|
Простейший вакуумный манометр
состоит из U-образной стеклянной трубки, в которую залита ртуть или
какая-либо другая жидкость с низкой упругостью пара. Одно колено трубки
соединено с объемом, в котором нужно измерить давление, а в другом колене
давление поддерживается на некотором постоянном уровне с помощью
вспомогательной системы откачки. Как правило, давление во вспомогательной
системе намного меньше измеряемого, так что последнее определяется непосредственно
по разности уровней жидкости в коленах манометров. Разность уровней в 0,1 мм можно еще различить
невооруженным глазом.
Это означает, что наименьшая разность давления, которую
можно зарегистрировать ртутным манометром, равна приблизительно 0,1 тор (мм рт. ст.). Чувствительность жидкостного
манометра можно повысить приблизительно в 15 раз, заменив ртуть более легкой
жидкостью — маслом с низкой упругостью пара, например бутилфталатом или
апиезоном (маслом для диффузионных насосов). Это позволяет регистрировать невооруженным
глазом разность давлений вплоть до 10-2 тор. В литературе подробно описаны
жидкостные манометры различных конструкций, наиболее интересными из которых
можно считать манометры Бионди [1] и Маслаха [2]. При резком повышении разности
давлений, например при прорыве атмосферы в одно из колен манометра, рабочая
жидкость может сразу выплеснуться в вакуумную систему и нарушить ее работу.
Этого можно избежать, установив в обоих коленах манометра на некотором расстоянии
-от поверхности жидкости брызгозащитные устройства [3].
Погрешность измерения
жидкостными манометрами обусловлена следующими причинами: 1) смачиванием
жидкостью стекла, сопровождающимся большой нестабильностью капиллярных явлений; 2) неравномерным
отражением света стеклом; 3) различием состава масла в масляных манометрах и,
значит, различным удельным весом масла в смежных коленах; 4) растворимостью в
масле газов или паров и 5) разной температурой и, значит, разной плотностью
жидкости в двух смежных коленах.
Влияние поверхностного
натяжения и неравномерного отражения света можно свести до уровня гораздо ниже
0,1 , если брать тонкостенные трубки большого диаметра (10 мм). Влияние состава масла и
растворимости в нем газов трудно оценить точно, так как они тесно связаны между
собой. Количество растворенного газа зависит от природы газа, достигая для
некоторых паров значительной величины. Поэтому масляным манометром нельзя
пользоваться при особо точном контроле чистоты и давления небольшого
количества любого газа. Хикмен с сотр. [4, 5] описали несколько тщательно
отработанных конструкций масляных манометров, в которых предусмотрена возможность
периодической дистилляции масла, обеспечивающей его большую однородность и
высокую чистоту.
Легко подсчитать, что сдвиг
нулевого отсчета, вызванный разностью температур, пропорционален разности
температур в двух коленах, температурному коэффициенту объемного расширения и
разности уровней жидкости. Например, если разность уровней масла составляет 300
мм, то разность температур в коленах
манометра, равная TС, приведет к сдвигу отсчета на 0,3 мм масляного столба, т. е. на
0,02 тор (температурный коэффициент
объемного расширения масла равен 10-3 град-1).
Трудами ряда исследователей
диапазон измерения ртутного манометра был расширен вплоть до 10~3 тор путем точных методов
регистрации малых разностей уровней жидкости. Этими методами первым в 1901 г.
воспользовался Рэлей [6]. Манометр его конструкции был снабжен поворотным
механизмом и тонкими игольчатыми стеклянными указателями для точной установки
уровня ртути. Ньюбери и Аттербек [7], Шредер и Райдер [8], Карвер [9] и другие
исследователи пользовались небольшим стеклянным поплавком на поверхности
ртути, обычно полой стеклянной бусиной. Манометр конструкции Джонсона и Гаррисона
[10] обладает, вероятно, наибольшей чувствительностью, поскольку он был
тщательно изготовлен с учетом всего накопленного опыта. Посредством этого
абсолютного прибора удавалось регистрировать изменения давления вплоть до 2•1O-4 тор. Недавно были опубликованы
сообщения о ряде хороших конструкций с оптическим и фотооптическим отсчетом
разностей уровней вплоть до 10-3 мм [11]. В жидкостных манометрах
других конструкций (манометр Четтока [12], наклонный манометр [13] и манометр
с двумя рабочими жидкостями [13, 14]) были использованы успехи
гидромеханики.
|