В целом о вакууме и вакуумных системах

Свойства вакуума
Особенности вакуумных систем

Вакуумные материалы и уплотнители

Вакуумные материалы
Уплотнители и и смазки

На заметку

Измерение давлений
Измерение давлений - Жидкостные манометры
Измерение и контроль вакуума - Контрольно-измерительная аппаратура
Оглавление
Измерение давлений
Механические манометры
Мембранные манометры
Жидкостные манометры
Емкостные манометры
Разрядные трубки
Теплоэлектрические приборы
Термопарные манометры
Вязкостные манометры
Ионизационные манометры
Радиоизотопный ионизационный манометр
Магнитнный электроразрядный манометр
Масс-спектрометры
Все страницы

U-образные манометры. Действие этих манометров основано на изменении разности уровней жидкости в сообщающихся сосудах в зависимости от давления газов над поверхностью жидкости в этих сосудах. Простейший U-образный манометр представляет собой изогнутую трубку, заполненную до половины высоты рабочей жидкостью. Трубка одним концом сообщается с атмосферой, а другим с измеряемой средой. Полученные результаты при температуре t следует привести к 0° С для ртути (или к 4° С для воды). Температурные поправки для ртути могут быть определены по графикам рис. 464 и 465. Если рабочей жидкостью служит вода или спирт, то отсчет показаний производится по нижней точке мениска, а если ртуть, то отсчет производится по верхней точке. Целесообразно также использовать в качестве рабочей жидкости борвольфрамокислый кадмий (плотность 3,28 г/см3), поглощающий мало газов. При необходимости более точных измерений нужно также учитывать и коэффициент линейного расширения шкалы. При измерении ртутным манометром следует учитыват ь влияние капиллярных сил и выбирать диаметр трубки не менее 8—10 мм. При этом наименьшая разность уровней, которая еще может быть измерена достаточно точно, составляет ~10 мм рт. ст.

Для измерения давлений порядка 200 мм рт. ст. и ниже пользуются укороченным жидкостным манометром с закрытым концом (рис. 466). Для предохранения от резкого удара ртути о запаянный конец при впуске воздуха в манометр участок трубки в месте изгиба на некоторой длине может выполняться в виде узкого капилляра, создающего сопротивление движению ртути. В таких манометрах нежелательно применять жидкости, растворяющие в себе газы, а если это необходимо, то следует присоединять манометр к системе после достижения в ней достаточного вакуума.

Для измерения давлений порядка десятых долей мм рт. ст. можно применять U-образный манометр, наполненный жидкостью с низкой упругостью пара и малой вязкостью, например бутилфталатом или бутилсебацинатом. В этом случае один конец U-образной трубки присоединяют к системе,  в которой измеряется давление, а другой конец (сравнительное колено) соединяют с непрерывно работающим, вакуумным насосом.

Давление в сравнительном колене пренебрежимо мало по сравнению с измеряемым давлением, и разность уровней в коленах манометра дает непосредственное значение давления в системе в миллиметрах столба бутилфталата (или другой жидкости). Применение бутилфталата повышает точность отсчета по сравнению с ртутным U-образным манометром в 12,9 раза.

В чашечном манометре вместо одного из колен применен широкий сосуд, на поверхность которого действует атмосферное давление (рис. 467). Опускание уровня ртути в широком сосуде весьма незначительно и им можно пренебречь при технических измерениях или ввести соответствующую поправку и производить отсчет только одной величины по трубке 4. При небольших диаметрах измерительной трубки в показания чашечного ртутного манометра необходимо вносить поправку на капиллярность по графику, приведенному на рис. 468.

Микроманометр — прибор для измерения малых давлений или незначительных разностей давлений до нескольких десятков мм вод. ст. Для повышения точности отсчета в таких приборах измерительную трубку располагают наклонно, а иногда применяют специальное оптическое устройство. При присоединении наклонной трубки манометра (рис. 469) к вакуумной системе рабочая жидкость поднимается по вертикали на высоту h1, а в 

широком сосуде опустится на h2, при этом hx = n sin?, где n— величина отсчета по длине трубки манометра; а — угол наклона трубки. Исходя из равенства объемов рабочей жидкости, переместившейся из одного колена в другое, можем записать 

или

Тогда действительное значение вакуума в миллиметрах столба рабочей жидкости

 

Если пренебречь поправкой, то получим h = n*sinα

 


 

Чем меньше угол наклона, тем чувствительнее манометр, однако менее 10° угол наклона не делают из-за возможных ошибок. Шкалу микроманометров обычно градуируют непосредственно в мм вод. ст. Заливаемой жидкостью чаще всего служит этиловый спирт с плотностью 0,81 г/см3 при 20 0С.

К этому типу манометров можно отнести и ртутный манометр Рэлея. Прибор поворачивают таким образом, чтобы стрелки указателей доходили до уровня ртути. Тогда давление будет пропорционально углу поворота, который измеряется отклонением светового луча зеркальцем (рис. 470). Прибор можно применять для измерения давлений от 1,5 до 10~3 мм рт. ст. Различные варианты этого метода описаны Дэшманом.

Кольцевые весы являются надежным в эксплуатации прибором. Они не только непосредственно измеряют давление, но и производят запись его на ленточной диаграмме и могут снабжаться электропередатчиком для передачи показаний прибора на расстояние. В таком приборе полая трубка свернута в замкнутое кольцо, которое может свободно качаться, опираясь на ребро призмы, проходящее через центр кольца перпендикулярно его плоскости (рис. 471). Трубка до половины заполнена рабочей жидкостью, в верхней ее части имеется перегородка.


Рис. 471. Схема действия кольцевого тягомера: 1 — кольцевая трубка; 2 — перекладина; 3 — подушка; 4 — перегородка; 5,6 — гибкие соединительные трубки; 7 — груз; 8 — стрелка

 

По обеим сторонам перегородки расположены гибкие трубки, присоединенные к объемам с давлениями р, и р2. В нижней части кольца укреплен груз. Если p1 = р2, то жидкость находится на одинаковом уровне в левой и правой части кольца. В случае, если имеется разность давлений, уровни рабочей жидкости смещаются и кольцо поворачивается на некоторый угол. При этом уравнение моментов имеет вид

 

где M — масса движущейся системы; а — расстояние центра тяжести системы от точки опоры; ф — угол поворота кольцевой трубки; h — высота столба жидкости; R' — средний радиус кольца; F—площадь поперечного сечения кольца; р — плотность рабочей жидкости.

 


 

Так как величина

где ?p — измеряемая разность давлений, то откуда


т. е. угол поворота кольца пропорционален Δр.

Кольцевые весы с водяным заполнением имеют предел измерения до 150 мм вод. ст., с ртутным заполнением — до 2500 мм вод. ст. Погрешность измерений ±1—2% от верхнего предела шкалы. Максимальное абсолютное давление, измеряемое прибором, около 150 мм рт. ст.

Поплавковый манометр (рис. 472) является одновременно показывающим и самопишущим прибором. С его помощью можно измерять вакуум от 90 до 100%. Поплавок, находящийся в одном из колен манометра, связаь с указывающей стрелкой и пером, регистрирующим давление. В качестве рабочей жидкости используют воду, ртуть или масло.

Колокольные манометры регистрируют изменение давления в пространстве под колоколом, погруженным в жидкость, в результате его подъема или опускания (рис. 473). Приборы снабжены приспособлениями для регистрации давлений и телепередатчиками. Манометр обычно заполняют трансформаторным или другим маслом 127). Компрессионные манометры. Компрессионный манометр Маклеода наиболее распространенный абсолютный манометр, по которому производят градуировку относительных манометров в присутствии сухого воздуха или любого другого газа, далекого от точки конденсации. Манометр показан на рис. 474. Его обычно изготовляют из стекла, а рабочей жидкостью служит ртуть. Перед началом измерений уровень ртути должен находиться ниже сечения 1—1 (рис. 475); трубка 1 и капилляр 3 соединены с вакуумной системой, имеющей давление рх. Объем V шара и капилляра выше сечения 1'—1' для данного манометра является постоянной известной величиной. При проведении измерения уровень ртути постепенно повышается, при этом в объеме V отсекается и сжимается порция газа. Ртуть одновременно поднимается в капиллярах 2 (измерительном) и 3 (сравнительном). Давление над поверхностью ртути в сравнительном капилляре 3 равно рх, а давление р в измерительном капилляре значительно больше рх из-за сжатия газа. Благодаря этому образуется разность уровней ртути в капиллярах, причем влиянием капиллярных сил можно пренебречь, так как ртуть поднимается в двух одинаковых капиллярах. Если в вакуумной системе отсутствуют легко конденсируемые пары, то сжатие газа происходит по закону Бойля-Мариотта, т. е.

где vu р — объем и давление газа над поверхностью ртути в измерительном запаянном капилляре.

 

Для определения давления рх пользуются одним из двух методов. Метод квадратичной шкалы состоит в том, что уровень ртути в сравнительном капилляре устанавливается у запаянного конца измерительного капилляра (см. рис. 475, б). Если обозначить известный заранее объем капилляра на длине 1 мм через v', а разность уровней ртути в капиллярах через h, то

С другой стороны,

Тогда

Если пренебречь слагаемым рх, которое несравнимо меньше величины h, то получим

 

 

Второй метод — метод линейной шкалы (см. рис. 475, а) заключается в том, что уровень ртути в запаянном капилляре доводят до определенной отметки, на которой обозначен объем части запаянного капилляра выше этой отметки v, тогда

 откуда

 

или снова пренебрегая слагаемым рх по сравнению с h, получим

Для поднятия и опускания ртути применяют различные устройства. Наиболее удобно применение тройного крана, который позволяет соединять ртутный баллон или с атмосферой или с вакуумной линией (см. рис. 475,  Основные недостатки манометра: периодичность измерения (не более одного измерения в минуту), невозможность измерять давление паров, а также присутствие ртути.

Прибор непригоден для дистанционного измерения и для автоматического управления. Показанный на рис. 474 манометр МакЛеода фирмы Эдварде (Англия) имеет диапазон измерений от 4•1O-2 до 10-6 мм рт. ст. Высота прибора 89 см, масса 5,9 кг.

Диапазон давлений, измеряемых манометром, зависит от относительных размеров шара и капилляра. Чем больше объем шара и меньше диаметр капилляра, тем меньшие давления можно измерить манометром.

Обычно диаметр капилляра 0,8 мм, объем шара ~250 см3. Объем шара манометра, показанного на рис. 474, измеряющего давления до 10-6 мм рт. ст., составляет 400 см3. При этом точность измерений ±10%. В капилляре с диаметром меньше 0,5 мм возможно застревание столбика ртути.

Для расширения диапазона измеряемых давлений применяют манометр с тремя капиллярами, напаянными один на другой (см. рис. 475, г). При давлении порядка 10"6 мм рт. ст. ртуть может полностью заполнить запаянный капилляр и прилипнуть к его верхнему концу. Во избежание ошибок манометр перед употреблением следует хорошо промыть хромовой смесью (H2SO4 + CrO3), дистиллированной водой и просушить в вакууме или дополнительно промыть спиртом. Ртуть для заполнения манометра должна быть химически чистой и профильтрованной в вакууме. При использовании резиновых шлангов следует предварительно прокипятить их в слабом щелочном растворе, промыть дистиллированной водой и просушить.

В некоторых конструкциях ртуть была заменена специальным маслом с низкой упругостью пара. Однако такое масло растворяет газы, и поэтому оно должно быть изолировано от наружного воздуха. Испытание различных органических жидкостей показало, что наиболее удовлетворительные результаты в отношении стекания жидкости из капилляра дает бутилфталат, а также, по-видимому, силиконовые масла. Наиболее устойчивая работа масляного манометра наблюдалась при давлениях от 10-6 до 10-3 мм рт. ст. Фирма Лейбольд (ФРГ) выпускает ртутные манометры Мак-Леода, работающие при давлениях от 10-1 до 10-5 мм рт. ст.

Применяют также поворотные компрессионные манометры, так называемые вакустаты. В поворотном манометре резервуар всегда находится в вакууме, который подлежит измерению, и этот же вакуум используется для передвижения ртути. Вакустат имеет меньшую степень сжатия и больший диаметр капилляра, чем  обычный компрессионный манометр, поэтому он измеряет давления не ниже 10-3 мм рт. ст.


 

Вакустаты фирмы Эдварде: 1В2 с пределами измерений от 10 до 0,01 мм рт. ст. и 2В2 — от 1 до 10~3 мм рт. ст., 1Е2 — от 10 до 0,01 мм рт. ст., 2Е2 — от 1 до 10~3 мм рт. ст. — отличаются по конструкции, но принцип действия у них один.

Для измерений нужно поворачивать манометр вокруг своей оси на 90°. На рис. 476 показан вакустат фирмы Эдварде с пределами измерений от 1 до 10~3 мм рт. ст. (модель 2G), предназначенный для установки в стеклянной системе.

Компрессионный манометр Камерер, выпускаемый в ФРГ, включает два манометра: компрессионный манометр Мак-Леода и дополнительно встроенный укороченный U-образный манометр. Такой манометр фирмы Лейбольд имеет пределы измерений от 80 до 10-4 мм рт. ст. (рис. 477).

На рис. 478 показан вакускоп фирмы Лейбольд (ФРГ) с пределами измерений от 35 до 0,05 мм рт. ст., присоединяемый к системе с помощью конического шлифа. Он может быть повернут вокруг своей оси на 180°. Прибор очень удобен для измерения форвакуума. Если давление выше 2 мм рт. ст., то оно может быть измерено по U-образной трубке при правом положении манометра (см. рис. 478). Для измерения более низких давлений манометр поворачивается на 180 (левое положение на рис. 478) и происходит сжатие порции газа в капилляре. В качестве рабочей жидкости применяют ртуть. Таким образом, вакускоп представляет собой комбинацию U-образного и компрессионного манометра. Прибор измеряет общее давление в системе.



 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Сейчас на сайте

Сейчас на сайте находятся:
 73 гостей на сайте
=
Рейтинг@Mail.ru