Компрессионные манометры
КОМПРЕССИОННЫЕ МАНОМЕТРЫ
Принцип работы
применимости закона Бойля — Мариотта при сжатии сильно разреженного газа, поскольку последнее протекает изотермически.
лМанометр (рис. III.16) представляет собой стеклянный баллон /, снабженный измерительной трубкой сжа-
Выше мы отмечали, что нижний предел гидростатических манометров (~10“1—10“2 мм рт. ст.) обусловлен трудностью точного отсчета малых разностей уровней жидкости в коленах манометров. Для расширения пределов измерения в область более низких давлений можно
применить метод предварительного сжатия газа, давление которого нужно измерить. Поэтому такие манометры называются компрессионными.
Метод измерения основан на
тия 2 с запаянным верхним концом. Посредством ответвления в нижней части баллона измерительная часть манометра сообщается с откачиваемым объемом (трубка 3) и присоединяется к резервуару с рабочей жидкостью 4. снабженному каким-либо устройством для поднятия ее до нужной высоты. Компрессионные манометры обычно заполняют ртутью, выполняющей роль поршня при сжатии газа и служащей для измерения давления.
Перед началом измерения давление в вакуумной системе и баллоне 1 одинаково, так как уровень ртути не превышает отметки А. Для измерения ртуть в манометре необходимо поднять настолько, чтобы она сжала газ в баллоне / и вытеснила его в трубку сжатия 2. Давление сжатого в трубке газа будет а уровень ртути остановится на отметке В. В трубке 3, которую называют сравнительной, давление остается неизменным, и в ней ртуть поднимается до более высокого уровня С. Так как при сжатии количество газа, перекрытого на уровне А, и его температура остаются практически постоянными, то, согласно закону Бойля — Мариотта,
Если р и pi выражены в миллиметрах ртутного столба, а через h обозначить разность уровней ртути в трубках 2 и 3. то
откуда
Из (Ш.14) и (Ш.15) имеем
но так как p<^.ht то выражение (Ш.16) можно упростить
Таким образом, измерение давления компрессионным манометром сводится к такому уменьшению первоначального объема газа V, чтобы измеряемое малое давление р было увеличено до давления рь оцениваемого визуально по разности уровней h в измерительной и сравнительной трубках. Чтобы избежать возможной ошибки из-за капиллярной депрессии, измерительная и сравнительная трубки должны иметь одинаковый диаметр. Если это условие не выполнено, то вследствие капиллярной депрессии, вызванной несмачиваемостыо стекла ртутью, в широкой трубке уровень ртути всегда будет несколько выше, чем в узкой.
Как следует из выражения (III.17), расширение нижнего предела измеряемых давлений компрессионным манометром связано с уменьшением объема сжатия Vh а это в свою очередь требует использования измерительной трубки малого диаметра (обычно порядка миллиметра). В таком случае измерительная трубка превращается в измерительный капилляр. Однако сравнительная трубка в виде капилляра обладает ограниченной пропускной способностью, поэтому уравновешивание давления в объеме V с давлением в откачиваемой системе потребовало бы довольно длительного времени. Чтобы это затруднение преодолеть, трубку, связывающую манометр с вакуумной системой, изготовляют достаточно большого диаметра (обычно несколько сантиметров), а сравнительную трубку — в виде ответвления от нее (рис. Ш.17).
Чтобы воспользоваться выражением (III.17), нужно оценить разность уровней h в сравнительном и измерительном капиллярах компрессионного манометра и знать отношение объемов V/Vi, т. е. степень-сжатия газа. Непосредственно измерить это отношение нельзя, поэтому нужна предварительная градуировка манометра. В зависимости от способа градуировки существуют два метода измерения давления компрессионным манометром: метод квадратичной и метод линейной шкалы.
Измерение давления по методу квадратичной шкалы производится следующим образом. Сжатие начального объема газа V производят до- тех пор, пока ртуть в сравнительной трубке (рис. III.16) или в сравнительном капилляре (рис. III.17) не установится на одном уровне с запаянным концом измерительной трубки (ка-
Методы градуировки и измерения
пилляра). Метку обычно наносят заранее на сравнительную трубку. После сжатия конечный объем V} будет равен
где d— диаметр капилляра, мм. Теперь формула (111.17) для расчета давления по разности уровней h с учетом (III. 18) может быть переписана в виде
т. е. искомое давление оказывается пропорционально квадрату разности уровней ртути в измерительной и сравнительной трубках (капиллярах). Отсюда и пошло название «метод квадратичной шкалы».
Из уравнения (III.19) видно, что при измерении давления по методу квадратичной шкалы степень сжатия VfV (или коэффициент компрессии) не остается постоянной, что способствует расширению нижнего предела измеряемых давлений.
При измерениях по методу линейной шкалы градуировка заключается в том, что сжатие газа в манометре производят до тех пор, пока ртуть в измерительной трубке (капилляре) не установится на каком-то фиксированном уровне (например, соответствующем метке В на рис. III.16), тогда
где hi — расстояние от запаянного конца измерительной трубки до фиксированного уровня ртути, снабженного меткой В. Теперь конечный объем V[ является постоянной величиной, и из выражения (III.17) получаем
Величина зависящая только от геометриче
ских размеров манометра, называется постоянной манометра при квадратической градуировке. Тогда окончательно можно записать
В литературе описаны различные типы компрессионных манометров, отличающиеся как по способам поднятия ртути, так и по конструктивному оформлению.
Для поднятия и опускания ртути в измерительной части компрессионного манометра применяют различные методы. Наиболее простым является способ подвижной груши, показанной на рис. 111.18. Груша 7, наполненная ртутью, связана с манометром посредством гибкой трубки 2 и может устанавливаться на любой высоте при помощи штатива 3. Перемещение груши сопровождается изменениями уровня ртути в измерительной части манометра. Если сосуд с ртутью связан с атмосферой (открыт), то разность уровней ртути в сосуде и манометре всегда будет порядка барометрической высоты (760мм).
Конструктивные особенности компрессионных манометров
nd*
Величина С2=-^гЛ1 также является постоянной (для каждого выбранного уровня ртути в измерительной трубке), следовательно, давление пропорционально разности уровней ртути в измерительной и сравнительной трубках (капиллярах). Поэтому такой метод измерения давления получил название метода «линейной шкалы».
Для расширения пределов измеряемых давлений при работе по методу линейной шкалы обычно на измерительный капилляр наносят несколько фиксированных меток и для каждой из них подсчитывают постоянную С2.
Из полученных выше формул (III.19) и (III.21) следует, что нижний предел давлений, измеряемых компрессионным манометром, определяется его геометрическими размерами. Чтобы получить высокочувствительный манометр, надо уменьшать диаметр измерительного капилляра и увеличивать объем V. Однако диаметр капилляра нельзя брать меньше 0,8 мм из-за прилипания ртути к стеклу, а объем стеклянного баллона, из-за опасности его разрушения под действием веса ртути, не должен превышать 500 см3 (что уже соответствует весу ~7 кг). Если считать, что наименьшее давление после сжатия (в измерительном капилляре) равно ~ 1 мм рт. ст., то нижний предел измерения компрессионного манометра лежит в области давлений ~ 10-6 мм рт. ст.
Это делает компрессионный манометр довольно громоздким, а’Соприкосновение ртути с атмосферным воздухом загрязняет помещение и приводит к окислению ртути и насыщению ее газами, что отрицательно сказывается на точности измерений.
Отмеченные недостатки устраняются применением вспомогательной вакуумной системы (рис. 111.19). Здесь
резервуар /, в котором находится ртуть, закрыт, а пространство над ртутью может быть соединено трехходовым краном 2 либо с откачанным до предварительного вакуума
объемом 3, либо с атмосферой. При соединении резервуара 1 с вспомогательным вакуумом уровень ртути в манометре будет понижаться, а при соединении с атмосферой— повышаться. Таким образом, регулируя давление над поверхностью ртути в резервуаре 7, можно установить ртуть в измерительной части манометра на любом уровне.
Другим вариантом этого метода, который иногда называют методом тройного крана, является создание в объеме 3 избыточного (по сравнению с атмосферным) давления. Тогда положение трехходового крана 2 «на атмосферу» будет служить для опускания ртути. Однако в этой разновидности метода длина трубки 4, соединяющей измерительную часть манометра с сосудом /, наполненным ртутью, должна быть не меньше 760 мм, что-
бы при откачанной системе и открытом кране 2 «на атмосферу» уровень ртути в манометре был ниже измерительной его части. Вместо сжатого воздуха для подъема ртути можно использовать газообразный азот, если объем 3 связать с сосудом Дыоара, наполненным жидким азотом. При этом будет уменьшено загрязнение ртути и обеспечена большая плавность перемещения ее уровней в манометре.
В некоторых типах компрессионных манометров резервуар для ртути изготовляют из гибкого гофрированного цилиндра—сильфона (рис. 111.20). Материалом для него обычно служит сталь, которая практически не реагирует со ртутью. В таких манометрах ртуть поднимается до нужного уровня вследствие механического сжатия резервуара, достигаемого различными способами, один из которых показан на рис. Ш.20.
В так называемых укороченных компрессионных манометрах, размеры которых меньше, чем барометрическая высота (760 мм рт. ст.), подъем и опускание ртути в измерительной части осуществляются вращением манометра вокруг оси, проходящей через трубку, соединяющую манометр с откачиваемым объемом (рис. III.21). При повороте манометра из нерабочего положения / в рабочее положение II ртуть попадает в измерительный баллон /, отсекает некоторый объем газа и сжимает его в измерительном капилляре 2. Давление газа оценивается по разности уровней ртути в капиллярах 2 и 3. С вакуумной системой такие манометры сообщаются гибким шлангом или шлифовым соединением, допускающим вращение.
Пределы измерений поворотных манометров обычно составляют 10"1—10-3 мм рт. ст. Это связано с гораздо меньшим количеством ртути, используемым в поворотном манометре, по сравнению с неповоротным.
В некоторых случаях отказываются от измерения поворотными манометрами очень низких давлений, чтобы поднять верхний предел измерения. Один из таких манометров показан на рис. Ш.22. Он состоит из укороченного U-об* разного и простого компрессионного манометров, присоединенных к средней расширенной части, снабженной шлифовым соединением и служащей резервуаром для ртути. Поворачивая манометр из нерабочего положения I в рабочее положение II, производят измерение по методу укороченного U-образного манометра в области давлений от 1 до нескольких десятков миллиметров ртутного столба. При повороте в положение III давление измеряется по методу квадратичной шкалы компрессионного манометра. Вследствие большого сечения резервуара положение уровня ртути в нем практически не зависит от уровня ртути в измерительном капилляре. Нижний предел давлений, измеряемых таким манометром, достигает уровня 10~2 мм рт. ст.
Из рассмотренного выше видно, что компрессионные манометры могут быть полностью рассчитаны, и поэтому они используются в качестве эталонных приборов при градуировке других типов вакуумметров. Другим достоинством их является простота и легкость изготовления, которое сводится в основном только к стеклодувным работам.
Однако компрессионные манометры имеют и ряд существенных недостатков. К ним следует отнести наличие в манометре ртути, которая является источником загрязнений как вакуумной системы, так и рабочего помещения. Замена ртути органическими маслами или другими жидкостями с низкой упругостью пара устраняет этот недостаток, но при этом появляются другие неудобства, связанные, например, с растворением газов и паров в масле и с необходимостью обезгаживания рабочей жидкости перед измерением. Это очень усложняет конструкцию манометра. Поэтому, хотя использование масляных компрессионных манометров дает увеличение чувствительности более чем в 10 раз, они не получили широкого распространения.
Компрессионный манометр не пригоден для непрерывного контроля за изменением давления, так как процесс измерения требует проведения ряда манипуляций (поднимание и опускание ртути), занимающих сравнительно большое количество времени.
Используемое в манометре сильное сжатие газа (104—10° раз) не позволяет измерять парциальные давления легко конденсирующихся газообразных компонентов (паров), входящих в состав атмосферного воздуха (СО2, Н2О и др.), так как последние при сжатии переходят в жидкое состояние. Поэтому для получения точных показаний при измерениях давления компрессионными манометрами необходимо применять вымораживание паров в вакуумной системе при помощи охлаждаемых ловушек. То же самое относится и к парам ртути, налитой в манометр. В измерительной части манометра парциальное давление насыщенных паров ртути всегда будет на уровне ~10~3 мм рт. ст. Поскольку влияние такого давления на измеряемую разность уровней практи-
Преимущества и недостатки компрессионных манометров
Принцип работы термомолекулярных манометров, которые иногда называют радиометрическими или термометрическими, основан на использовании термомолекулярных сил, возникающих между двумя поверхностями, помещенными в вакуум и обладающими различными температурами. Этот эффект проявляется тогда, когда средняя длина свободного пробега молекул превышает расстояние между поверхностями.
В самом деле, пусть в сосуде с разреженным газом находятся две параллельные пластины 1 и 2 (рис. 111.23), имеющие различные температуры. Если пластина / имеет температуру T[f равную температуре стенок сосуда, а пластина 2 — более высокую температуру Т2, то внешняя поверхность пластины 1 будет бомбардироваться молекулами газа, обладающими средней квадратичной скоростью Ук1, соответствующей температуре С такими же скоростями молекулы будут отражаться (десорбироваться) от пластины 1. Внутренняя же сторона пластины 1 будет бомбардироваться молекулами, летящими от пластины 2 и имеющими среднюю квадратичную скорость Uk2>Uki- Следовательно, пластина 1 получит от молекул газа в единицу времени со стороны, обращенной к пластине 2, большую энергию, чем с противоположной. В результате этого пластина 1 будет отталкиваться от пластины 2.