Гідростатичні перетворювачі

Найпростішими гідростатичними перетворювачами є рідинні манометри з відкритим і закритим коліном. Різниця тисків р і р_сер, яка вимірюється цими манометрами врівноважується вагою стовпа рідини висотою h:

де g – прискорення земного тяжіння; ρ – щільність рідини.

Манометри з відкритим коліном (рис.4.2,а) зручніші для вимірювання тисків, близьких до атмосферного. У цьому випадку р_сер = р_атм і висота стовпа h мінімальна. Показання такого манометру залежить від атмосферного тиску.

У закритому коліні манометру (рис. 4.2, б) перед його заповненням одержують тиск р_сер≈ 0, що дозволяє безпосередньо вимірювати абсолютний тиск газу у вакуумній системі. У цьому випадку показання приладу не залежать від атмосферного тиску. Менші габарити при вимірюванні малих тисків (менш ніж 2∙10⁴Па) має манометр із закритим коліном.

У якості робочої рідини для заповнення розглянутих манометрів застосовується ртуть і масло. Масляні манометри мають більшу чутливість, тому що щільність масла приблизно у 15 разів менше за щільність ртуті. Однак масло гарно розчиняє гази, і перед роботою потрібне його ретельно знегажування.

Рис. 4.3 Рідинні манометри: а – з відкритим коліном; б – із закритим коліном

Межі вимірювання ртутних манометрів 10⁵-10³Па, а масляних - 10⁵-10⁰Па. Похибка при відліку рівня h може бути доведена до 0,1мм. Більш точний вимір рівня не має сенсу через мінливість величини поверхневого натягу, коливань щільності температурних градієнтів робочої рідини тощо. Чутливість манометрів до перепаду тисків більшою мірою обмежується в’язкістю самої рідини.

Гідростатичні манометри з попереднім стисканням газу називаються компресійними. Компресійний манометр (рис. 4.4) складається з вимірювального балона 2 з капіляром К₁, резервуара із ртуттю 1, сполучного трубопроводу 3 з капіляром К₂. Через пастку 4 манометр підключається до вакуумної системи. Балон 2 перед початком вимірів з’єднується з вакуумною системою через трубку 3. Із балона 1 під тиском атмосферного повітря ртуть піднімається нагору по трубці Т, відключає балон 2 від вакуумної системи й стискає замкнений у балоні газ до тиску, яким можна безпосередньо виміряти по різниці рівнів ртуті в закритому й порівняльному капілярах К₁ і К₂. Після компресії тиск вимірюється так само, як у випадку звичайного ртутного манометра із закритим коліном.

Рис. 4.4. Компресійний манометр

Рівняння компресійного манометра на підставі закону Бойля -Маріотта має такий вигляд:

(4.1)

де р- тиск, який вимірюють; V₀-початковий об’єм газу, що стискають; h - різниця рівнів у порівняльному й закритому капілярах;

- кінцевий об’єм газу після стискання; d_k- діаметр капілярів. Вирішуючи (4.1) відносно тиску р, одержимо:

За умови, що h₁pd²_k/4 значно меньше V₀,

(4.2)

Якщо ртуть у закритому капілярі манометра завжди піднімати до одного й того ж самого рівня, то h₁ буде величиною постійною й рівняння (4.2) можна записати як:

;

Цей спосіб вимірювання тиску називається методом лінійної шкали.

Для розширення меж вимірювання можна скористуватися методом квадратичної шкали, при якому стискання у манометрі здійснюється так, щоб ртуть у порівняльному капілярі К₂ завжди встановлювалася на одному рівні із запаяним кінцем закритого капіляру К₁. При цьому h = h₁. Тоді рівняння (4.2) можна записати:

;

Діапазон вимірів компресійних манометрів 10¹-10^-3Па. Труднощі у вимірюванні більш низьких тисків пов’язані з мінливістю капілярної депресії ртуті (зниження рівня ртуті у капілярі в порівнянні з її рівнем у сполученій з капіляром широкій посудині), дією струменю ртутної пари, який здійснює відкачку з манометра в пастку; відмінністю форми кінця запаяного капіляра від форми меніски ртуті, що об׳межує мінімальне значення h на рівні 5-10мм. Крім того, за технологічними міркуваннями діаметр капілярів не може бути менший за 1мм, а об’єм вимірювального балону визначається міцністю скла й зазвичай не перевищує 1л, що дає максимальне значення коефіцієнту компресії 2,5·10⁵.

Для вимірювання більш високих тисків потрібен манометр із дуже довгими (або змінними за перерізом) капілярами. В області тисків більших 10Па вже можна використовувати звичайні гідростатичні манометри без попереднього стискання газу. Для зменшення дії відкачування струменя ртутної пари трубка Т зроблена у вигляді капіляра, що охолоджується водою.

Компресійний манометр відноситься до абсолютних приладів і використовується як зразковий для градуювання інших приладів. Його показання не залежать від роду газу.

Однак компресійним манометром не можна виміряти тиск пари тих речовин, у яких пружність насиченої пари при температурі вимірювання менше тиску у вимірювальному капілярі після стискання; не можна здійснювати безперервне вимірювання тиску. Недоліком манометра є також те, що він повинен приєднуватися до вакуумної системи через азотну пастку.

Теплові перетворювачі

Принцип дії теплових перетворювачів заснований на залежності теплопередачі через розріджений газ від тиску. Передача тепла здійснюється від тонкої металевої нитки до балону, що знаходиться при кімнатній температурі. Металева нитка нагрівається у вакуумі шляхом пропущення електричного струму.

Рівняння теплового балансу такого приладу можна записати у наступному вигляді

(4.3)

де І – сила струму, що проходить через нитку; R – опір нитки; Е_к, Е_т, Е_в, Е_м – втрати тепла відповідно за рахунок конвекції; теплопровідності газу; випромінювання нитки й теплопровідності матеріалу нитки.

Конвективним теплообміном в області середнього й високого вакууму можна зневажити, тобто Е_к ≈ 0, а втрати тепла випромінюванням

Тут А – поверхня нитки; К_в – коефіцієнт випромінювання матеріалу нитки; Т_н і Т_б – температури нитки й балону.

b – коефіцієнт теплопровідності матеріалу нитки; f – переріз нитки.

(4.4)

де – коефіцієнт теплопровідності газу. В області низького вакууму р»В і коефіцієнт теплопровідності газу не залежить від тиску. Тиск р ≈ В, що відповідає переходу із середнього у низький вакуум, є верхнею межею вимірювання теплового манометру. В області високого вакууму, коли р « В, коефіцієнт теплопровідності пропорційний тиску й має вигляд

(4.5)

Вимірювальне рівняння теплового перетворювача з урахуванням рівнянь (4.3),(4.4),(4.5) можна записати

(4.6)

Для точного вимірювання тиску необхідно, щоб Е_т складало значну частку від Е_в+Е_м, тобто сума Е_в+Е_м була б істотно менша за потужність I²R, що виділяється у нитці манометра. Тому умова :

визначає нижню межу вимірювань манометра.

З рівняння (4.6) видно, що тиск є функцією двох змінних: току розпечення І й температури нитки Т_н.

Існують два методи роботи теплових манометрів: метод постійної температури нитки й метод постійного струму розпечення. Градуюровочні криві теплового манометра, які показані на рис. 4.5 для обох методів роботи, являють собою в середній частині відповідно параболу та гіперболу. Кінці градуюровочних кривих у верхній та нижній межі вимірювання не описуються рівнянням (4.6) і переходять у лінії, паралельні осі тиску.

Рис. 4.5 - Градуюровочні криві теплового перетворювача:

а – при постійному струмі розпечення; б – при постійній температурі нитки

Для розширення верхньої межі вимірювання теплового перетворювача варто зменшувати його габарити, що збільшує відношення L/d і зсуває межу низького вакууму у бік більш високих тисків.

Залежність коефіцієнта конвективного теплообміну від тиску використовується для вимірювання тисків в області низького вакууму. Недоліком цього способу є залежність показань приладу від його положення у просторі.

Нижню межу вимірів теплових перетворювачів можна поліпшити, зменшуючи частку (Е_в+Е_м) у сумі теплових втрат нитки. Це може бути досягнуто зниженням температури нитки й зменшенням діаметра вводів, що з’єднує нитку з балоном.

Показання теплових перетворювачів визначається співвідношенням К_тр і залежать від роду газу. Перетворювач буде давати однакові показання при виконанні наступних умов:

Прилади, що випускаються промисловістю, проградуйовані за сухим повітрям. Якщо необхідно виміряти тиск інших газів, то потрібно врахувати відносну чутливість приладу до даного газу:

(4.7)

де р_п і К_Тп – тиск і коефіцієнт теплопровідності повітря; q_r = К_Т/К_Тr – коефіцієнт відносної чутливості.

Значення q_n для різних газів стосовно повітря можуть відрізнятися у кілька разів.

Якщо перетворювач вимірює тиск суміші газів, то його показання будуть виражені в повітряному еквіваленті р_п

(4.8)

З визначення відносної чутливості (4.7) виходить, що

то вираз (4.8) можна записати у вигляді

Розділивши обидві частини рівняння на р_см, одержимо

1/q_см = V₁/q₁ + V₂/q₂ + V_n/q_n

де V₁ ... V_n – об׳ємні концентрації відповідних газів, причому .

Таким чином, коефіцієнт відносної чутливості для суміші газів визначається за формулою

(4.9)

Теплові перетворювачі залежно від способу вимірювання температури поділяються на термопарні й перетворювачі опору.

Електронні перетворювачі

Принцип дії електронного перетворювача заснований на прямій пропорційності між тиском та іонним струмом, що утворюється у результаті іонізації термоелектронами залишкових газів. Існує дві схеми електронного перетворювача: з внутрішнім й зовнішнім колектором.

Схема з внутрішнім колектором (рис. 4.6,а) аналогічна звичайному тріоду. Колектором іонів є сітка, на яку подається відносно катода

Рис. 4.6. Схеми електронних перетворювачів

а – із внутрішнім колектором; б – із зовнішнім колектором

негативна напруга у кілька десятків вольт, а на анод – позитивна напруга 100-200В. Електрони на своєму шляху від катоду до аноду (струм І_е) зітхаються з молекулами залишкових газів, й позитивні іони, що утворилися, потрапляють на сітку, утворюючи іонний струм І_і, який вимірюється гальванометром.

Магнітні перетворювачі

Принцип дії магнітних перетворювачів заснований на залежності струму самостійного газового розряду у схрещених магнітному й електричному полях від тиску. Електродні системи, які забезпечують підтримку самостійного газового розряду при високому й надвисокому вакуумі, бувають декількох видів.

Комірка Пеннінга (рис. 4.6,а) складається з двох дискових катодів 1 й циліндричного аноду 2.