气体压力及流量的测量.docx
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气体压力及流量的测量
气体压力及流量的测量
压力的表示方法
常用测压仪表
气压计
真空的获得
气体钢瓶减压阀
各种流量计简介
压力是用来描述体系状态的一个重要参数。
许多物理、化学性质，例如熔点、沸点、蒸气压几乎都与压力有关。
在化学热力学和化学动力学研究中，压力也是一个很重要的因素。
因此，压力的测量具有重要的意义。
就物理化学实验来说，压力的应用范围高至气体钢瓶的压力，低至真空系统的真空度。
压力通常可分为高压、中压、常压和负压。
压力范围不同，测量方法不一样，精确度要求不同，所使用的单位也各有不同的传统习惯。
一、压力的表示方法
压力是指均匀垂直作用于单位面积上的力，也可把它叫作压力强度，或简称压强。
国际单位制（SI）用帕斯卡作为通用的压力单位，以Pa或帕表示。
当作用于1m2（平方米）面积上的力为1N（牛顿）时就是1Pa（帕斯卡）:
但是，原来的许多压力单位，例如，标准大气压（或称物理大气压，简称大气压）、工程大气压（即kg·cm-2）、巴等现在仍然在使用。
物理化学实验中还常选用一些标准液体（例如汞）制成液体压力计，压力大小就直接以液体的高度来表示。
它的意义是作用在液柱单位底面积上的液体重量与气体的压力相平衡或相等。
例如，1atm可以定义为:
在0℃、重力加速度等于9.80665
时，760mm高的汞柱垂直作用于底面积上的压力。
此时汞的密度为13.5951g·cm-3。
因此，1atm又等于1.03323kg·cm-2。
上述压力单位之间的换算关系见表II-2-1。
表Ⅱ-2-1常用压力单位换算表
压力单位
Pa
kg·cm-2
atm
bar
mmHg
Pa
1
1.019716×10-2
0.9869236×10-5
1×10-5
7.5006×10-3
kg·cm-2
9.800665×10-4
1
0.967841
0.980665
753.559
atm
1.01325×105
1.03323
1
1.01325
760.0
bar
1×105
1.019716
6.986923
1
750.062
mmHg
133.3224
1.35951×10-3
1.3157895×10-3
1.33322×10-3
1
除了所用单位不同之外，压力还可用绝对压力、表压和真空度来表示。
图Ⅱ-2-1说明三者的关系。
显然，在压力高于大气压的时侯:
绝对压=大气压+表压或表压=绝对压-大气压
在压力低于大气压的时候:
绝对压=大气压-真空度或真空度=大气压-绝对压
当然，上述式子等号两端各项都必须采用相同的压力单位。
二、常用测压仪表
1.液柱式压力计
液柱式压力计是物理化学实验中用得最多的压力计。
它构造简单、使用方便，能测量微小压力差，测量准确度比较高，且制作容易，价格低廉，但是测量范围不大，示值与工作液密度有关。
它的结构不牢固，耐压程度较差。
现简单介绍一下U型压力计。
液柱式U型压力计由两端开口的垂直U型玻璃管及垂直放置的刻度标尺所构成。
管内下部盛有适量工作液体作为指示液。
图II-2-2中U型管的两支管分别连接于两个测压口。
因为气体的密度远小于工作液的密度，因此，由液面差Δh及工作液的密度ρ、重力加速度g可以得到下式:
或
图Ⅱ-2-1 绝对压、表压与真空度的关系图II-2-2 U型压力计
U型压力计可用来测量:
（1）两气体压力差;
（2）气体的表压（p1为测量气压，p2为大气压）;
（3）气体的绝对压力（令p2为真空，p1所示即为绝对压力）;
（4）气体的真空度（p1通大气，p2为负压，可测其真空度）。
图Ⅱ-2-3 弹簧管压力计
1.金属弹簧管;2.指针;3-连杆;4.扇型齿轮;5.弹簧;6-底座;7.测压接头;8.小齿轮;9.外壳。
2.弹性式压力计
利用弹性元件的弹性力来测量压力，是测压仪表中相当重要的一种形式。
由于弹性元件的结构和材料不同，它们具有各不相同的弹性位移与被测压力的关系。
物化实验室中接触较多的为单管弹簧管式压力计。
这种压力计的压力由弹簧管固定端进入，通过弹簧管自由端的位移带动指针运动，指示压力值。
如图Ⅱ-2-3所示。
使用弹性式压力计时应注意以下几点:
（1）合理选择压力表量程。
为了保证足够的测量精度，选择的量程应在仪表分度标尺的12～34范围内。
（2）使用时环境温度不得超过35度，如超过应给予温度修正。
（3）测量压力时，压力表指针不应有跳动和停滞现象。
（4）对压力表应定期进行校验。
3.数字式低真空压力测试仪
数字式低真空压力测试仪是运用压阻式压力传感器原理测定实验系统与大气压之间压差的仪器。
它可取代传统的U型水银压力计，无汞污染现象，对环境保护和人类健康有极大的好处。
该仪器的测压接口在仪器后的面板上。
使用时，先将仪器按要求连接在实验系统上（注意实验系统不能漏气），再打开电源预热10min;然后选择测量单位，调节旋钮，使数字显示为零;最后开动真空泵，仪器上显示的数字即为实验系统与大气压之间的压差值。
三、气压计
测量环境大气压力的仪器称气压计。
气压计的种类很多，实验室常用的是福廷式气压计和空盒气压计。
图Ⅱ-2-4 福廷式气压计
1.玻璃管;2.黄铜标尺;3-游标尺;4.调节螺栓;5.黄铜管;6.象牙针;7.汞槽;8.羚羊皮袋;9.调节汞面的螺栓;10.气孔;11.温度计。
（一）福廷式气压计
福廷式气压计的构造如图Ⅱ-2-4所示。
它的外部是一黄铜管，管的顶端有悬环，用以悬挂在实验室的适当位置。
气压计内部是一根一端封闭的装有水银的长玻璃管。
玻璃管封闭的一端向上，管中汞面的上部为真空，管下端插在水银槽内。
水银槽底部是一羚羊皮袋，下端由螺旋支持，转动此螺旋可调节槽内水银面的高低。
水银槽的顶盖上有一倒置的象牙针，其针尖是黄铜标尺刻度的零点。
此黄铜标尺上附有游标尺，转动游标调节螺旋，可使游标尺上下游动。
1.福廷式气压计的使用方法:
（1）慢慢旋转螺旋，调节水银槽内水银面的高度，使槽内水银面升高。
利用水银槽后面磁板的反光，注视水银面与象牙尖的空隙，直至水银面与象牙尖刚刚接触，然后用手轻轻扣一下铜管上面，使玻璃管上部水银面凸面正常。
稍等几秒钟，待象牙针尖与水银面的接触无变动为止。
（2）调节游标尺
转动气压计旁的螺旋，使游标尺升起，并使下沿略高于水银面。
然后慢慢调节游标，直到游标尺底边及其后边金属片的底边同时与水银面凸面顶端相切。
这时观察者眼睛的位置应和游标尺前后两个底边的边缘在同一水平线上。
（3）读取汞柱高度
当游标尺的零线与黄铜标尺中某一刻度线恰好重合时，则黄铜标尺上该刻度的数值便是大气压值，不须使用游标尺。
当游标尺的零线不与黄铜标尺上任何一刻度重合时，那么游标尺零线所对标尺上的刻度，则是大气压值的整数部分（mm）。
再从游标尺上找出一根恰好与标尺上的刻度相重合的刻度线，则游标尺上刻度线的数值便是气压值的小数部分。
（4）整理工作
记下读数后，将气压计底部螺旋向下移动，使水银面离开象牙针尖。
记下气压计的温度及所附卡片上气压计的仪器误差值，然后进行校正。
2.气压计读数的校正
水银气压计的刻度是以温度为0℃，纬度为45°的海平面高度为标准的。
若不符合上述规定时，从气压计上直接读出的数值，除进行仪器误差校正外，在精密的工作中还必须进行温度、纬度及海拔高度的校正。
（1）仪器误差的校正
由于仪器本身制造的不精确而造成读数上的误差称“仪器误差”。
仪器出厂时都附有仪器误差的校正卡片，应首先加上此项校正。
（2）温度影响的校正
由于温度的改变，水银密度也随之改变，因而会影响水银柱的高度。
同时由于铜管本身的热胀冷缩，也会影响刻度的准确性。
当温度升高时，前者引起偏高，后者引起偏低。
由于水银的膨胀系数较铜管的大，因此当温度高于0度时，经仪器校正后的气压值应减去温度校正值;当温度低于0度时，要加上温度校正值。
气压计的温度校正公式如下:
式中:
为气压计读数（mmHg）;
为气压计的温度（度）;
为水银柱在0度～35度之间的平均体膨胀系数（
=0.0001818）;
为黄铜的线膨胀系数（
=0.0000184）;p0为读数校正到0度时的气压值（mmHg）。
显然，温度校正值即为
。
其数值列有数据表，实际校正时，读取
，
后可查表II-2-2求得。
（3）海拔高度及纬度的校正
重力加速度（g）随海拔高度及纬度不同而异，致使水银的重量受到影响，从而导致气压计读数的误差。
其校正办法是:
经温度校正后的气压值再乘以
。
式中，
为气压计所在地纬度（度），
为气压计所在地海拔高度（m）。
此项校正值很小，在一般实验中可不必考虑。
（4）其它如水银蒸气压的校正、毛细管效应的校正等，因校正值极小，一般都不考虑。
表Ⅱ-2-2气压计读数的温度校正值
温度
740mmHg
750mmHg
760mmHg
770mmHg
780mmHg
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
0.12
0.24
0.36
0.48
0.60
0.72
0.85
0.97
1.09
1.21
1.33
1.45
1.57
1.69
1.81
1.93
2.05
2.17
2.29
2.41
2.53
2.65
2.77
2.89
3.01
3.13
3.25
3.37
3.49
3.61
3.73
3.85
3.97
4.09
4.21
0.12
0.25
0.37
0.49
0.61
0.73
0.86
0.98
1.10
1.22
1.35
1.47
1.59
1.71
1.83
1.96
2.08
2.20
2.32
2.44
2.56
2.69
2.81
2.93
3.05
3.17
3.29
3.41
3.54
3.66
3.78
3.90
4.02
4.14
4.26
0.12
0.25
0.37
0.50
0.62
0.74
0.87
0.99
1.12
1.24
1.36
1.49
1.61
1.73
1.86
1.98
2.10
2.23
2.35
2.47
2.60
2.72
2.84
2.97
3.09
3.21
3.34
3.46
3.58
3.71
3.83
3.95
4.07
4.20
4.32
0.13
0.25
0.38
0.50
0.63
0.75
0.88
1.01
1.13
1.26
1.38
1.51
1.63
1.76
1.88
2.01
2.13
2.26
2.38
2.51
2.63
2.76
2.88
3.01
3.13
3.26
3.38
3.51
3.63
3.75
3.88
4.00
4.13
4.25
4.38
0.13
0.15
0.38
0.51
0.64
0.76
0.89
1.02
1.15
1.27
1.40
1.53
1.65
1.78
1.91
2.03
2.16
2.29
2.41
2.54
2.67
2.79
2.92
3.05
3.17
3.30
3.42
3.55
3.68
3.80
3.93
4.05
4.18
4.31
4.43
图Ⅱ-2-5 气压计原理示意图
3.使用时注意事项
（1）调节螺旋时动作要缓慢，不可旋转过急。
（2）在调节游标尺与汞柱凸面相切时，应使眼睛的位置与游标尺前后下沿在同一水平线上，然后再调到与水银柱凸面相切。
（3）发现槽内水银不清洁时，要及时更换水银。
福廷式气压计是一种真空压力计，其原理如图Ⅱ-2-5所示:
它以汞柱所产生的静压力来平衡大气压力
，汞柱的高度就可以度量大气压力的大小。
在实验室，通常用毫米汞柱（mmHg）作为大气压力的单位。
毫米汞柱作为压力单位时，它的定义是:
当汞的密度为
（即0度时汞的密度，通常作为标准密度，用符号
表示），重力加速度为
（即纬度45°的海平面上的重力加速度，通常作为标准重力加速度，用符号
表示）时，1mm高的汞柱所产生的静压力为1mmHg。
mmHg与Pa单位之间的换算关系为:
（二）空盒气压表
空盒气压表是由随大气压变化而产生轴向移动的空盒组作为感应元件，通过拉杆和传动机构带动指针，指示出大气压值的。
表Ⅱ-2-3 仪器刻度校正值（mmHg）
仪器示度
校正值
仪器示度
校正值
790
780
760
750
740
730
720
710
700
-0.8
-0.4
0.0
+0.1
+0.2
+0.5
+0.7
+0.4
+0.2
690
680
670
660
650
640
630
620
610
600
+0.2
+0.2
0.0
-0.2
-0.1
0.0
-0.2
-0.4
+0.6
-0.8
当大气压升高时，空盒组被压缩，通过传动机构使指针顺时针转动一定角度;当大气压降低时，空盒组膨胀，通过传动机构使指针逆向转动一定角度。
空盒气压表测量范围在600mmHg～800mmHg之间，度盘最小分度值为0.5mmHg。
测量温度在-10℃～40℃之间。
读数经仪器校正和温度校正后，误差不大于1.5mmHg。
气压计的仪器校正值为+0.7mmHg。
温度每升高1度，气压校正值为-0.05mmHg。
仪器刻度校正值见表II-2-3。
例如，16.5度时，空盒气压表上的读数为724.2mmHg。
仪器校正值为+0.7mmHg，温度校正值为16.5×（-0.05）=-0.8（mmHg），仪器刻度校正值由表Ⅱ-2-3查得是+0.6mmHg，校正后大气压为:
724.2+0.7-0.8+0.6=724.7（mmHg）=9.662×104（Pa）。
空盒气压表体积小、重量轻，不需要固定，只要求仪器工作时水平放置。
但其精确度不如福廷式气压计。
在使用空盒气压表时应注意，因每台仪器在鉴定时的环境温度和大气压都不尽相同，所以每台仪器的仪器刻度校正值、温度校正值和仪器校正值也都不相同。
应根据每台仪器所提供的校正表格里的数据进行校正。
四、真空的获得
真空是指压力小于一个大气压的气态空间。
真空状态下气体的稀薄程度，常以压强值表示。
习惯上称作真空度。
不同的真空状态，意味着该空间具有不同的分子密度。
在现行的国际单位制（SI）中，真空度的单位与压强的单位均为帕斯卡（Pasca）。
简称帕。
符号为Pa。
图Ⅱ-2-6旋片式真空泵
1.进气嘴;2.旋片弹簧;3.旋片;4.转子;5.泵体;6.油箱;7.真空泵油;8-排气嘴。
在物理化学实验中，通常按真空度的获得和测量方法的不同，将真空区域划分为:
粗真空（101325Pa～1333Pa）;低真空（1333Pa～0.1333Pa）;高真空（0.1333Pa～1.333×10-6Pa）；超高真空（<1.333×10-6Pa）为了获得真空，就必须设法将气体分子从容器中抽出。
凡是能从容器中抽出气体，使气体压力降低的装置，均可称为真空泵。
如水流泵、机械真空泵、油泵、扩散泵、吸附泵、钛泵等等。
实验室常用的真空泵为旋片式真空泵，如图Ⅱ-2-6所示。
它主要由泵体和偏心转子组成。
经过精密加工的偏心转子下面安装有带弹簧的滑片，由电动机带动，偏心转子紧贴泵腔壁旋转。
滑片靠弹簧的压力也紧贴泵腔壁。
滑片在泵腔中连续运转，使泵腔被滑片分成的两个不同的容积呈周期性的扩大和缩小。
气体从进气嘴进入，被压缩后经过排气阀排出泵体外。
如此循环往复，将系统内的压力减小。
旋片式机械泵的整个机件浸在真空油中，这种油的蒸气压很低，既可起润滑作用，又可起封闭微小的漏气和冷却机件的作用。
在使用机械泵时应注意以下几点:
1.机械泵不能直接抽含可凝性气体的蒸气、挥发性液体等。
因为这些气体进入泵后会破坏泵油的品质，降低了油在泵内的密封和润滑作用，甚至会导致泵的机件生锈。
因而必须在可凝气体进泵前先通过纯化装置。
例如，用无水氯化钙、五氧化二磷、分子筛等吸收水分;用石蜡吸收有机蒸气;用活性炭或硅胶吸收其它蒸气等。
2.机械泵不能用来抽含腐蚀性成分的气体。
如含氯化氢、氯气、二氧化氮等的气体。
因这类气体能迅速侵蚀泵中精密加工的机件表面，使泵漏气，不能达到所要求的真空度。
遇到这种情况时，应当使气体在进泵前先通过装有氢氧化钠固体的吸收瓶，以除去有害气体。
3.机械泵由电动机带动。
使用时应注意马达的电压。
若是三相电动机带动的泵，第一次使用时特别要注意三相马达旋转方向是否正确。
正常运转时不应有摩擦、金属碰击等异声。
运转时电动机温度不能超过50度～60度。
4.机械泵的进气口前应安装一个三通活塞。
停止抽气时应使机械泵与抽空系统隔开而与大气相通，然后再关闭电源。
这样既可保持系统的真空度，又避免泵油倒吸。
五、气体钢瓶减压阀
在物理化学实验中，经常要用到氧气、氮气、氢气、氩气等气体。
这些气体一般都是贮存在专用的高压气体钢瓶中。
使用时通过减压阀使气体压力降至实验所需范围，再经过其它控制阀门细调，使气体输入使用系统。
最常用的减压阀为氧气减压阀，简称氧气表。
1.氧气减压阀的工作原理
氧气减压阀的外观及工作原理见图Ⅱ-2-7和图II-2-8。
氧气减压阀的高压腔与钢瓶连接，低压腔为气体出口，并通往使用系统。
高压表的示值为钢瓶内贮存气体的压力。
低压表的出口压力可由调节螺杆控制。
使用时先打开钢瓶总开关，然后顺时针转动低压表压力调节螺杆，使其压缩主弹簧并传动薄膜、弹簧垫块和顶杆而将活门打开。
这样进口的高压气体由高压室经节流减压后进入低压室，并经出口通往工作系统。
转动调节螺杆，改变活门开启的高度，从而调节高压气体的通过量并达到所需的压力值。
减压阀都装有安全阀。
它是保护减压阀并使之安全使用的装置，也是减压阀出现故障的信号装置。
如果由于活门垫、活门损坏或由于其它原因，导致出口压力自行上升并超过一定许可值时，安全阀会自动打开排气。
2.氧气减压阀的使用方法
（1）按使用要求的不同，氧气减压阀有许多规格。
最高进口压力大多为
，最低进口压力不小于出口压力的2.5倍。
出口压力规格较多，一般为
，最高出口压力为
。
（2）安装减压阀时应确定其连接规格是否与钢瓶和使用系统的接头相一致。
减压阀与钢瓶采用半球面连接，靠旋紧螺母使二者完全吻合。
因此，在使用时应保持两个半球面的光洁，以确保良好的气密效果。
安装前可用高压气体吹除灰尘。
必要时也可用聚四氟乙烯等材料作垫圈。
（3）氧气减压阀应严禁接触油脂，以免发生火警事故。
（4）停止工作时，应将减压阀中余气放净，然后拧松调节螺杆以免弹性元件长久受压变形。
（5）减压阀应避免撞击振动，不可与腐蚀性物质相接触。
3.其它气体减压阀
有些气体，例如氮气、空气、氩气等永久性气体，可以采用氧气减压阀。
但还有一些气体，如氨等腐蚀性气体，则需要专用减压阀。
市面上常见的有氮气、空气、氢气、氨、乙炔、丙烷、水蒸气等专用减压阀。
这些减压阀的使用方法及注意事项与氧气减压阀基本相同。
但是，还应该指出:
专用减压阀一般不用于其它气体。
为了防止误用，有些专用减压阀与钢瓶之间采用特殊连接口。
例如氢气和丙烷均采用左牙螺纹，也称反向螺纹，安装时应特别注意。
图Ⅱ-2-7安装在气体钢瓶上的氧气减压阀示意图图II-2-8氧气减压阀工作原理示意图
1. 钢瓶;2.钢瓶开关;3.钢瓶与减压表连接螺母1.弹簧垫块;2.传动薄膜;
4.高压表;5.低压表;6.低压表压力调节螺杆; 3.安全阀 5.高压表;
7.出口;8.安全阀4.进口（接气体钢瓶）;
6.低压表;7.压缩弹簧;
8.出口（接使用系统）;9.高压气室;10.活门;12.顶杆
11.低压气室;13.主弹簧
14.低压表压力调节螺杆。
六、各种流量计简介
1.转子流量计
转子流量计又称浮子流量计，是目前工业上或实验室常用的一种流量计。
其结构如图Ⅱ-2-9所示。
它是由一根锥形的玻璃管和一个能上下移动的浮子所组成。
当气体自下而上流经锥形管时，被浮子节流，在浮子上下端之间产生一个压差。
浮子在压差作用下上升，当浮子上、下压差与其所受的粘性力之和等于浮子所受的重力时，浮子就处于某一高度的平衡位置，当流量增大时，浮子上升，浮子与锥形管间的环隙面积也随之增大，则浮子在更高位置上重新达到受力平衡。
因此流体的流量可用浮子升起的高度表示。
图Ⅱ-2-9 转子流量计
这种流量计很少自制，市售的标准系列产品，规格型号很多，测量范围也很广，流量每分钟几毫升至几十毫升。
这些流量计用于测量哪一种流体，如气体或液体，是氮气或氢气，市售产品均有说明，并附有某流体的浮子高度与流量的关系曲线。
若改变所测流体的种类，可用皂膜流量计或湿式流量计另行标定。
使用转子流量计需注意几点：
（1） 流量计应垂直安装;
（2）要缓慢开启控制阀;（3）待浮子稳定后再读取流量;（4）避免被测流体的温度、压力突然急剧变化;（5）为确保计量的准确、可靠，使用前均需进行校正。
图Ⅱ-2-10 毛细管流量计
2.毛细管流量计
毛细管流量计的外表形式很多，图Ⅱ-2-10所示是其中的一种。
它是根据流体力学原理制成的。
当气体通过毛细管时，阻力增大，线速度（即动能）增大，而压力降低（即位能减小），这样气体在毛细管前后就产生压差，借流量计中两液面高度差（Δｈ）显示出来。
当毛细管长度L与其半径之比等于或大于100时，气体流量Ｖ与毛细管两端压差存在线性关系：
式中，
为毛细管特征系数;r为毛细管半径;ρ为流量计所盛液体的密度;η为气体粘度系数。
当流量计的毛细管和所盛液体一定时，气体流量V和压差Δh成直线关系。
对不同的气体，V和Δh有不同的直线关系;对同一气体，更换毛细管后，V和Δh的直线关系也与原来不同。
而流量与压差这一直线关系不是由计算得来的，而是通过实验标定，绘制出V～Δｈ的关系曲线。
因此，绘制出的这一关系曲线，必须说明使用的气体种类和对应的毛细管规格。
这种流量计多为自行装配，根据测量流速的范围，选用不同孔径的毛细管。
流量计所盛的液体可以是水，液体石腊或水银等。
在选择液体时，要考虑被测气体与该液体不互溶，也不起化学反应，同时对速度小的气体采用比重小的液体，对流速大的采用比重大的液体，在使用和标定过程中要保持流量计的清洁与干澡。
3.皂膜流量计
这是实验室常用的构造十分简单的一种流量计
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