1.      Hidrostatinis slėgis ir jo matavimo būdai

 

1.1.      Teoriniai principai

         Hidrostatinis slėgis skysčių ir dujų mechanikoje analogiškas kietųjų kūnų gniuždymo normaliniams įtempiams. Jis lygus paviršiui S statmenos elementariosios jėgos dF ir tos jėgos veikiamo elementariojo ploto  dS santykiui:

                                                        .                                                          (1.1)

         Jei jėga F plote S paskirstoma tolygiai, tai slėgis bet kuriame to paviršiaus taške lygus vidutiniam  slėgiui ir skaičiuojamas paprasčiau:  

                                                     .                                                               (1.2)

Slėgio vienetai. Hidrostatinis slėgis SI sistemoje matuojamas paskaliais (1Pa=1N/m2), hektopaskaliais (1hPa), kilopaskaliais (kPa), megapaskaliais (MPa). Slėgis kartais matuojamas ir kitais vienetais, pvz., techninėmis atmosferomis (1atm), barais (1 bar), skysčio  stulpelio aukščiu. Norint slėgį (p) paversti kurio nors skysčio stulpelio aukščiu (h), slėgis dalinamas iš skysčio specifinio sunkio (g):

 

,                                                              (1.3)

arba atvirkščiai:

,                                                    (1.4)

 

čia r ─ skysčio tankis;

         g ─ gravitacijos pagreitis. 

Hidrotechnikoje slėgiui apibūdinti dažniausiai naudojamas vandens stulpelio aukštis: 1 metras vandens stulpelio aukščio pagal (1.4) lygtį yra lygus .

Naudojami ir kiti slėgio vienetai:

Ø      gyvsidabrio stulpelio aukščio vienas milimetras vadinamas toru, jis lygus 133,32 Pa;

Ø      baras (1 bar = 100000 Pa=100kPa), milibaras (1 mbar = 100 Pa);

Ø      techninė atmosfera (1 atm = 1 kG/cm2 = 98100 Pa = 10 m vandens stulpelio aukščio);

Ø      fizikinė atmosfera (1at = 760 mm gyvsidabrio stulpelio aukščio = 101325 Pa) ir kt.

        

         Hidrostatinio slėgio rūšys. Slėgis gali būti absoliutusis (pilnutinis), manometrinis arba vakuuminis. Absoliutųjį (pilnutinį) slėgį sudaro  atmosferos    slėgio () ir manometrinio slėgio () suma:

                                                             .                                                           (1.5)

 

         Hidrotechnikoje dažniausiai naudojamas manometrinis slėgis , o atmosferos slėgis (dar vadinamas barometriniu slėgiu)  laikomas pastoviu ir lygiu 98100 Pa arba 98,1 kPa. Tokiu dydžiu manometrinis slėgis  visuomet yra maženis už absoliutųjį (pilnutinį) slėgį  :

  

.                                                       (1.6)

 

Jeigu absoliutusis (pilnutinis) slėgis yra mažesnis už atmosferos slėgį (), tai  reikšmė yra neigiama. Tokia neigiama slėgio reikšmė hidrotechnikoje yra neparanki, todėl naudojamas vakuuminis slėgis pvak :

 

.                                                        (1.7)

                                                        

Taigi, vakuuminis slėgis yra absoliutaus slėgio trūkumas iki atmosferos slėgio, o manometrinis ─ jo perteklius, viršijantis atmosferos slėgį. Iš  (1.7) lygties matyti: kai  absoliutus slėgis lygus nuliui,    tada vakuuminis slėgis lygus atmosferos  slėgiui, vadinasi, didžiausias vakuuminis slėgis negali būti didesnis už atmosferos slėgį.

 

         Hidrostatinio slėgio matavimo prietaisai. Skysčių ir dujų absoliutusis ir manometrinis slėgis matuojamas manometrais, vakuuminis slėgis ─ vakuummetrais, atmosferos slėgis ─ barometrais, slėgių skirtumas ─ diferenciniais manometrais. Jei vienas ir tas pats prietaisas skirtas manometrinio ir vakuuminio slėgio matavimams, jis vadinamas vakuummanometru.

Pagrindinė konstrukcinė manometro dalis yra jautrusis elementas ─ pirminis slėgio keitiklis. Jis transformuoja slėgį į patogesnį matuoti dydį (poslinkį, posūkį, jėgą) arba nuo slėgio pakinta pirminio keitiklio varža, talpa, induktyvumas, įtampa, elektrinių virpesių dažnis ir kt.). Pagal jautriojo elemento veikimo principą slėgio matavimo prietaisai skirstomi į skystinius, deformacinius (mechaninius), stūmoklinius, elektrinius ir kt.

Paprasčiausias skystinis manometras yra pjezometras. Tai atviru galu vamzdelis, kuris prijungiamas tame taške, kuriame norima išmatuoti slėgį. Vamz­delis (dažniausiai stiklinis) imamas ne mažesnio kaip 10—12 mm skersmens, kad jame pasireiškiantys kapiliariniai reiškiniai būtų nereikšmingi.

         Pjezometru betarpiškai išmatuojamas pjezometrinis (manometrinis) aukštis hp, o slėgis apskaičiuojamas pagal hidrostatikos formules.

 

 

1.1 pav. Slėgio matavimas pjezometru ir balansiniu prietaisu

 

             Pavyzdžiui, jei skystis taške A prijungtame pjezometre pakilo į aukštį hp (1.1 pav.), tai manometrinis slėgis jame lygus

 ,                                                                              (1.8)

 

o absoliutusis (pilnutinis) slėgis lygus

.                                                       (1.9)

          

         Pjezometras patogus tuo, kad juo matuojamas dydis (skysčio stulpelio aukštis) yra natūralaus mastelio, todėl matavimo tikslumas yra didelis. Tačiau didesniam ne­gu 20—30 kPa slėgiui matuoti jis netinka, nes reikia labai ilgo vamzdelio.

         Jei skystis yra pusiausvirasis, tai slėgis taške A yra lygus slėgiui stūmoklio paviršiuje S (1.1 pav.). Kad stūmoklis liktų pusiausvirasis, jį turi veikti vertikali jėga F, kuri gali būti apskaičiuota pagal (1.2) lygtį. Ir atvirkščiai, veikiant pusiausvirąjį skystį jėgai F, paviršiuje S ir taške A susidarantis slėgis gali būti skaičiuojamas pagal (1.2) lygtį, o pjezometrinis aukštis hp turi atitikti (1.3) lygybę. 

Šiame laboratoriniame darbe nagrinėjamo mechaninio spyruoklinio (Bordo) manometro schema pateikta 1.2 paveiksle. Jį sudaro korpusas A, lenktas tuščiaviduris vamz­delis-spyruoklė B, kurio uždaras galas per svirtelių C ir krumpliaračių sistemą sujungtas su rodykle D.

1.2 pav. Mechaninis spyruoklinis (Bordo) manometras ir konstrukcijos schema

 

Prijungus atvirą vamzdelio galą prie taško, kuriame ma­tuojamas slėgis p, vamzdelis-spyruoklė deformuojasi (tiesinasi) ir pasuka rodyklę, kuri graduotoje ska­lėje parodo atitinkamą slėgį.

Detaliau su spyruoklinių  manometrų ypatybėmis galima susipažinti specialioje literatūroje arba  internete, pvz., http://www.autotestas.lt/manometrai/spyruokliniai_manometrai.htm.