Розанов Л.Н. Вакуумная техника 1990 (1065500), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Деформационные мембранные 5 Р а) преобразователи различаются в зависимости от способа регистрации перемещения мембраны и метода измерения. В барометрах используется схема, показанная на рис. Рс 6.3, а. Внутри герметичной поло- сти, образованной мембранами 1, й создается сравнительное давление У- Р.р. Если измеРЯемое давление Р не равно р„, то происходит деформация мембран и перемещение стрелки, пропорциональное разно— в.
Р сти давлений (р„ — р) =йх, где)с— коэффициент пропорциональности. Такой прибор измеряет разность 51 давлений и поэтому называется дифференциальным, Рис, 6.3. Дсфорыбднонные ысы- На этом же принципе работает Ра""ыс "Рсоврю~н"слп мембранный преобразователь (рис. 6.3, б), но в нем применен емкостный метод регистрации перемещения. Мембрана 2 в этом приборе герметично разделяет корпус 1 на две камеры, в одной из которых поддерживается сравнительное давление р„, а другая присоединяется патрубком б к вакуумной системе. Через изолятор 4 в нижнюю камеру вводится электрод 3, образующий с мембраной конденсатор, емкость которого является функцией давления.
Этот преобразователь может измерять абсолютное давление в вакуумной системе, если Р„=О. Мембранный преобразователь с двумя электродами (рис, 6.3, в) работает прн нулевой деформации мембраны. На электрод 2 подается переменное напряжение, позволяющее определить емкость и положение мембраны. На электрод 1 прикладывается постоянное напряжение, которое за счет электростатических сил возвращает мембрану к исходному положению, компенсируя воздействие разности давлений. Разность давлений в этом приборе пропорциональна квадрату постоянного напряжения, приложенного к электроду 1. Диапазон измерения мебранных преобразователей 1О'...
10-' Па. Но так как линейность показаний сохраняется только прн 138 небольших деформациях мембраны, то один прибор может измерять давления, лежащие в пределах 2 ... 3 порядков. Нижний предел. измерения ограничивается температурными деформациями, минимальной жесткостью и прочностью мембраны. Преобразователи с электростатической компенсацией деформации мембраны имеют более стабильные характеристики.
Э 6.3. Гндростатические преобразователи Простейшими гндросгатнческнми преобразователями являются жидкостные манометры с открытым и закрытым коленом. Измеряеман этими манометРами Разность давлений Р и Р,р УРавиовешивается весом столба жидкости высотой Й: (Р.
— Р)=И" где д — ускорение земного притяжения; р — плотность жидкости. Манометры с открытым коленом (рис. 6.4, а) удобны для измерения давлений, близких к атмосферному. В этом случае рор= =р„и высота столба Й минимальна. Показания такого манометра зависят от атмосферного давления. В манометре с закрытым коленом (рис. 6.4, б) перед заполнением рабочей жидкостью получают давление Р,р-О, что позволяет непосредственно измерять абсолютное давление газа в вакуумной системе.
В этом случае показания прибора не зависят от атмосферного давления. При измерении малых давлений (меиее 2 10' Па) манометр с закрытым коленом имеет меньшие габариты, чем манометр с открытым коленом. кой омо а) 5) Р но. 6.6. Компрессионный мапо.
метр Р н с. 6А. Жидкостные маномет- ры: о — е открытым коленам; б — с аакры- тым коленом 139 В качестве рабочей жидкости для заполнения рассмотренных манометров применяют ртуть и масло. Масляные манометры имеют большую чувствительность, так как плотность масла примерно в 15 раз меньше плотности ртути. Однако масло хорошо растворяет газы, и перед работой требуется его тщательное обезгаживание, Пределы измерения ртутных манометров 10'...10'Па, а масляных — 10' ...
10' Па. Погрешность при отсчете уровня и может быть доведена до О,1 мм. Более точное измерение уровня не имеет смысла из-за непостоянства величины поверхностного натяжения, колебаний плотности, температурных градиентов рабочей жидкости и т. д. Чувствительность манометров к перепаду давлений в основном ограничивается вязкостью самой жидкости. Гидростатические манометры с предварительным сжатием газа называются к о и и р е с с и о н н ы м и. Компрессионный манометр (рис. 6.5) состоит из измерительного баллона 2 с капилляром Кп резервуара со ртутью, соединительного трубопровода 3 с капилляром Кь Через азотную ловушку 4 манометр подключается к вакуумной системе. Баллон 2 перед началом измерений соединяется с вакуумнойсистемой через трубкуЗ. Из баллона! под давлением атмосферного воздуха ртуть поднимается вверх по трубке Т, отключает баллон 2 от вакуумной системы и сжимает заключенный в баллоне газ до давления, которое можно непосредственно измерить по разности уровней ртути в закрытом н сравнительном капиллярах К~ и Кь После компрессии давление измеряетсн точно так же, как и в обычном ртутном манометре с закрытым коленом.
Уравнение компрессионного манометра на основании закона Бойля — Мариотта имеет следующий вид: р)~, =(р+ рай) 1~, (6.1) где Р— измеряемое давление; Уе — начальный объем сжимаемого газа; и — разность уровней в сравнительном и закрытом капилля- ~2 рах; 1'= †" и, †конечн объем газа после сжатия; 1(„ †диа- метр капилляров. Решая (6.1) относительно давления р, получим ягед'ии, Р= 4 (1'о — юы„и~!4) При условии, что й,Ы,'(4 значительно меньше Уз, Лй"„ р= — "Ий„ (6.2) 44'о Если ртуть в закрытом капилляре манометра всегда поднимать до одного и того же уровня, то й~ будет величиной постоянной и уравнение (6.2) можно записать так: Р=С~й; С~ Ынзй~/(4Уо) Этот способ измерения давления называется методом ли- нейнойой ш к а лы. 140 Для расширения пределов измерения можно пользоваться м еодом квадратичной шкалы, при котором сжатие в маометре производится так, чтобы ртуть в сравнительном капилляе Кз всегда устанавливалась на одном уровне с запаянным кон.
ом закрытого капилляра Кь При этом й=йь Тогда уравнение 6.2) можно записать в виде Р=Сдйз; Сз— - Ы,з((4Уз). Диапазон измерения компрессионных манометров 10' ... 10-з Па. "трудности в измерении более низких давлений связаны с непостоянством капиллярной депрессии ртути (понижение уровня ртути в капилляре по сравнению с ее уровнем в сообщающемся с капилляром широком сосуде); откачивающим действием струи ртутного пара из манометра в ловушку; отличием формы конца запаянного капилляра от формы мениска ртути, что ограничивает минимальное значение на уровне 5...10 мм.
Кроме того, по технологическим соображениям диаметр капилляров удобно выбирать не меньше 1 мм, а объем измерительного баллона определяется прочностью стекла и обычно не превышает 1 л, что дает максимальное значение коэффициента компрессии 2,5. 10'. Для измерения более высоких давлений требуется манометр с очень длинными (или переменными по сечению) капиллярами.
В области давлений более 1О Па можно пользоваться обычными гидростатическими манометрами без предварительного сжатия газа. Для уменьшения откачивающего действия струи ртутного пара трубка Т сделана в виде капилляра, охлаждаемого водой. Компрессионный манометр относится к абсолютным приборам и используется в качестве образцового для градуировки других приборов. Его показания не зависят от рода газа.
Однако компрессионным манометром нельзя измерить давление паров тех веществ, у которых упругость насыщенных паров при температуре измерения меньше давления в измерительном капилляре после сжатия; нельзя проводить непрерывное измерение давления, Недостатком манометра является также то, что он должен присоединяться к вакуумной системе через азотную ловушку. $6.4.
Тепловые преобразователи Принцип действия тепловых преобразователей основан на зави. симости теплопередачи через разреженный газ от давления. ПеРедача теплоты происходит от тонкой металлической нити к баллону, находящемуся прн комнатной температуре. Металлическая нить нагревается в вакууме путем пропускания электрического тока Уравнение теплового баланса такого прибора можно представить в следующем виде: !'„11 = Е„+ Е, + Е„!- Е „, (6.3) где Тз — ток, проходящий через нить; )т — сопротивление нити; Е, 141 Ет, Ен, Ем — потери теплоты за счет конвекции, теплопроводности газа, излучения нити и теплопроводности материала нити.
Конвективным теплообменом в области среднего и высокого) вакуума можно пренебречь, т. е. Е,=О, а потери теплоты излуче) нием Е„=К„(Т'„— Т') А; здесь А — поверхность нити; Кп — коэффициент излучения материала нити; Т, и Тб — температуры нити и баллона. Тепловые потери нити за счет передачи теплоты по материалам нити и электродов, соединяющих нить с корпусом преобразователя, Ем=В(҄— Т,) 7, (5 — коэффициент теплопроводности материала нити; 1 — сечение нити). Потери теплоты через газовый промежуток Е„= Л (҄— Тб) А, (6.4) где Л= — — коэффициент теплопроводности газа (см. (3,27)).
Ар р+В В области низкого вакуума Р)~В, а коэффициент теплопроводности газа не зависит от давления. Давление р В, соответствуюшее переходу от среднего в низкий вакуум, является верхним пределом измерения теплового манометра. В области высокого вакуума, когда р«В, коэффициент теплопроводности пропорционален давлению и при о=1 из (3.25) следует Л,=К,Р. (6.5) Измерительное уравнение теплового преобразователя с учетом уравнений (6.3), (6.4), (6.5) можно записать так: !и )7 — (Е„+ Ем) Р= К, (Гн — Гб) (6.6) Для точного измерения давления необходимо, чтобы Е, составляло значительную долю от Е,+Еи, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
