ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

Демонстрационный прибор для измерения гидростатического давления относится к области технических средств обучения, а именно к демонстрационным приборам для измерения гидростатического давления и может быть использован при изучении гидравлики и физики.
Известен демонстрационный прибор для измерения гидростатического давления, содержащий корпус, соединенные между собой герметичную частично заполненную жидкостью опытную камеру и дополнительную камеру, сообщающуюся с помощью клапана с атмосферой, а также подвижный сосуд, подъемный механизм для его перемещения и кран [Методические указания к лабораторным работам по общему курсу гидравлики. / Под ред. Н.А. Яковлева. - Л.: Изд-во ЛПИ, 1979, с. 6, рис. 1].
Недостатком этого устройства является усложнение конструкции подвижным сосудом, механизмом для его перемещения и краном. Наличие этих конструктивных элементов приводит к повышенным габаритам прибора. Кроме того, прибор имеет низкие эксплуатационные качества, выражающиеся в большой трудоемкости и продолжительности проведения опытов из-за большого числа операций.
Наиболее близким по технической сущности является демонстрационный прибор для измерения гидростатического давления [Пат. 1742655, Российская Федерация, МКИ G01L 7/18. Демонстрационный прибор для измерения гидростатического давления / Г.Д. Слабожанин, В.Д. Слабожанин. - Опубл. 23.06.1992]. Он содержит корпус в виде прямоугольной пластины с краевыми стенками, на которых закреплена плоская прозрачная крышка, и размещенные между пластиной и крышкой вдоль пластины h-образную и прямую перегородки, которые образуют сообщаемые между собой герметичную частично заполненную жидкостью опытную камеру и дополнительную камеру с нормально-закрытым клапаном для связи с атмосферой. Концы и параллельные стенки h-образной перегородки размещены на расстоянии  от краевых стенок, а прямая перегородка расположена между параллельными стенками h-образной перегородки на расстоянии  от ее короткой стенки, один ее конец соединен с короткой краевой стенкой, а другой размещен на расстоянии  от поперечной стенки h-образной перегородки, причем опытную камеру образует полость между прямой перегородкой и поперечной и длинной стенками h-образной перегородки, а дополнительная камера образована полостью, размещенной с другой стороны поперечной стенки.
Прибор по прототипу имеет простую конструкцию, удобен в эксплуатации, позволяет наглядно демонстрировать жидкостные приборы для измерения гидростатического давления и быстро приобрести навыки работы с ними.
Недостатком этого прибора является ограниченная область применения, так как он не позволяет демонстрировать другие широко известные гидростатические устройства, такие как сообщающиеся сосуды различной формы и жидкостные уровни и уклономеры.
Технической проблемой, решаемой предлагаемой полезной моделью, является расширение функциональных возможностей прибора. Технический результат при реализации устройства заключается в дополнительной возможности демонстрации сообщающихся сосудов с различной формой, принципа действия пузырьковых уровней, гидроуровней и уклономеров.
Поставленная задача решается тем, что в известном демонстрационном приборе для измерения гидростатического давления, содержащем корпус в виде прямоугольной пластины с краевыми стенками, на которых закреплена плоская прозрачная крышка, и размещенные между пластиной и крышкой вдоль пластины h-образную и прямую перегородки, которые образуют сообщаемые между собой герметичную частично заполненную жидкостью опытную камеру и дополнительную камеру с нормально-закрытым клапаном для связи с атмосферой, концы и параллельные стенки h-образной перегородки размещены на расстоянии  от краевых стенок, а прямая перегородка расположена между параллельными стенками h-образной перегородки на расстоянии  от ее короткой стенки, один ее конец соединен с короткой краевой стенкой, а другой размещен на расстоянии  от поперечной стенки h-образной перегородки, причем опытную камеру образует полость между прямой перегородкой и поперечной и длинной стенками h-образной перегородки, а дополнительная камера образована полостью, размещенной с другой стороны поперечной стенки, опытная камера снабжена поперечными фигурными перегородками, концы которых не доходят до длинной стенки h-образной перегородки и до прямой перегородки.
Выполнение в опытной камере поперечных фигурных перегородок позволяет с помощью этого прибора демонстрировать положение свободных поверхностей однородной жидкости в сообщающихся сосудах различной формы на одном уровне (при условии, что давление воздуха над жидкостью в сосудах одинаково).
Выполнение в опытной камере глухой перегородки, соединяющей концы двух соседних поперечных перегородок с одной стороны, позволяет демонстрировать отклонение положения уровня в одном из сообщающихся сосудов от общего, если он перекрыт сверху или снизу.
Выполнение в опытной камере поперечной перегородки около краевой стенки с внутренней цилиндрической поверхностью по отношению к этой стенке и рисок на перегородке для контроля положения прибора позволяет демонстрировать принцип действия пузырькового уровня, самого распространенного и популярного вида уровней.
Выполнение равномерных шкал вдоль коротких краевых стенок корпуса прибора на дополнительной и опытной камерах позволяет демонстрировать принцип действия гидроуровня и гидростатического уклономера.
Кроме того, прибор удобен в эксплуатации и легко трансформируется за счет наклона или переворота для исследования различных видов гидростатического давления или попеременной демонстрации принципа действия сначала одного, а затем другого гидростатического устройства.
На фиг. 1 изображен демонстрационный прибор в обычном положении при давлении над жидкостью в опытной камере выше атмосферного, общий вид, на фиг. 2 - в положении для демонстрации постоянства уровней в сообщающихся сосудах и отклонения уровня в сосуде с верхней глухой перегородкой, на фиг. 3 - в положении для демонстрации постоянства уровней в сообщающихся сосудах и отклонения уровня в сосуде с нижней глухой перегородкой, на фиг. 4 - в положении для демонстрации принципа действия пузырькового уровня, на фиг. 5 - в положении для демонстрации принципа действия гидроуровня и гидростатического уклономера.
Демонстрационный прибор для измерения гидростатического давления и демонстрации сообщающихся сосудов различной формы и принципа действия жидкостных уровней и уклономеров содержит корпус в виде полой продолговатой прямоугольной пластины с краевыми стенками 1, на которых закреплена прозрачная крышка 2 (фиг. 1). Между пластиной и крышкой, вдоль пластины размещена h-образная перегородка 3, концы которой находятся на расстоянии  от коротких краевых стенок. На таком же расстоянии  от длинных краевых стенок находятся параллельные стенки этой перегородки. Прямая перегородка 4 размещена между параллельными стенками h-образной перегородки на расстоянии  от ее короткой стенки. Один конец перегородки 4 соединен с короткой краевой стенкой корпуса, а второй - размещен на расстоянии  от поперечной стенки h-образной перегородки. Требование соблюдения постоянства размера  объясняется тем, что стенки образуют каналы для демонстрации работы жидкостных приборов, которые в практике представляют собой изогнутые стеклянные трубки постоянного сечения.
Полость между прямой перегородкой 4 и поперечной и длинной стенками h-образной перегородки 3 образуют опытную камеру 5, а дополнительная камера 6 образована полостью, размещенной с другой стороны поперечной стенки, и снабжена нормально закрытым клапаном 7 для сообщения с атмосферой. Опытная камера 5 частично заполнена жидкостью. При этом канал 8 представляет собой жидкостный пьезометр с шириной сечения  а U-образный канал 9 с шириной сечения  - мановакуумметр. Эти каналы и камеры снабжены равномерными шкалами 10, расположенными вдоль длинных краевых стенок корпуса, а камеры 5 и 6 - имеют еще дополнительные равномерные шкалы 11, расположенные вдоль коротких краевых стенок корпуса.
Дополнительно, опытная камера снабжена поперечными фигурными перегородками 12 и 13, концы которых не доходят до длинной стенки h-образной перегородки 3 и до прямой перегородки 4, причем концы двух соседних поперечных перегородок с одной стороны соединены глухой перегородкой 14, а поперечная перегородка 13 около короткой краевой стенки имеет внутреннюю цилиндрическую поверхность по отношению к этой стенке и разметку в виде двух рисок 15 для контроля положения прибора.
Прибор работает следующим образом.
п
м
п
м
При изучении техники измерения гидростатического давления проводятся такие же действия, как и в случае с прототипом. В опытной камере 5 над жидкостью создают избыточное давление (выше атмосферного), о чем свидетельствует превышение уровня жидкости в пьезометре 8 над уровнем жидкости в камере 5 (фиг. 1). Для этого ставят корпус 1 на правую боковую стенку, а затем путем наклона корпуса 1 влево отливают часть жидкости из левого колена мановакуумметра 9 в опытную камеру 5 и кратковременно открывают клапан 7 для сообщения дополнительной камеры 6 с атмосферой. Затем по шкалам 10 снимают показания открытого пьезометра 8 h и мановакуумметра 9 h, а также измеряют уровень жидкости Н в камере 5. Вычисляют значение избыточного давления на дне опытной камеры 5 через показания открытого пьезометра 8, (р=γh, где γ - удельный вес жидкости) и через показания мановакуумметра 9 - р=γ(h+Н), а затем сравнивают эти значения между собой.
Можно создать в опытной камере 5 и вакуум (давления ниже атмосферного), когда уровень жидкости в пьезометре 8 становится ниже уровня жидкости в камере 5. Для этого нужно поставить корпус 1 на левую боковую стенку, а затем наклоном корпуса вправо перелить часть жидкости из камеры 5 в левое колено мановакуумметра 9 и кратковременно открыв кран 7. При этом по шкалам 10 можно измерять создаваемое в камере 5 давление.
Вакуум в камере 5 можно также создать быстрым поворотом корпуса 1 на 180° против часовой стрелки. В этом случае пьезометр 8 преобразуется в обратный пьезометр (вакуумметр) для определения вакуума.
Таким образом, демонстрационный прибор позволяет демонстрировать различные виды жидкостных приборов для измерения давления и быстро освоить технику измерения гидростатического давления.
При изучении сообщающихся сосудов прибор устанавливают на левую боковую сторону (фиг. 2). Фигурные поперечные перегородки в опытной камере 5 образуют сообщающиеся сосуды различной формы. В этом положении прибора демонстрируется положение свободных поверхностей однородной жидкости в дополнительной камере бив сообщающихся сосудах различной формы в опытной камере 5 на одном горизонтальном уровне при условии, что давление воздуха над жидкостью в сосудах одинаково, когда они сообщаются между собой через воздушную среду сверху. В сосуде с глухой перегородкой 14 сверху наглядно демонстрируется отклонение положения свободной поверхности от общего уровня вследствие несоблюдения такого условия.
При повороте прибора на некоторый угол в вертикальной плоскости демонстрируется сохранение горизонтальности расположения общего уровня жидкости в сосудах и горизонтальности уровня в сосуде с глухой перегородкой (фиг. 5).
Если перевернуть прибор и поставить его на другую боковую стенку (фиг. 3), то равенство давления воздуха над жидкостью в сосудах будет соблюдаться. Однако уровень жидкости в сосуде с перегородкой 14 будет снова отличаться от общего, но уже ввиду нарушения сообщения этого сосуда с другими сосудами через жидкость.
Таким образом, прибор позволяет показать, что положение о равенстве уровней в сосудах различной формы соблюдается в том случае, если они сверху сообщаются между собой через газовую среду, а снизу - через жидкость.
При изучении пузырькового уровня прибор из обычного положения (фиг. 1) переводят в горизонтальное положение, наклоняя его от себя, а затем быстро возвращают в исходное положение. При этом под перегородкой с цилиндрической поверхностью 13 в жидкости остается воздушная полость в виде пузырька 16 (фиг. 4). Его размер должен быть менее расстояния между рисками 15. Поэтому при необходимости можно выпустить часть воздуха из-под перегородки 13 наклоном прибора влево или вправо.
Перегородка 13 с рисками 15 и пузырьком 16 в жидкости под ней представляют собой модель пузырькового уровня, который используется для контроля горизонтальности или вертикальности поверхностей. В этом случае указателем является пузырек.
Для демонстрации принципа действия уровня устанавливают прибор в обычном положении на контролируемую поверхность, например, на стол. В случае ее горизонтальности пузырек 16 разместится между рисками 15 посередине. Если она не горизонтальна, то произойдет смещение пузырька от среднего положения, как показано на (фиг. 4). Для контроля вертикальности поверхности, например, стены прибор нужно приложить к ней левой боковой стороной и также проверить положение пузырька.
Таким образом, прибор позволяет продемонстрировать принцип действия пузырькового уровня. А выполнение корпуса прибора в виде прямоугольной пластины расширяет возможности инструмента (пузырькового уровня), так как позволяет контролировать не только горизонтальную плоскость, но и вертикальную.
При изучении принципа действия гидроуровней и уклономеров прибор размещают боковой стенкой на контролируемой поверхности (фиг. 5). В этом случае в опытной камере 5 и в дополнительной камера 6 устанавливается общий горизонтальный уровень жидкости, так как они являются сообщающимися сосудами через жидкостный канал 8 снизу и воздушный канал 9 сверху. Эта система вместе со шкалами 11 представляет собой обычный гидроуровень или гидростатический уклономер.
1
2
l
2
1
2
Для демонстрации принципа его действия по шкалам 11 снимают показания положения уровней h, h в камерах 6 и 5. Их равенство означает горизонтальность контролируемой поверхности. Если же поверхность наклонная и при длине L имеет перепад отметок Z (фиг. 5). То ее уклон i=Z/L определяется по измеренным на шкалах прибора величинам h, h и расстоянию между шкалами  по формуле: i=(h-h)/.
Таким образом, благодаря предложенным техническим решениям, демонстрационный прибор для измерения гидростатического давления в зависимости от его положения в пространстве позволяет создавать различные гидросистемы для демонстрации всех основных положений гидростатики в режиме действия разных гидравлических приборов. При этом одни и те же полости и каналы в зависимости от положения прибора в пространстве выполняют различные функции. Например, в обычном положении прибора (фиг. 1) канал 8 является открытым пьезометром, в перевернутом положении прибора - обратным пьезометром (вакуумметром), при положении на левой стороне (фиг. 2) - жидкостным каналом для сообщения опытной и дополнительной камер, а при положении на правой стороне (фиг. 3) служит для связи воздушных полостей этих камер. Такое обеспечение многофункциональности элементов прибора позволяет достичь технического результата предлагаемой полезной моделью - расширение функциональных возможностей демонстрационного прибора.