використання

Умовна графічна познака манометра Мак-Леода за ISO 3753-1977 (E)

Практичне використання приладу є утрудненим через складність, незручність і повільність роботи з ним. Ці манометри виготовляються і градуюються поштучно, при цьому для кожного примірника властиве інше значення сталої приладу. Тому манометри Мак-Леода використовуються лише як еталонні прилади при градуюванні серійних манометрів і вакуумметрів.

Перевагами манометра Мак-Леода є абсолютність методу вимірювання, так як висота стовпця стисненого газу при інших однакових умовах прямо пов'язана з його тиском. Границя шкали приладу обмежується можливістю очищення робочого об'єму від газу (при його збільшенні суттєво зростає маса ртуті, що використовується у приладі), діаметром капіляра (при надто вузькому капілярі спостерігається прилипання ртуті до його стінок), можливістю вимірювання стовпця газу, і в найкращих практичних зразках становить 10⁻⁶мм рт. ст. (прибл. 10⁻³ Па). Похибка вимірювання такого манометра (вакуумметра) може бути зведена до 1…2%.

Див. також

• Вакуумметр

Примітки

1. ДСТУ 3711-98 Засоби вимірювань тиску. Терміни та визначення.
2. ДСТУ 2758-94 Вакуумна техніка. Терміни та визначення.
3. M'Leod (1874). Apparatus for measurement of low pressures of gas. Philosophical Magazine Series 4. 48 (316): 110—113. doi:10.1080/14786447408641086.

Посилання

• McLeod Gauge [ 13 Травня 2013 у Wayback Machine.] (англ.)
• «Манометр Мак-Леода» [ 3 Жовтня 2013 у Wayback Machine.] в Британській енциклопедії (англ.)