10.4. Измерение давления газа . Часть 3
Поэтому между вакуумметром и вакуумной системой ставят ловушки с жидким азотом для вымораживания таких примесей.
Вакуумметр Мак-Леода неприменим также для контроля в быстро изменяющемся вакууме. Как правило, на одно измерение уходит 15 - 25 с, в течение которых вакуумметр отключен от вакуумной системы.
Поплавковый вакуумметр Гурского (рис. 245,6) позволяет не-прерывно и непосредственно измерять давление в диапазона» 10-6 - 10-4 торр и 10-4 - 10 торр.
Он состоит из поплавка 2, погруженного в ртуть 5 (на рисунке поплавок поднят) и имеющего несущее кольцо 4 и груз 6. Груз подобран таким образом, чтобы поплавок имел стабильное вертикальное положение и его верхний и нижний штоки меньше касались направляющих выступов 9 верхней и нижней (находится в ртути) трубках сосуда 3. Трубка 7 соединена с вакуумом, значительно более низким, чем измеряемый. Трубка 1 связана с исследуемой системой. Когда внутри и снаружи поплавка давление одинаково, головка штока 11 находится в самом верхнем положении. Если давление в системе выше контрольного в трубке 8 и внутри поплавка, то последний погружается в ртуть на глубину А,. Тогда измеряемое давление р (в торр) равно
(10.9)
где d и D - соответственно внутренний и внешний диаметры поплавка, мм.
Деформационные манометры. К этому типу манометров относят приборы, в которых измеряемое давление определяют по деформации упругих элементов: трубчатых пружин, плоских и гофрированных мембран, мембранных коробок, полых кварцевых спиралей и ложечек.
Мембранный манометр служит главным образом для измерения атмосферного давления при проведении некоторых экспериментов с газами и для измерения небольших давлений в замкнутых пространствах. На рис. 246,а приведен манометр с металлической коробкой 3, из которой выкачан воздух. Коробка имеет гофрированную мембрану 4. При увеличении внешнего давления мембрана вдавливается в коробку и приводит в движение связанный с нею рычажной механизм 2 и стрелку 1, указывающую на значение внешнего давления. Такие манометры называют еще анероидами. Калибруют анероид по ртутному манометру.
Анероид может измерять давление в интервале от 100 до 107 Па с погрешностью 0,5 - 2,5%.
Значение измеряемого давления (чувствительность анероида) зависит от толщины мембраны, диаметра коробки, свойств материала, из которого изготовлена коробка и мембрана, глубины и формы гофрировки.
Манометр Бурдона содержит одновитковую плоскую пустотелую металлическую трубку 2 (рис. 246,6), выполняющую роль упругого элемента. Трубку перед измерением соединяют с источником давления. При повышении давления трубка стремится выпрямиться, при этом ее свободный конец совершает движение, приблизительно пропорциональное измеряемому давлению. Это движение передается при помощи рычага 4, зубчатого сектора 5 и колеса 6 стрелке 3. Отсчет давления по перемещению стрелки является довольно грубым, но удобным.
Диапазон измеряемого давления манометром Бурдона составляет от 0,1 до 2500 МПа с погрешностью 0,2 - 4,0%.
Вакуумметр Боденштейна (рис. 247,о) состоит из полой кварцевой спирали 2, находящейся в сосуде 3, и кварцевой нити 4, на конце которой закреплено либо зеркало 6 для наблюдения за поворотом нити, либо острие 7, отклоняющееся от нулевого положения (расположенного под ним острого конуса). Движение острия и зеркала происходит тогда, когда прибор через трубку 5 присоединяют к вакуумной системе. Воздух, находящийся в расширении 1 и спирали, раскручивает ее. Отсчеты показаний отклонения светового луча или иглы производят с помощью лупы 8 или микроскопа. Прибор реагирует на изменение давления в 5 - 10 Па. Перепад давлений между внутренней частью спирали и окружающим ее пространством не должен превышать 2*10-4 Па (150 торр).
Вакуумметр Боденштейна можно использовать в сильно агрессивной среде, так как газы в нем приходят в соприкосновение только с кварцем. Он выдерживает также нагревание до 500 oC без заметного изменения положения нулевой точки.
Однако при использовании таких вакуумметров необходимо обеспечить надежное крепление прибора, исключающее какие-либо сотрясения. Диапазон измеряемого давления вакуумметрами Боденштейна составляет 103 - 105 Па (10- 760 торр).
Боденштейн Макс (1871-1942) - немецкий химик, исследовал кинетику газовых химических реакций.
Ложечковый вакуумметр(рис. 247,6) состоит из сосуда 3, пустотелой кварцевой ложечки 4, имеющей на конце острие 5, выполняющее функции стрелки, и указателя нулевого положения 6. Этот прибор является чувствительным датчиком, его соединяют через трубку 2 со стандартным вакуумметром. Перед измерением давления сосуд 3 откачивают так, чтобы оставшийся в нем воздух имел меньшее давление, чем давление в измеряемой системе. Затем трубку 1 соединяют с этой системой. Ложечка из-за разнести давлений изгибается, и острие 5 отклоняется от указателя нулевого положения 6. После этого в сосуд 3 осторожно впускают воздух и следят за положением острия 5. При совпадении его с указателем нулевого положения 6 закрывают кран на трубке 2 и отмечают значение давления, показываемого вакуумметром, присоединенным к трубке 2.
Толщина стенки ложечки составляет 0,5 - 0,8 мм, а диаметр острия 5 1,5 - 2,0 мм при длине 150 - 200 мм. Если к сосуду 3 присоединить микроскоп с окуляром, имеющим шкалу, и прокалибровать отклонения острия по стандартному вакуумметру, то надобность в отдельном вакуумметре отпадает.
Тепловые вакуумметры. Тепловые вакуумметры применяют для измерения значений среднего вакуума в интервале от 1 до 10 Па. Их действие основано на линейной зависимости теплопроводности газов от давления. Несмотря на некоторые недостатки тепловых вакуумметров - зависимости показаний от состава газа и температуры окружающей среды, инерционности и погрешности измерений, достигающей 10 - 40%, - они успешно конкурируют с ртутными вакуумметрами, так как в них не и пользуется ртуть. Что касается погрешности измерений, то она самая маленькая среди электронных вакуумметров. Например, ионизационных и магнитных электроразрядных вакуумметров погрешность составляет соответственно 30 - 50% и 60%.
Рис. 247. Кварцевые вакуумметр Боденштейна (а) и ложечковый (б)
рис. 248. Манометр Пирани со свободно подвешенной нитью (а) и с натянутой нитью накаливания (б):
а: 1 - колба; 2 - нить накаливания; 3 - трубка; А - миллиамперметр; Б| и - постоянные источники тока с напряжением соответственно 4 и 20 В; Д - реостаты с сопротивлением 25 Ом
Наиболее известен среди тепловых вакуумметров - вакуумметр Пирани.
Прибор представляет собой стеклянный баллон 1 (рис. 248,а) диаметром 12-15 мм, в котором свободно подвешена платиновая нить 2 диаметром 0,06 мм и длиной 70 мм. Стеклянный баллон с такой подвеской укрепляют только вертикально. В других конструкциях (рис. 248,б) нить 4 растягивают в баллоне при помощи пружин 2. В этом случае баллон 1 может занимать любое положение. Баллон соединяют через трубку 3 с прибором, давление в котором надо измерить.
Если проволоку нагреть электрическим током, то окружающий ее газ (в зависмости от давления) понизит температуру нити за счет теплопроводности, в результате изменится и электропроводность проволоки. Мерой давления будет служить значение силы тока, необходимой для поддержания свечения нити. (Баллон с нитью затемняют чехлом или закрашивают в черный Цвет, оставляя окно для наблюдения за свечением нити.)
Установлено, что достаточно изменения силы тока всего на ±5%, чтобы яркость свечения накаленной нити изменилась на 50%. Температуру нити определяют визуально по яркости накаливания или при помощи термопары, приваренной к центру нити.
Калибруют манометр Пирани по ртутному манометру для каждого газа отдельно.
Для этого его соединяют через трубку 3 с вакуумной системой, в которой вакуум несколько больше работает, например 104 Па (100 торр). Затем при помощи реостата R1 устанавливают ток, при котором нить начинает светиться (около 450 °С).
Ток, протекающий через миллиамперметр компенсируется встречным током от батареи Б2, Регулируемым реостатом R2. Положение ручки реостата R2 фиксируют и в дальнейшем не изменяют. При уменьшении давления ток, необходимый для поддержания свечения нити на прежнем уровня падает, и нить гаснет, схема разбалансируется и стрелка миллиамперметра (50 - 100 мА) отклоняется. Это отклонение и является мерой давления газа в баллоне 1. Восстанавливают свечение нити реостатом R1.
Наибольшая чувствительность манометра Пирани лежит в области 10-4•103 Па (0,07 - 30 торр), где сила тока линейно зависит от логарифма давления газа.
Другие части:
10.4. Измерение давления газа . Часть 1
10.4. Измерение давления газа . Часть 2
10.4. Измерение давления газа . Часть 3