В целом о вакууме и вакуумных системах

Свойства вакуума
Особенности вакуумных систем

Вакуумные материалы и уплотнители

Вакуумные материалы
Уплотнители и и смазки

На заметку

Мембранные манометры
Измерение и контроль вакуума - Контрольно-измерительная аппаратура

Начиная с 1939 г. по мере совершенствования мембранных манометров они все больше вытесняют жидкостные вакуумные манометры. Использование мембраны вместо жидкости исклю­чает возможность попадания паров рабочей жидкости в вакуум­ную систему; к тому же чувствительность мембранных маномет­ров одинакова для всех газов и паров.

Применение надежных и точных электрических методов измерения перемещения мем­браны делает эти манометры относительно простыми и надеж­ными приборами. В принципе мембранный манометр не отли­чается от анероидного. В первоначальных конструкциях мем­бранных манометров перемещение мембраны измеряли в основ­ном оптическими методами. Эти манометры позволяли измерять давление даже ниже 1 мтор, но, вероятно, из-за своей малой вибростойкости они не нашли широкого применения в вакуум­ной технике.

В последнее время наметилась тенденция к отказу от преж­них оптических методов измерения перемещения мембраны в пользу электрических. Это не только значительно повышает чув­ствительность измерения, но, что еще важнее, существенно по­вышает надежность мембранных манометров и упрощает их эксплуатацию. В большинстве случаев мембрана образует вме­сте с дополнительным неподвижным электродом обкладки элек­трического конденсатора. Любое перемещение мембраны и, зна­чит, всякое изменение давления, можно зарегистрировать по из­менению емкости этого конденсатора [39].

Нижний предел измерения простейшего мембранного мано­метра ограничен в большинстве случаев не изменением упруго­сти или гистерезисом мембраны и не сложностями измерения * малых изменений емкости, а нестабильностью отсчета из-за неравномерности температуры манометра. Пресси [41], теорети­чески и экспериментально исследовавший температурную неста­бильность, пришел к выводу, что даже в хорошо сконструиро­ванном манометре температурный коэффициент емкости ас мо­жет достигать величины порядка 10~4 град-1. Как он показал, зависимость ёмкости от температуры обусловлена в основном двумя причинами: изменением зазора конденсатора из-за линей­ного расширения корпуса и возможным короблением мембраны, вызванным неодинаковым расширением разных частей манометра,

Можно сконструировать манометры лабораторные и промышленные с линейной шкалой в диапазоне от 0 до 1 тор, способные реги­стрировать изменение давления до 1 мтор. Так, серийные мано­метры фирмы «Консолидейтед электродайнамикс» имеют линей­ную шкалу в диапазоне от 0 до 150 мтор и позволяют реги­стрировать изменения давления вплоть до 0,1 мтор. Дрейф нулевого отсчета манометра определяется почти полностью (сне- . большим запаздыванием) изменением температуры манометра.

Некоторые манометры имеют гофрированную мембрану. Гофры приблизительно на один порядок повышают чувствитель­ность и на столько же ослабляют влияние изменения темпера­туры внешней среды. Однако трудность изготовления и жесткие требования по эксплуатации мешают широкому использованию гофрированных мембран. Сложность процесса изготовления та­ких мембран хорошо показана в статье Кука и Денби [42].

Существуют и другие электрические методы измерения от­клонения мембраны от равновесного положения с точностью до десятых долей микрона. Мембранный манометр Мэтьесона и Идена [48], например, регистрирует изменение давления до 1 мтор.

В нем измеряемой величиной является натяжение струны. Манометры, работающие на принципе переменной вза­имоиндукции [49, 50], интересны тем, что в них высокая чув­ствительность совмещается с линейностью в широком интервале давлений. Манометр Дибелера и Кордеро [49] изображен на фиг. 20. Гофрированная бронзовая мембрана диаметром 73 мм припаяна мягким припоем к медному цилиндрическому корпусу, который соединяется с вакуумной системой через узкий штен-гель. В пазах каркаса из изоляционного материала намотаны две обмотки, образующие трансформатор (первичная обмотка имеет больший диаметр). Зазор между вторичной обмоткой и мембраной в положении равновесия равен 0,13 мм.

 

 

 

 При пропу­скании через первичную обмотку переменного тока частотой 2,5 Мгц наводимые им в мембране вихревые токи образуют элек­тромагнитное поле противодействия, которое уменьшает коэф­фициент взаимоиндукции между обмотками трансформатора. При увеличении зазора между мембраной и вторичной обмоткой коэффициент взаимоиндукции обмоток также увеличивается. Величина взаимоиндукции зависит линейно (с отклонениями до 1%) от перемещения мембраны в пределах до 0,5 мм. Перемещению мембраны на 25 мк соответствует увеличение взаимоиндукции на 8-10~3 мкгн. (По данным на фиг. 14 для емкостного метода измерения нелинейность отсчета превышает 15% при ^перемещении мембраны всего лишь на 13 мк.) Для измерения взаимоиндукции последовательно включенные первичные обмотки двух трансформаторов, один из которых смонтирован в манометре, а другой является вспомогательным (с постоянной величиной взаимоиндукции), питались от стаби­лизированного генератора на 2,5 Мгц.

Вторичные обмотки транс­форматоров были включены навстречу друг другу так, что в положении равновесия мембраны напряжения в обеих обмот­ках уравнивались, делая схему сбалансированной. Перемещение мембраны нарушало равновесие схемы, создавая разностный сигнал, пропорциональный величине перемещения мембраны. Этот сигнал усиливался обычным электронным усилителем и по­давался на стрелочный прибор. При максимальной чувствитель­ности усилителя полное отклонение стрелки прибора соответ­ствовало давлению 10 мтор. Оказалось, что уровень шумов манометра соответствует давлению 0,1 мтор (или смещению мембраны на 0,05 мк) \ этот шум вызывается в основном вибра­цией механического вакуумного насоса.

Мембранная коробка (см. фиг. 20) помещена в стеклянный баллон, откачанный до опорного давления ниже 10~5 тор. Мано­метр такой конструкции обладает достаточно большой тепловой постоянной времени, благодаря чему его отсчет при изменении температуры внешней среды меняется очень медлнно. На прак­тике изменение комнатной температуры в пределах 3—4° С не влияет на отсчет манометра. (Метод вакуумированной оболочки применим в случае небольших манометров для уменьшения влия­ния изменений внешней температуры; как показал Пресси, рез­кие изменения температуры внешней среды сильно изменяют ну­левой отсчет, но и при медленных ее изменениях необходимо пе­риодически проверять правильность его положения.) Подробно конструкция этого манометра и его электрическая схема опи­саны в работах [49 и 50]. Дифференциальный трансформатор был успешно использован в сильфонном манометре [51] с точностью измерений на нижнем пределе ±5 мтор, а его выходной сигнал линейно зависел от давления вплоть до 60 тор.

Необходимо сказать несколько слов о мембранных мано­метрах, предназначающихся для измерения давления паров. В таких манометрах мембрана выполняет роль заслонки, кото­рая закрывает отверстие, ведущее в сосуд с исследуемой жид­костью. Мерой давления пара является усилие, которое нужно приложить к мембране, чтобы удержать ее в положении равно­весия. В одной из первых конструкций таких приборов [52] мембрана крепилась на конце длинного и легкого маятникового подвеса. Чтобы удержать мембрану над отверстием, изменяли угол наклона всего прибора. С помощью простой калибровки была определена зависимость усилия, приложенного к мембра­не, от угла наклона прибора. Этот прибор позволял измерять давления паров вплоть до 3 мтор с точностью ±10%.

В усовер­шенствованном приборе Эрнсбергера и Питмана [53] для значи­тельного повышения чувствительности маятник заменили квар­цевой спиральной пружиной (фиг. 21). Исследуемое вещество помещают в нижний контейнер, термостатируемый с точностью ±0,01° С. Контейнер соединен с вакуумной системой, отка­чиваемой стеклянным диффузионным насосом, который от­делен от системы охлаждаемой ловушкой. Выходное отверстие

,1

 

 

 

контейнера площадью около 10 см2 перекрыто поршнем, состоя­щим из трех слюдяных дисков. Поршень подвешен к кварцевой спирали, которую для настройки можно поднимать или опу­скать с помощью небольшого ворота. При тарировке системы с помощью Последовательной нагрузки поршня гирьками жест­кость спирали оказалась равной 0,8439 мм/дин. Для поршня с площадью 10 см2 нагрузка 1 дин эквивалентна разности да­влений 0,075 мтор, так что легко достичь точности измерения около 0,01 мтор. Благодаря наличию охлаждаемой ловушки давление паров над поршнем в исследуемом диапазоне давле­ний всегда мало; по подсчетам оно составляет не более 0,3% величины давления под поршнем. (Трехдисковая конструкция поршня была выбрана для уменьшения потока пара в систему.) Температура стенок выходного отверстия контейнера с помощью небольшого электронагревателя поддерживается на 8—1O0C выше температуры термостата для предотвращения конденсации пара в зазоре между поршнем и стенками отверстия.

Эрнсбергер и Питман [53] отмечают трудность проверки точ­ности их прибора из-за отсутствия надежного образцового мано­метра для измерения давления паров. (Даже для упругости паров ртути расхождение по данным разных авторов достигает величины около 10%.) Тем не менее Эрнсбергер и Питман из­мерили давление паров ртути в интервале температур от 10 до 6O0C с разбросом результатов измерений в пределах ±1%. После тщательного анализа всех возможных источников ошибок авторы пришли к выводу, что абсолютная точность их измере­ний не хуже ± 1 %.

 

ЛИТЕРАТУРА

1.   Biondi М. A., Rev. ScL Instr., 24, 989 (1953).

2.   M a s 1 а с h G. J., Rev ScL Instr., 23, 367 (1952).

3.   Maguire F. S., Thomas A. G., J. ScL Instr., 38, 261 (1961).

4.   H i с k m а п К. С. D., Rev. ScL Instr., 5, 161 (1934).

5.   Hickman К. С. D., Weyerts W. J., J. Am. Chem. Soc, 52, 4714

(1930).

6.   Rayleigh, Phil. Trans., 196A, 205 (1901).

7.   Newbury K., Utter back C. L., Rev. ScL Instr., 3, 593 (1932).

8.   S h r a d e r J. E., R у d e r H M., Phys. Rev., 13, 321 (1919).

9.   Carver E. K-, /. Am. Chem. Soc, 45, 59 (1923).

 

10.   Johnson M. C, Harrison G. 0., J. ScL Instr., 6, 305 (1929).

11.   Fa rquh arson J., Kermicle H. A., Rev. ScL Instr., 28, 324 (1957); Zigman P., Rev. ScL Instr., 30, 1060 (1959); Elliott K. W. T., Wil­son D. C., Mason F. C P., Bigg P. H., J. ScL Instr., 37, 162 (1960); Hart H. R., 38, 300 (1961); Hirsch E. H., J. ScL Instr., 36, 477 (1959); Kern p J. F., J. ScL Instr., 36, 77 (1959).

12.   P a n n e 1  J.  R.,  Fluid   Velocity  and   Pressure,   London,   1924,  p.  91.

13.   Dodge R. A., Thompson M. J., Fluid Mechanics, McGraw-Hill, N. Y.

1937

14.  Sederholm P., Benedicks C., Arkiv. f. Mat. Astr. och Fys., 27, A8

(1940).

15.   McLeod H., Phil. Mag., 48, 110 (1874).

16.   J a n s en C. G. J., Ve n e m a A., Vacuum, 9, 219 (1959).

17.   Bixler H. J., Michaels A. S., Parker R. B., Rev. ScL Instr   31,

1155 (1960).

18.   A r m b r u s t e r M. H., J. Am. Chem. Soc, 68, 1342 (1946).

19.   F 1 о s d о r f E. W., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed , 17, 198 (1945).

20.   P or ter A W., Trans. Farad. Soc, 29, 702 (1933).

21.   Rosenberg P., Rev. ScL Instr., 10, 131 (1939).

22.   R о s e n b e r g P., Rev. ScL Instr., 9, 258 (1938).

23.   K 1 e m p e r e r 0., /. ScL Instr., 21, 88 (1944).

24.   B a r r W. E, A n h о r n V. J., Instruments, 19, 666 (1946).

25.   Podgurski Н. H., Davis F. N., Vacuum, 10, 377 (1960).

26.   К е е v i 1 N. В., E г г i п g t о п R. F., Newman L. Т., Rev. Set. Instr., 12, 609 (1941).

27.   Cl ark R. J., J. ScL Instr., 5, 126 (1928).

28.   H ay ward A. T. J., J. ScL Instr., 39, 367 (1962).

29.   J. ScL Instr., 38, 343 (1961).

30.   Romann M. P., Le Vide, 3, 522 (1948).

31.   B arnard J. A., J. ScL Instr., 34, 511 (1957).

32.   W у 11 i e H. A., J. ScL Instr., 33, 317 (1956).

33.   F 1 о s d о r f E. W., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 10, 534 (1938).

34.   A x e 1 b a n к M., Rev. ScL Instr., 21, 511 (1950).

35.   G a e d e W., Ann. d. Phys., 46, 357 (1915).

36.   I s h i i H., N а к а у a m a K., Vacuum Symposium   Transactions, 1, 519, N. Y., 1961.

37.   E a s t H. G., K uh n H., J. ScL Instr., 23, 185 (1946).

38.   Crompton R. W., EI ford M. Т., I. ScL Instr., 34, 405 (1957).

39.   Ol sen A. R., Hirst L. L., J. Am. Chem. Soc, 51, 2378 (1929).

40.   LiIl у J. C., Legal lis V., Cherry R., J. Appl. Phys., 18, 613 (1947).

41.   Pressey D. C, J. ScL Instr., 30, 20 (1953).

42.   Cook D. B., D a nb у C J., J. ScL Instr., 30, 238 (1953).

43.   Perls Т. А., К a e с h e 1 e W. H., G о a 1 w i n D. S., Instrument Practice, 10, 1026 (1956).

44.   A 1 p e r t D., M a i 11 a n d C. G., M с С о u r b e у А. О., Rev. ScL Instr., 22, 370 (1951).

45.   Baxter I. G., J. ScL Instr., 30, 358, 456 (1953).

46.   Lovejoy D. R., Rev. ScL Instr., 32, 41 (1961); есть в переводе: Прибо­ры для научных исследований, № 1, 50 (1961).

47.   H еу 1 е n А. Е. D., /. ScL Instr., 37, 251 (1960).

48.   M a t h е s о п H., E d е n M., Rev. ScL Instr., 19, 502 (1948).

49.   Di beler V. H., Cord его F., J. Res. NBS, 46, 1 (1951).

50.   Green о ugh M. L., Williams W. E., J. Res. NBS, 46, 5 (1951).

51.   Sancier K. M., Richeson W., Rev. ScL Instr., 27, 134 (1956).

52.   Hickman К. C D., H e с к e r J. C1 E m b r e e N. D„ Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 9, 264 (1937).

53.  Ernsberger F. M., Pitman H. W., Rev. ScL Instr., 26, 584 (1955).
54 Handbook of Chemistry and Physics, 32nd ed., Cleveland, 1950.

55. Meinke C, Reich G., Vakuum Technik, 11, 86 (1962).


 

 

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Сейчас на сайте

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