Термомолекулярные манометры
Термомолекулярные манометры
МАНОМЕТРЫ, РАБОТА КОТОРЫХ
ОСНОВАНА НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЗАКОНОВ КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ГАЗОВ
Для измерения низких давлений можно использовать также зависимость энергии теплового (хаотического) движения некоторой совокупности молекул газа от степени разрежения. В зависимости от характера явления различают две группы манометров: термомолекулярные и вязкостные.
название термомолекулярного эффекта. Сила отталкивания пластин может быть подсчитана как разность количества движения, передаваемого молекулами газа пластине 1 при ударе о нее с внутренней и внешней сто
Воспользовавшись полученными ранее выражениями для v, Ukj и U1.2 (см. раздел I, 2.3, 2.4), равенство (III.22) можно преобразовать .к виду
рон,
где v — число ударов молекул о единицу поверхности за единицу времени;
т — масса молекулы газа;
s — поверхность пластины.
Из полученной формулы следует, что показания термомолекулярного манометра не зависят от рода газа, поэтому манометры этого типа также являются абсолютными, показывающими давление газа, соответствующее температуре баллона Т. Физический смысл этого утверждения состоит в том, что сила, действующая на подвижной элемент (пластину), пропорциональна давле-
mU к2
нию р, изменяемому величиной н —- , которая (как это следует из кинетической теории газов) при одной и той же температуре одинакова для всех газов. Однако в действительности, вследствие того что при ударах о поверхности пластин молекулы за время соударения не приходят в полное тепловое равновесие с ними, постоянная К в выражении (III.26) должна быть функцией коэффициента аккомадации у, т. е. параметра, характеризующего степень обмена энергией между поверхностью и попадающими на нее молекулами.
Коэффициент аккомодации в сильной степени зависит от рода газа, материала, состояния обработки поверхности и ее температуры. При прочих равных условиях у можно оценивать с помощью формулы
Область давлений, измеряемых термомолекулярными манометрами, определяется, с одной стороны, выполнением условия >d (где d — расстояние между пластинами), а с другой-—возможностями измерения малых сил, действующих на подвижную систему манометра. В реальных конструкциях манометров этого типа верхний предел измеряемых давлений обычно не превышает Ю-2 мм рт. ст., а нижний может быть расширен даже в область сверхвысокого вакуума вплоть до 10-9 мм рт. ст.
Таким образом, при постоянных температурах пластин и Т2 получаем линейную зависимость между давлением р и силой /, действующей на пластину 1. т. е.
На рис. ill.24 показано схематическое устройство термомолекулярного манометра Кнудсена. Легкая рамка 1 вместе с зеркальцем 2 подвешена на тонкой крученой нити 3. Против боковых полосок рамки по разные стороны от нее расположены неподвижные пластинки 4, подогреваемые до более высокой температуры с помощью электрических нагревателей 5. Из-за разности температур на подвешенную систему будет действовать крутящий момент, пропорциональный давлению газа в баллоне, вызывающий ее поворот на некоторый угол. Этот угол поворота, отсчитанный при помощи светового луча, отраженного от зеркала 2, и служит мерой давления газа На рис. 111.25 показан типичный вид градуировочной кривой термомолекулярного манометра, из которой видно, что пропорциональность между отклонением зеркала и давлением сохраняется только при низких давлениях, когда длина свободного пробега молекул превышает расстояние между подвешенной рамкой и нагреваемыми пластинами. При высоких давлениях справедливость формулы (Ш.26) нарушается и отклонения зеркальца уменьшаются. При этом также начинает проявляться зависимость отклонения от рода газа.
Несмотря на ряд очевидных достоинств термометрических манометров (большая чувствительность, независимость показаний от рода газа и др.), они обладают и существенными недостатками. К ним относятся хрупкость конструкции, чувствительность к вибрациям и сотрясениям. Это заставляет соблюдать множество мер предосторожности и является причиной того, что термометрические манометры применяются только в лабораторных условиях.
Работа вязкостных, или динамических, манометров основана на использовании зависимости между давлением газа и его вязкостью. Эта зависимость проявляется в той области давлений, когда средний свободный пробег молекул газа является величиной того же порядка, что и размеры сосуда, или превышает их. В этих условиях коэффициент внутреннего трения газа уже не остается постоянной величиной, а начинает проявляться его зависимость от давления (см. рис. 1,7, раздел I). Поэтому можно оценивать давление по изменению внутреннего трения. Различают две конструктивные разновидности вязкостных манометров: демпферные, или вибрационные, и с вращающимся диском.
В демпферных манометрах мерой давления служит затухание колебаний .какого-либо колеблющегося элемента, помещенного в газ, давление которого нужно измерить. В манометре, изображенном на рис. III.26, таким элементом служит кварцевая нить толщиной в несколько десятых долей миллиметра, закрепленная в верхней .части. Чтобы заставить нить совершать колебательное движение, на нижнем ее конце прикрепляют небольшой кусочек железа и с помощью магнита выводят из положения равновесия. Вследствие трения о газ колебания кварцевой нити будут затухающими. При определении затухания обычно измеряют время /п, в течение которого амплитуда колебаний уменьшится до половины своего начального значения.