Измерение общих давлений
Измерение общих давлений
Классификация методов и приборов для измерения общих давлений
Область давлений, используемая в современной вакуумной технике, 105… 10—12 Па. Измерение давлений в таком широком диапазоне не может быть обеспечено одним прибором. В практике изменения давления разреженных газов применяются различные типы преобразователей, отличающиеся по принципу действия и классу точности.
Приборы для измерения общих давлений в вакуумной технике называют вакуумметрами. Они обычно состоят из двух частей: манометрического преобразователя и измерительной установки. По методу измерения вакуумметры могут быть разделены на абсолютные и относительные. Показания абсолютных приборов не зависят от рода газа и могут быть заранее рассчитаны. В приборах для относительных измерений используют зависимость параметров некоторых физических процессов, протекающих в вакууме, от давления. Они нуждаются в градуировке по образцовым приборам. Вакуумметры измеряют общее давление газов, присутствую-
щих в вакуумной системе. На рис. 6.1 показаны диапазоны рабочих давлений различных типов вакуумметров.
Деформационные преобразователи
К Деформационным преобразователям относятся трубчатые и мембранные преобразователи.
Трубка Бурдона (рис. 6.2)—деформационный манометр в виде спиральной трубки 2, скручивающейся под действием атмосферного давления в случае откачки внутренней полости за счет разных радиусов кривизны, а следовательно, и площадей наружной и внутренней поверхностей трубки.
Подсчитаем силы Б и F2, действующие соответственно на поверхности с большим и меньшим радиусами:
где ратм — атмосферное давление; р — давление в трубке; At и Л2 — площади наружной и внутренней поверхностей участка спиральной трубки.
Измерительное уравнение связывает между собой перемещение конца трубки х и разность давлений ратм—р соотношением
где с — жесткость трубки.
Манометр измеряет давления в пределах 105… 103 Па. Измерение давлений ниже 103 Па затруднено тем, что трубка при малой жесткости должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать атмосферное давление. Погрешность измерения равна 5% и ограничена упругим последействием трубки — медленным возвращением трубки в исходное положение после упругой деформации.
К вакуумной системе манометр подключается через штуцер 4. Регистрация перемещения спиральной трубки обычно рычажно-стрелочная, когда конец спиральной трубки связан через зубчатый сектор 3 со стрелкой 1.
Деформационные мембранные преобразователи различаются в зависимости от способа регистрации перемещения мембраны и метода измерения. В барометрах используется схема, показанная на рис. 6.3, а. Внутри герметичной полости, образованной мембранами 1, создается сравнительное давление Рср. Если измеряемое давление р не равно рср, то происходит деформация мембран и перемещение стрелки, пропорциональное разности давлений (рСр—p)—kx, гдеk — коэффициент пропорциональности.
Такоц прибор измеряет разность давлений и поэтому называется дифференциальным.
На этом же принципе работает мембранный преобразователь (рис. 6.3, б), но в нем применен емкостный метод регистрации перемещения. Мембрана 2 в этом приборе герметично разделяет корпус 1 на две камеры, в одной из которых поддерживается сравнительное давление рСр, а другая присоединяется патрубком 5 к вакуумной системе. Через изолятор 4 в нижнюю камеру вводится электрод 3, образующий с мембраной конденсатор, емкость которого является функцией давления. Этот преобразователь может измерять абсолютное давление в вакуумной системе, если рср—0.
Мембранный преобразователь с двумя электродами (рис. 6.3, в) работает при нулевой деформации мембраны. На электрод 2 подается переменное напряжение, позволяющее определить емкость и положение мембраны. На электрод 1 прикладывается постоянное напряжение, которое за счет электростатических сил возвращает мембрану к исходному положению, компенсируя воздействие разности давлений. Разность давлений в этом приборе пропорциональна квадрату постоянного напряжения, приложенного к электроду 1.
Диапазон измерения мебранных преобразователей 105… 10-1 Па. Но так как линейность показаний сохраняется только при небольших деформациях мембраны, то один прибор может измерять давления, лежащие в пределах 2… 3 порядков.
Нижний предел, измерения ограничивается температурными деформациями, минимальной жесткостью и прочностью мембраны. Преобразователи с электростатической компенсацией деформации мембраны имеют более стабильные характеристики.