Методы измерения низких давлений — общие сведения
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ НИЗКИХ ДАВЛЕНИЙ — ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Состояние разрежения газа (вакуум) в откачиваемом объеме можно количественно охарактеризовать абсолютным давлением, т. е. оценивать остаточное давление как силу, действующую на единицу поверхности измерительного элемента. При этом измеряемое давление (рабс) принято отсчитывать от абсолютного нуля. Величина рабе (Рабс>Ратм) и может служить количественной характеристикой вакуума. Таким образом, понятие вакуум имеет смысл обычной физической величины, которую можно измерять в единицах давления.
Количественной характеристикой вакуума также может служить разность между атмосферным и абсолютным давлением внутри откачиваемого сосуда. Однако при этом под вакуумом следует понимать некоторую разреженность по сравнению с атмосферным давлением.
На практике пользуются и первой и второй характеристикой вакуума, и их выбор определяется характером изучаемого процесса. В том случае, когда ход процесса не связан с внешним (атмосферным) давлением (например, откачка электровакуумного прибора), следует измерять абсолютное давление внутри откачиваемого объема. Если же состояние системы определяется разностью между атмосферным и абсолютным давлением внутри нее (например, процессы, происходящие -в некоторых типах вакуумных насосов), то для ее характеристики удобно пользоваться разностью давлений (ратм— Рабе), так как сила, действующая на рабочий элемент системы, будет зависеть от разности между атмосферным и абсолютным давлением внутри нее. Очевидно, что при первом и вто-
Связь между состоянием разрежения
ром методах количественной характеристики состояния разрежения не обязательно знать абсолютное значение атмосферного давления. Поэтому в дальнейшем мы рассмотрим физические основы методов измерения только абсолютных значений низких давлений.
измерения низких давлений
Нижний предел достигаемых в настоящее время разрежений отодвигается в сторону все более низких давлений. В лабораторных условиях уже получают вакуум порядка 10~14 мм рт. ст. Таким образом, если этот уровень разрежения сравнивать с атмосферным давлением,
то необходимо располагать прибора-м и, . позвол яю щи м и измерять абсолютные давления в диапазоне примерно 17 порядков (при измерении его в миллиметрах ртутного столба). Согласно установившейся традиции, приборы для измерения низких давлений называют
Таблица III. 1
Допустимые относительные погрешности, %
манометрами или
вакуумметрами. Поэтому обычно не различают по названию приборы, измеряющие абсолютные давления непосредственно (манометры), и приборы, позволяющие судить о состоянии разрежения косвенным путем — по зависимости некоторых физических процессов от давления (вакуумметры).
Большое значение при конструировании вакуумметров имеют требования к точности предполагаемых измерений. Естественно, что на таком большом диапазоне измеряемых давлений они не могут быть одинаковыми. В табл. III. 1 приведены допустимые погрешности измерения абсолютных давлений вакуумметрами в различных диапазонах. Погрешности серийных промышленных приборов, как правило, значительно больше указанных в таблице.
Диапазон и точность
Единицы измерения низких давлений
В некоторых зарубежных странах давление в 1 мм рт. ст. называют «тор» -в- честь известного итальянского физика Торричелли, первого исследователя давления воздуха и изобретателя U-образного манометра. При определении тора была использована Утво часть нормальной (физической) атмосферы, равной 1 013 250 дин/см2. В результате такого определения 1 тор оказался меньше 1 мм рт. ст. на 10~7 часть своей абсолютной величины, что практически не имеет никакого значения.
Среди других единиц для измерения давления можно назвать физическую атмосферу (атм) (1 атм— = 1,0333 кгс/см2=760 мм рт. ст.), техническую атмосферу (ат) (1 ат= кгс/сл/2=735,52 мм рт. ст.) и бар (1 бар=10б дин/см2—750,06 мм рт. ст,). Однако эти единицы, как и единица 1 мм вод. ст. = 0,073552 мм рт. ст., в вакуумной технике применяются очень редко.
Принятая с января 1963 г. Международная система единиц СИ предусматривает для измерения давления в любом диапазоне (в частности, в вакуумной технике) одну единицу — ньютон на квадратный метр (н/м2)— — 1 н/м2=0,00750 мм рт. ст. и 1 мм рт. ст. = 133,322 н/м2. Отсюда следует связь между измерениями одного и того же давления в этих системах единиц р [н/м2] = = 133,322 р [мм рт. ст.].
При грубых расчетах в области низких давлений можно использовать приближенный переходной множитель 1 мм рт. ст. 100 н/м2.
Наиболее распространенной единицей измерения давления в вакуумной технике является миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.). Хотя эта единица является внесистемной, она удобна для измерения низких давлений. Под давлением 1 мм рт. ст. понимается давление, которое создает вес столба ртути высотой в 1 мм при стандартных условиях: 7’=0°С, нормальное ускорение силы тяжести Ян=9,80665 м/сек2, плотность ртути ро~ 13,5951 г/см2. Таким образом,
для измерения низких давлений
Все многочисленные приборы для измерения низких давлений можно условно разделить на пять групп, положив в основу классификации физический принцип, который использован в их работе.
В первую группу входят приборы, в которых используется механическое воздействие давления на измерительный элемент. К ним относятся гидростатические и деформационные манометры. Их градуировочные характеристики могут быть рассчитаны с достаточно высокой точностью, и градуировка не зависит от рода газа, заполняющего измерительный объем.
Работа второй группы манометров основана на использовании закона Бойля — Мариотта. Она включает компрессионный манометр и его разновидности.
В основе работы третьей группы манометров лежат законы кинетической теории газов (радиометрические и вязкостные манометры).
Четвертая группа объединяет все тепловые манометры, где используется зависимость теплопроводности газа от давления. Представителями этой группы являются манометр сопротивления, термопарный манометр и манометры расширения.
Самой многочисленной является пятая группа, куда входят все ионизационные манометры. Работа приборов этой группы основана на использовании ионизации остаточного газа. Сюда относятся термоэлектронные ионизационные, магнитные электроразрядные и радиоизотопные манометры.
Классификация приборов
Наконец, вакуум в исследуемом объеме можно характеризовать также молекулярной концентрацией, отнесенной к нормальным условиям (Г=0°С). В самом деле, в разделе I мы получили выражение p=nkT. Тогда при давлении 1 мм рт. ст. и Т=273° К (0° С) в 1 см2 газа содержится 3,5-1016 молекул. Отсюда получаем связь между давлением р (в мм рт. ст.) и молекулярной концентрацией и0, отнесенной к 0° С,
Диапазоны давлений, измеряемых упомянутыми выше группами манометров, показаны на рис. IIL1. Здесь сплошными линиями указаны области измеряемых давлений для промышленных образцов приборов, а пунктирными— диапазоны давлений, измеряемых специальными конструкциями приборов лабораторного образца. Облас
ти рабочих давлений отдельных представителей названных групп манометров будут указаны ниже при рассмотрении их работы.
Прежде чем перейти к описанию отдель-
ных групп манометров, следует отметить, что измерение низких давлений связано с предельно малыми механическими силами, являющимися мерой давления. Так, при давлении ~10~4 мм рт. ст. на 1 см2 стенки действует сила ~ 1,333-102 н (1,36-10~4 г). При меньших давлениях эта сила становится исчезающе малой, и непосредственно измерить ее практически невозможно. Поэтому разумный нижний предел давлений, оцениваемый современными механическими деформационными манометрами, достигает уровня ~ 10"4 мм рт. ст.
В других типах манометров измерение низких давлений связано с дополнительной затратой энергии. В компрессионных манометрах, как увидим ниже, это работа сжатия газа, в ионизационных — энергия, расходуемая на ионизацию газа, и т. д.
При измерениях ниеких давлений часто приходится решать вопрос о выборе типа манометра, наиболее подходящего для условий конкретного эксперимента. Здесь нужно не только учитывать точность и диапазон измеряемых давлений, но также знать чувствительность манометров к различным газам и свойственные им недостатки.
