Используемые при выполнении лабораторного практикума

Ареóметр – прибор для измерения плотности жидкости.

Название прибора происходит от гр. αραιος – неплотный и μετρεω – измеряю.

Устройство ареометра показано на рис. П.1.

Ареометр представляет собой стеклянную цилиндрическую ампулу, снабжённую длинным отростком – стержнем, на который нанесена шкала значений плотности. Нижняя часть ампулы заполнена балластом, которым служит металлическая дробь, залитая слоем смолы или сургуча. Балласт заставляет ареометр плавать в вертикальном положении. Для определения плотности испытуемой жидкости её наливают в чистый стеклянный цилиндр. Ареометр осторожно погружают в жидкость, держа его за верхний конец, не задевая стенок цилиндра, и отпускают только тогда, когда убедятся, что он плавает. Показание ареометра отсчитывают по линии пересечения стержня прибора нижним краем мениска жидкости. Следует учитывать, что показание прибора будет неправильным, если жид-

кость смочит стержень ареометра намного выше штриха, соответствующего плотности испытуемой жидкости.

Вакууммéтр, вакуумный манометр – прибор для измерения давления разрежённых газов, давления жидкостей ниже атмосферного.

Название прибора происходит от лат. vacuum – пустота и гр. μετρεω – измеряю.

Устройство и принцип действия вакуумметра аналогичны устройству и действию манометра (см. ниже).

Вискози´ метр – прибор для измерения вязкости жидкости.

Название прибора происходит от лат. viscosus – вязкий и гр. μετρεω – измеряю.

В лабораторном практикуме используется вискозиметр по методу Хёпплера (Höppler). Согласно этому методу измеряется время падения калиброванного шара в цилиндрической трубке, наклоненной на 10° по отношению к вертикали и наполненной испытуемой жидкостью.

Устройство вискозиметра показано на рис. П.2.

Основной деталью прибора является стеклянная трубка 1, в которой находится стальной калиброванный шар 2 и которая заполняется испытуемой жидкостью. С обоих концов трубка закрыта крышками 5.

С целью определения вязкости при различных температурах трубка закреплена в стеклянной колбе 4, выполняющей функцию термостата. С колбой 4 соединена металлическая пластина 6, насаженная на турель[7] 8.

Для начальной установки или возврата шара 2 в исходное положение следует оттянуть фиксирующий стержень 9 на стойке прибора 10 и повернуть колбу на 180°. При измерении вязкости колба устанавливается в рабочее положение и фиксируется стержнем 9.

Не менее чем в 3-х опытах фиксируется время падения шара от одной кольцевой метки 3 на трубке до другой, расстояние между которыми 100 мм.

Среднее значение времени (t _виск) используется для расчета вязкости по формуле:

mL = K ∙(rS - rL)∙ t виск,

(П.1)

где m_L - вязкость жидкости, Па×с;

K - константа, указанная на вискозиметре, Па×с/[(кг/м³)×с];

r_S - плотность шара в вискозиметре, кг/м³;

r_L - плотность жидкости в вискозиметре, кг/м³;

t _виск - время падения шара в вискозиметре, с.

Следует учитывать, что полученное значение вязкости будет неправильным, если изначально прибор не будет выставлен строго по уровню 7 с помощью установочных винтов 11.

Дифманóметр, дифференциальный манометр – прибор для измерения разности (перепада) давлений.

Название прибора происходит от слов: лат. differentia – разность, гр. μανος – неплотный и μετρεω – измеряю.

Для измерения небольших разностей давления применяются жидкостные дифференциальные манометры.

Простейший жидкостный дифференциальный манометр представляет собой стеклянную трубку U-образной формы (см. рис. П.3). Трубка заполняется примерно до половины её объёма (точнее – до нулевой отметки шкалы) так называемой манометрической жидкостью. Манометрическая жидкость должна не смешиваться с рабочей жидкостью и иметь плотность (r_м) больше, чем плотность рабочей среды (r_L), в которой измеряется давление. В качестве манометрической жидкости используется, как правило, вода (при измерении разности давлений в газовой среде) или ртуть.

Рис. П.3. U-образный дифманометр	Открытые концы трубки подсоединяются к обследуемому объекту. В том случае когда в одной точке рабочей среды давление равно р 1, а в другой точке – р 2, причём р 1 ¹ р 2, границы раздела манометрической и рабочей жидкостей в приборе устанавливаются на различной высоте. Разность уровней манометрической жидкости (D h м) в двух коленах прибора пропорциональна разности давлений и, в соответствии с уравнением гидростатики, искомая разность давлений равна:
D р = р 1 - р 2 = (rм - rL)× g ×D h м.	(П.2)

Полезно иметь в виду, что понижение уровня манометрической жидкости в одном колене прибора относительно исходного положения равновелико повышению уровня в другом. Следовательно, величина D h _м может быть определена как удвоенное значение изменения уровня в одном из колен дифманометра.

Большей точностью измерения небольшой разности давлений обладает чашечный дифманометр (см. рис. П.4).

Чашечный дифманометр представляет собой два сообщающихся сосуда – чашку 1 и трубку 2, установленную наклонно, причём диаметр чашки намного больше диаметра трубки.

На манометрическую жидкость, находящуюся в чашке подаётся большее давление, на жидкость в трубке – меньшее. Под действием указанной разности давлений манометрическая жидкость перемещается из чашки в трубку. При этом понижение уровня в чашке

Рис. П.4. Чашечный дифманометр: 1 – чашка; 2 – трубка

пренебрежимо мало, а повышение уровня в трубке на величину D h м пропорционально длине l = D h м /sin a. Таким образом, с уменьшением угла a наклона трубки повышается точность измерения.

Манóметр – прибор для измерения давления жидкостей и газов.

Название прибора происходит от гр. μανος – неплотный и μετρεω – измеряю.

Для измерения давления, значительно превышающего атмосферное, применяется металлический манометр, устройство которого показано на рисунке П.5. (На рисунке манометр показан как бы с прозрачным циферблатом.)

Рис. П.5. Металлический манометр: 1 – корпус; 2 – шкала; 3 – трубка; 4 – стрелка; 5 – зубчатый сектор; 6 – поводок; 7 – стойка; 8 – патрубок

Главной частью такого манометра является находящаяся внутри корпуса 1 полая металлическая трубка 3, изогнутая в виде дуги. Трубка изготовлена из достаточно упругого материала и имеет поперечное сечение овальной формы. Открытым концом I трубка прикреплена к стойке 7 и через патру-бок 8 подсоединяется к контролируемой среде. Другой конец II трубки

запаян. Чем больше давление жидкости (или газа), заполняющей трубку 3, тем больше эта трубка распрямляется. Происходит это потому, что площадь выпуклой поверхности трубки больше площади вогнутой, а давление внутри трубки одинаково. Следовательно, сила давления внутри трубки на выпуклую поверхность больше, чем на вогнутую. Это и вызывает разгибание трубки 3.

Через поводок 6 и зубчатый сектор 5 перемещение конца II трубки передаётся сидящей на оси стрелке 4 прибора. Угол поворота стрелки пропорционален величине распрямления трубки.

Положение стрелки, соответствующее атмосферному давлению, отмечается «нулём» на шкале 2 прибора. Манометр показывает, насколько измеряемое давление превышает атмосферное, то есть показывает так называемое «избыточное давление».

Микрóметр – инструмент для измерения линейных размеров тел с точностью до сотых долей миллиметра.

Название инструмента происходит от гр. μικρος – малый и μετρεω – измеряю.

Устройство микрометра показано на рис. П.6.

Рис. П.6. Микрометр: 1 – скоба; 2 – пятка; 3 – микрометрический винт; 4 – стебель; 5 – барабан; 6 – трещотка

Основная деталь микрометра – стальная скоба 1. С одной стороны на ней закреплена неподвижная пятка 2, а с другой – стебель 4. Внутри стебля помещён микрометрический винт 3, заканчивающийся с левой стороны измерительной поверхностью. С правой сто-

роны микрометрический винт соединён с барабаном 5, охватывающим стебель микрометра. При вращении барабана вращается и микрометрический винт, причём при одном обороте барабана измерительная поверхность винта перемещается на 0,5 мм относительно неподвижной пятки микрометра.

На поверхности стебля 4 имеется шкала с миллиметровыми делениями. По левому краю барабана 5 нанесено 50 равноотстоящих делений.

При смыкании измерительной поверхности микрометрического винта с поверхностью неподвижной пятки край барабана устанавливается против нулевой риски на шкале стебля. При вращении барабана на 2 оборота микрометрический винт смещается на 1 миллиметр.

Для определения размера тела его помещают между пяткой 2 и винтом 3 и вращением барабана 5 достигают соприкосновения измерительных поверхностей пятки и винта с телом. Во избежание деформации тела барабан рекомендуется вращать с помощью трещотки 6. По положению кромки барабана определяют целое число миллиметров, считанное со шкалы на стебле; сотые доли миллиметра отсчитывают по шкале на барабане микрометра, определяя, какой из штрихов этой шкалы точно совпадает с продольной риской на стебле. Размер тела получают сложением числа целых и числа сотых долей миллиметра.

Ротáметр – прибор для измерения расхода жидкости.

Название прибора происходит от лат. rotare – вращать и гр. μετρεω – измеряю.

На рис. П.7 показано обычное устройство ротаметра.

В верхнем 1 и нижнем 12 корпусах, соединенных друг с другом шпильками 5, с помощью втулок 4 и 9, а также сальниковых уплотнений 3 и 10 укреплена стеклянная коническая трубка 6. Трубка укрепляется расширяющимся концом вверх. Конусность трубки невелика и составляет 0,001…0,01, так что визуально она воспринимается как цилиндрическая. Внутри трубки вертикально перемещается поплавок 8. В прежних конструкциях на боковой поверхности поплавка делали косые канавки, вызывавшие его вращение при движении жидкости (отсюда и название устройства), что способствовало центрированию поплавка относительно оси трубки; в дальнейшем выяснилось, что поплавок занимает соосные с трубкой положения и без вращательного движения. Для ограничения хода поплавка служат верхний 2 и нижний 11 упоры.

Коническая трубка и поплавок образуют проточную часть ротаметра.

Непосредственно на стеклянную трубку нанесена шкала 7, имеющая 100 условных делений. Расход жидкости определяют по калибровочным графикам или расчётным уравнениям соответственно отметке шкалы, обозначенной верхним краем поплавка.

Рис. П.7. Ротаметр стеклянный: 1 и 12 – корпусы; 2 – верхний упор; 3 и 10 – сальниковые уплотнения; 4 и 9 – втулки; 5 – шпилька; 6 – стеклянная трубка; 7 – шкала; 8 – поплавок; 11 – нижний упор

Поплавок ротаметра будет находиться в квазистатическом взвешенном состоянии при условии равенства всех сил, действующих на него в потоке жидкости, а именно: силы тяжести (Fg), архимедовой силы (F A) и силы сопротивления со стороны обтекающего его потока (F c), то есть когда Fg = F A + F c. Сила тяжести и архимедова сила для данного поплавка постоянны. Сила сопротивления пропорциональна скорости обтекающего потока: , где z – коэффициент пропорциональности, r – плотность жидкости, S п - площадь поперечного сечения поплавка. Таким образом, баланс сил обеспечивается определенной скоростью потока v. Согласно уравнению расхода жидкости в канале круглого поперечного сечения , постоянство скорости

при изменении расхода может быть достигнуто изменением диаметра канала (d). Именно с этой целью трубка ротаметра имеет коническую форму.

Штангенциркуль – инструмент для измерения линейных размеров тел с точностью до десятых долей миллиметра.

Название инструмента происходит от нем. Stange – стержень, штанга и Zirkel – циркуль.

Устройство штангенциркуля показано на рис. П.8.

Рис. П.8. Штангенциркуль:

1 – штанга; 2 – рамка; 3 – нониус; 4 – верхние губки; 5 – нижние губки; 6 – линейка глубиномера; 7 – стопорный винт

Основная часть инструмента – штанга 1 со шкалой, имеющей сантиметровые и миллиметровые деления. На одном конце штанги располагаются верхняя 4 и нижняя 5 губки.

По линейке скользит рамка 2, также имеющая верхнюю и нижнюю губки. На рамку нанесена шкала – нониус 3.

При смыкании нижних губок нулевой штрих нониуса совмещается с нулевым штрихом шкалы на штанге. При смещении рамки по штанге расстояния между внешними кромками верхних губок, между внутренними кромками нижних губок и длина выдвигаемой линейки глубиномера 6 одинаковы.

Для определения внешнего размера тела его зажимают между нижними губками инструмента и по положению нулевого штриха нониуса определяют целое число миллиметров. Затем определяют, какой из штрихов шкалы нониуса, считая от нулевого, точно совпадает со штрихом шкалы на штанге; полученное число соответствует числу десятых долей миллиметра. Размер тела получают сложением числа целых и числа десятых долей миллиметра.