История изобретения жидкостного манометра
Вопросы водоснабжения для человечества всегда были очень важными, а особую актуальность приобрели с развитием городов и появлением в них различного вида производств. При этом все более актуальной становилась проблема измерения давления воды, т.е. напора, необходимого не только для обеспечения подачи воды через систему водоснабжения, но и для приведения в действие различных механизмов. Честь первооткрывателя принадлежит крупнейшему итальянскому художнику и ученому Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.), который впервые применил пьезометрическую трубку для измерения давления воды в трубопроводах. К сожалению, его труд «О движении и измерении воды» был опубликован лишь в XIX веке. Поэтому принято считать, что впервые жидкостный манометр был создан в 1643 г. итальянскими учеными Торричелли и Вивиани, учениками Галилео Галилея, которые при исследовании свойств ртути, помещенной в трубку обнаружили существование атмосферного давления.
Так появился ртутный барометр. В течение последующих 10-15 лет во Франции (Б. Паскаль и Р. Декарт) и Германии (О. Герике) были созданы различные разновидности жидкостных барометров, в том числе и с водяным заполнением. В 1652 г. О. Герике продемонстрировал весомость атмосферы эффектным опытом с откачанными полушариями, которые не могли разъединить две упряжки лошадей (знаменитые «магдебургские полушария»).
Основные типы жидкостных манометров и принципы их действия
Принцип действия жидкостных манометров можно проиллюстрировать на примере U-образного жидкостного манометра, состоящего из двух соединенных между собой вертикальных трубок 1 и 2, наполовину заполненных жидкостью. В соответствии с законами гидростатики при равенстве давлений р 1 и р 2 свободные поверхности жидкости (мениски) в обеих трубках установятся на уровне I — I. Если одно из давлений превышает другое (р 1 > р 2 ), то разность давлений вызовет опускание уровня жидкости в трубке 1 и, соответственно, подъем в трубке 2, вплоть до достижения состояния равновесия. При этом на уровне II — II уравнение равновесия примет вид
Δр = р 1 — р 2 = Н * р * g
т. е. разность давлений определяется давлением столба жидкости высотой Нс плотностью р.
Уравнение с точки зрения измерения давления является фундаментальным, так как давление, в конечном итоге, определяется основными физическими величинами — массой, длиной и временем. Это уравнение справедливо для всех без исключения типов жидкостных манометров. Отсюда следует определение, что жидкостный манометр — манометр, в котором измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, образующегося под действием этого давления. Важно подчеркнуть, что мерой давления в жидкостных манометрах является высота столба жидкости. Именно это обстоятельство привело к появлению единиц измерений давления мм вод.ст., мм рт.ст и других, которые естественным образом вытекают из принципа действия жидкостных манометров.
Дальнейшее развитие науки и техники привело к появлению большого количества жидкостных манометров различных типов, применяемых до настоящего времени во многих отраслях: метеорологии, авиационной и электровакуумной технике, геодезии и геологоразведке, физике и метрологии и пр. Однако, в силу ряда специфических особенностей принципа действия жидкостных манометров их удельный вес по сравнению с манометрами других типов относительно невелик и, вероятно, будет уменьшаться и в дальнейшем. Тем не менее при измерениях особо высокой точности в области давлений, близких к атмосферному давлению, они пока незаменимы. Не потеряли своего значения жидкостные манометры и в ряде других областей (микроманометрии, барометрии, метеорологии, при физико-технических исследованиях).