Вимірювання вакууму

Матеріал з Вікі-знання або навчання 2.0 в ТНТУ
Перейти до: навігація, пошук

Типи вакуумметрів

Стан газу, при якому його тиск нижчий від атмосферного, називається вакуумом. Прилади для вимірювання тиску газу нижче від атмосферного називаються вакуумметрами.

Конструктивно вакуумметри складаються з двох елементів: манометричного перетворювача тиску і вимірювального блоку.

За принципом дії вакуумметри можна звести до таких класів: – деформаційні, такі, що використовують як чутливий елемент сильфон, мембрану і тому подібне, в яких деформація чутливого елемента є мірою тиску; – рідинні (гідростатичні), такі, що безпосередньо вимірюють тиск (U-подібні вакуумметри та їх модифікації); – компресійні, дія яких базується на законах ізотермічного стиснення ідеального газу (вакуумметр Мак-Леода); – теплові вакуумметри, що використовують залежність теплопровідності газу від тиску (вони розділяються на термопарні і вакуумметри опору); – іонізаційні, в яких використовується іонізація газу.

Останні, у свою чергу, поділяють на: – електророзрядні, принцип дії яких базується на залежності параметрів електричного розряду в розрідженому газі від тиску; – електронні іонізаційні, іонізація газів в яких здійснюється потоком електронів, що прискорюються електричним полем; – магнітно-іонізаційні, дія яких базується на залежності іонного струму електричного розряду в магнітному полі від вимірюваного тиску; – радіоізотопні, дія яких базується на іонізації газу радіоактивним джерелом і залежності іонного струму електричного розряду від вимірюваного тиску.

Рис.1 Діапазони вимірювання тиску вакуумметрами різних типів

Деформаційні вакуумметри

Робота вакуумметрів пов’язана з деформацією чутливого елемента: спіральної трубки або мембрани при прикладеній до неї різниці тисків. Деформацію можна пов`язати із градуйованим показником і таким чином зробити можливі вимірювання тиску за шкалою. У мембранному деформаційному вакуумметрі (рис.2,а) як пластинку використовують плоску або гофровану металеву мембрану, яка при перепаді тиску в робочому об`ємі прогинається і через систему важелів приводить стрілку до руху. Конструкція найпростішого трубчастого вакуумметра (вакуумметр Бурдона) показана на рис. 2,б. Як чутливий елемент тут використовується вигнута по колу трубка 1, один кінець якої запаяний, а інший за допомогою штуцера 2 приєднаний до вакуумної системи. Під дією різниці тисків (атмосферного Pа та вимірюваного P) кінець трубки 1 зміщується і через систему важелів із зубчастим сектором 3 надає руху стрілці 4.

Рис.2. Деформаційний мембранний (а) і трубчастий (б) вакуумметри: 1 – трубка; 2 – штуцер; 3 – система важелів із зубчастим сектором; 4 – індикаторна стрілка.

На рисунку 3 показано конструкцію електричного мембранного вакуумметра.

Підпис під зображенням

На електрод 3 подається змінна напруга для визначення ємності і положення мембрани 1. На електрод 2 подається постійна напруга, що за рахунок електростатичних сил повертає мембрану в початкове положення, компенсуючи дію різниці тисків. Різниця тисків цього приладу прямо пропорційна квадрату постійної напруги, прикладеної до катода 2.

Гідростатичні вакуумметри

Цей тип вакуумметрів поділяють на рідинні та компресійні. Рідинні вакуумметри – це прилади, принцип дії яких базується на використанні закону сполучених рідин. Найпростішими рідинними перетворювачами є вакуумметри з відкритим та закритим коліном. Вакуумметри заповнюються робочими рідинами: ртуттю, маслом речовин.

Рис.4 Конструкція та принцип дії рідинних вакуумметрів із відкритим (а) і закритим (б) коліном

Масляні вакуумметри мають більшу чутливість, оскільки густина масла приблизно у 5 разів менша від густини ртуті. Однак масляні вакуумметри перед початком роботи необхідно знегажувати, оскільки масло добре розчиняє гази і пари відкачуваних речовин. Вимірювана цими вакуумметрами різниця тисків LaTeX: % MathType!MTEF!2!1!+-
% feaagKart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn
% hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr
% 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9
% vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fsY-rqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-x
% fr-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaamiuaaaa!365A!
$P$ і LaTeX: % MathType!MTEF!2!1!+-
% feaagKart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn
% hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr
% 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9
% vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fsY-rqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-x
% fr-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaamiuamaaBa
% aaleaacaWGJbaabeaaaaa!376E!
${P_c}$зрівноважується стовпчиком ртуті висотою LaTeX: % MathType!MTEF!2!1!+-
% feaagKart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn
% hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr
% 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9
% vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fsY-rqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-x
% fr-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaamiAaiabg2
% da9maaemaabaGaamiAamaaBaaaleaacaaIYaaabeaakiabgkHiTiaa
% dIgadaWgaaWcbaGaaGymaaqabaaakiaawEa7caGLiWoaaaa!3F44!
$h = \left| {{h_2} - {h_1}} \right|$, причому LaTeX: % MathType!MTEF!2!1!+-
% feaagKart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn
% hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr
% 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9
% vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fsY-rqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-x
% fr-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaeqyWdiNaam
% 4zaiaadIgacqGH9aqpdaabdaqaaiaadcfadaWgaaWcbaGaam4yaaqa
% baGccqGHsislcaWGqbaacaGLhWUaayjcSdaaaa!40FB!
$\rho gh = \left| {{P_c} - P} \right|$. Вакуумметри з відкритим коліном (рис. 4,а) більш зручні для вимірювання тисків, близьких до атмосферного. У цьому випадку LaTeX: % MathType!MTEF!2!1!+-
% feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn
% hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr
% 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9
% vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fsY-rqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-x
% fr-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaamiuamaaBa
% aaleaacaWGdbaabeaakiabg2da9iaadcfadaWgaaWcbaGaamyqaiaa
% dsfacaWGnbaabeaaaaa!3BCF!
\[{P_C} = {P_{ATM}}\], тоді LaTeX: % MathType!MTEF!2!1!+-
% feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn
% hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr
% 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9
% vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fsY-rqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-x
% fr-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaamiuaiabg2
% da9iaadcfadaWgaaWcbaGaamyqaiaadsfacaWGnbaabeaakiabgkHi
% Tiabeg8aYjaadEgacaWGObaaaa!3F61!
\[P = {P_{ATM}} - \rho gh\]. Вакуумметри із закритим коліном (рис. 4 б), дозволяють вимірювати абсолютний тиск газу у вакуумній системі. Перед заповненням робочою рідиною необхідно у закритому коліні отримати тиск LaTeX: % MathType!MTEF!2!1!+-
% feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn
% hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr
% 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9
% vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fsY-rqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-x
% fr-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaamiuamaaBa
% aaleaacaWGdbaabeaakiabg2da9iaaicdaaaa!3917!
\[{P_C} = 0\]. Покази приладу у цьому випадку не залежать від атмосферного тиску. Тоді вимірюваний тиск LaTeX: % MathType!MTEF!2!1!+-
% feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn
% hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr
% 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq-Jc9
% vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fsY-rqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr-x
% fr-xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaamiuaiabg2
% da9iabeg8aYjaadEgacaWGObaaaa!3AF8!
\[P = \rho gh\] Компресійні вакуумметри. Принцип дії цих приладів базується на застосуванні закону Бойля – Маріотта при стисненні сильно розрідженого газу. Компресійний вакуумметр (рис. 5) являє собою скляний балон 1, оснащений вимірювальною трубкою стиснення 2 із запаяним верхнім кінцем. За допомогою відгалуження 3 вимірювальна частина манометра з’єднана із робочим об’ємом і приєднується до резервуара 4 із робочою рідиною. Компресійні вакуумметри, як правило, заповнюють ртуттю, що виконує роль поршня при стисненні газу. Перед початком вимірювання тиск у вакуумній системі і балоні однаковий, оскільки рівень ртуті не перевищує відмітки А. Для вимірювання ртуть у вакуумметрі необхідно підняти настільки, щоб вона стиснула газ і витіснила його в трубку 2. Тоді тиск стисненого газу буде р1, а рівень ртуті зупиниться на відмітці В. У трубці 3, тиск залишається незмінним, тому в ній ртуть піднімається до більш високого рівня С.

Особисті інструменти
Google AdSense
реклама