实验六流体压强及其测量演示实验

实验六 流体压强及其测量演示实验

一、实验目的

1．了解绝对压强，表压强和真空度的区别及其相互联系。

2．了解柱高度、压头和压强的区别及其相互联系。

3．掌握压强的几种测量方法。

二、实验原理

1．绝对压强=表压+大气压

绝对压强=大气压+真空度

2．水银柱及水柱压差计原理：

在化工生产中，压强是一个重要的控制条件，测量压强的仪表

也很多，U 形管压强计就是利用流体静力学原理设计的测定压强的

一种仪表。图6-1所示为一根U 形玻璃管，内装有密度为ρ0的指

示液，指示液应与被测液体不互溶，也不发生化学反应，并且指示

液的密度ρ0要大于被测流体的密度ρ。

测压时，将U 形管的两端分别联接到被测系统的两点上，若这

两点的压强分别为p 1和p 2（图中p 1＞p 2），由于p 1和p 2不相等，当

测量达稳定时U 形管两侧指示液液面的高度也不相同，其差值R

即为压强计的读数。

在U 形管压强计内取A 、A ＇两点，这两点是在连通着的、静

止的同一流体内，又在同一水平面上，所以这两点的压强相等。故

有

g R Z p p A ρ)(1∆++=

g R g Z p p A 02ρρ∆++='

因A A p p '=，所以：

R g p p ∆-=-)(021ρρ

若被测流体是气体，通常ρ＜＜ρ0，上式可简化为：

R g p p ∆=-021ρ

这样测出的是被测系统两点间的压强差，若将U 形管压强计一端连通大气，这时读数R 表示的是设备中某点的绝对压强与大气压强之差，即表压。

3．微压差计原理

如图6-2所示，微压差计一端与流体管路相连，另一端通大气。左右端玻璃管上方有

扩大室1及2，要求扩大室的直径大于10倍的玻璃

管直径，即d 室＞10d 管。当右端的指示液高度有△h

的变化时，左端扩大室的液面高度变化△h ＜＜△

h ’，也就是说，扩大室的液面高度变化几乎为零。

具体分析如下：

当右端的指示液上升（下降）△h 时，左端扩

大室的液面高度下降（上升）△h ’，则有：

室管24

24d h d h ππ∙'∆=∙∆。 由于d 室＞10d 管，不难得到：△h ＇＜100

1△h 。 由于在U 型管中△h 的变化值不会很大（同学

们自己分析），△h ＇≈0。

从图中可以看到微压差计有两种指示液，要求

密度相近这两种指示液不互溶，且均与被测流体不

互溶（为什么？）

根据连通器原理：（当被测流体为空气时）

Pa+△Rg ρ1=P+△Rg ρ2

∴P=Pa+△Rg(ρ1－ρ2)

采用表压书写则P 表=△Rg(ρ1－ρ2)

ρo ——空气密度，kg ·m -3

Pa ——空气大气压，p a

ρ1、ρ2——指示液1与指示液2的密度，kg ·m -3

△R ——U 型管中两种指示液高度差，m

与水银柱或水柱压差计比较：当某种流体的表压一定时，用水柱压差计测得的高度差

为△R 水，用微压差计测得的高度为△R 微，于是有：212R R ρρρ-=∆∆O H 水微，前面已述及ρ1、ρ2

相近，即212

ρρρ

-O H 很大。用水银柱压差计测得的高度差为△R 水银，则21R R ρρρ-=∆∆水银水银微也很大。

说明用微压差计可以把水银柱或水柱压差计的读数放大几倍至几十倍。也就是测量压强较小时，微差计显示出较小的误差。

三、实验装置与流程

本演示实验装置由二维釜式反应器模型、弹簧压力表和U 形管液柱压差计所组成。演示装置流程如图6-3所示。

P a

主体设备为

一透明的二维釜

式反应模型，釜

底出口与平衡杯

相连接。利用平

衡的位置高低，

来调节器内的液

位，以此造成液

面上不同的压

强。

反应器顶部

设有两个测压

口，其中一个测

压口直接与一个

弹簧压力表相联

接；另一个测压

口联接三支U形

管压差计。压差

计分别装入汞和

水两种指示液。

微压差计中同时

装有四氯化碳和

氯化钙水溶液两

种指示液。每支

压差计上各装一

个旋塞，用以开关控制接通与断开。

反应器顶部另装一个放空阀。

四、实验步骤及注意事项

1．操作方法：

试验前，先打开放空阀，水由平衡杯中加入。加水量以使平衡杯与器内液面平齐，液面达反应器高度的二分之一为宜。

试验时，先关闭放空阀，再根据需要移动平衡杯的高低位置，用以造成器内液面上方的不同压强。

2．观察比较绝对压强、表压强和真空度

演示操作可依次按如下步骤进行：

（1）将器顶放空阀打开，并将平衡杯置于反应器相同高度，使杯内液面与器内液面平齐，再将汞柱压差计上的旋塞打开。这时可观察到弹簧压力表和汞柱压差计显示的读数均为零。反应器与大气相通说明器内压强与大气压强相等，但压力表却显示为零。因此，压

强有两种表达方式：绝对压强和表压强。

（2）将器顶放空阀全部关阀，使器内成为密闭体系，然后将平衡杯缓慢举起，并置于最高位置上。这时，观察弹簧压力表和汞柱压差计的读数，观察到的读数即为表压强。

（3）将平衡杯缓慢放下，并置于最低位置，再来观察弹簧压力表和汞柱压差计读数。这时，弹簧压力表显示出负的读数（压力表上以红色标度，单位为mmHg），而汞柱压差计向左侧（连通测压口一侧）上长一定高度。这说明反应器内压强低于大气压强。压力表显示的读数即为器内压强低于大气压强多少毫米汞柱，这部分压强即为真空度，而设备内的剩余压强则为绝对压强。

3．观察比较各种液柱压力计

先将平衡杯放置在起始位置，然后找开一下放空阀，再将放空阀关闭。实验时，将平衡杯的位置略为提高一点，然后依次打开汞柱压差计、水柱压差计和微压差计上的旋塞。

这时可以形象地观察到：当测量器内同一压强时，汞柱压差计显示的汞柱高度不甚明显；水柱压差计虽显示出一定水柱高度，但其值仍较小；而微压差计所显示的液柱高度则较为明显。用此形象地说明合理选用压差计指示液的重要意义。

4．注意事项

（1）当进行绝对压强、表压和真空度的比较试验时，因压强变化大，除了汞柱压差计之外，应将其他两个压差计上的旋塞关闭，以避免冲液事故。

（2）在进行第2项演示操作时，应注意平衡杯的位置要放置适度，即使微压差计的液柱高度达到最大量程，而汞柱高度却仍不明显，以保证有良好的演示效果。