Свойства вакуума |
Особенности вакуумных систем |
контрольно-измерительная аппаратура |
Течеискатели |
Вакуумные материалы |
Уплотнители и и смазки |
Вакуумные вентили и переходники |
Запорные устройства |
Способы соединения вакуумных систем |
Общие принципы |
Подбор вакуумных насосов |
Масляные средства откачки |
Вакуумометрические приборы |
Вакуумные установки |
Сорбционные средства откачки |
Физические явления в вакууме |
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]. 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). 55. Meinke C, Reich G., Vakuum Technik, 11, 86 (1962).
|
= | |