Меню

Как приборами можно измерить вакуум



КАК ИЗМЕРЯЮТ ВАКУУМ

Ри сильном разрежении газа обычно измеряют не ваку­ум, а величину давления газа, которое существует в ва — куумированном пространстве. Измерить это давление не легко. Точно измерить давление в несколько тысячных и даже миллионных долей миллиметра ртутного столба при помощи простой барометрической трубки невозможно.

Как же измерить степень разрежения при высоком ва­кууме? Это делают прямым или косвенным путем. При кос­венном измерении вакуума измеряют не величину давления газа, а какое-либо свойство газа, которое легко поддается измерению и в большой степени зависит от величины ваку­ума. Такой прием часто используется в науке и технике. На­пример, для измерения средней энергии движения частиц данного тела, характеризуемой температурой, мы измеряем расширение ртути или другой жидкости в трубке термо­метра.

Самые различные физические явления используются для измерения вакуума. На схеме (рис. 21) представлены при­боры, при помощи которых измеряется вакуум различной величины.

Обычные давления в пределах от 1 до 760 мм ртутного, столба измеряются при помощи пружинного вакуумметра, барометрической трубки или и-образного манометра, за­полненного ртутью или другой жидкостью. Их устройство просто и общеизвестно. При понижении давления газа до десятых и сотых долей миллиметра ртутного столба точность манометров с прямым отсчетом давления газа по высоте столба жидкости становится недостаточной. Тогда его начи­нают измерять косвенно.

В лабораторных условиях для измерения вакуума от

1 до 1-10“5 мм ртутного столба используются так называе­мые компрессионные манометры. Их действие основано на

Рис. 21. Области применения различных приборов для измерения вакуума.

1 — мембранный манометр; 2 — жидкостный; 3 — компрес­сионный; 4 — теплоэлектрический; 5 — электроразрядный;

Законе Бойля—Мариотта. Ученые решили, что если трудно измерить малое давление газа, то можно взять большой объ­ем газа, сжать его в несколько десятков или сот раз, а затем измерить давление. Наиболее известен компрессионный ма­нометр английского физика Мак-Леода. В этом манометре (р-ис. 22) разреженный газ заполняет определенный, извест­ный объем 3, в который при помощи подвижного сосуда 4 вводится ртуть. Газ сжимается и заполняет часть калиб­рованного капилляра 2 известного объема. Зная объем и давление газа после сжатия и зная исходный объем, не­трудно рассчитать по закону Бойля—Мариотта и исходное давление газа.

Для определения давления газа при вакууме до 10

4 мм ртутного столба используются также тепловые и электри­ческие свойства газов, которые сильно изменяются при разре­жении. Способность какого-либо газа проводить тепло

Зависит от его плотности. Чем больше давление, под ко­торым находится газ, тем выше его плотность, тем большее количество молекул участвует в переносе тепла.

Рис. 22. Схема компрес­сионного манометра Мак­Леода.

На изменении теплопроводно­сти газов с изменением их плот­ности основано действие термоэлек­трического манометра (рис. 23). В манометре в разреженном про­странстве помещена проволока, которая нагревается током опреде­ленного напряжения. С увеличе­нием разрежения газа количество тепла, отдаваемого проволокой, па­дает, что приводит к повышению ее температуры.

1— соединение с вакуумируе — мым пространством; 2 — ка­либрованный капилляр; 3— мерный сосуд; 4 — подвиж­ной сосуд с ртутью.

Температура в этом случае измеряется при помощи термо­пары (спай двух металлов). В за­висимости от температуры спая термопары в ней возникает ток большей или меньшей силы, который и измеряется чувствительным при­бором.

Рис. 23. Термоэлек­трический мано­метр.

Удобен и электроразрядный маг­нитный манометр (рис. 24). В нем используется способность разреженных электрический ток высокого напря — жения.

В манометре между полюсами посто­янного магнита 1 помещена рамка 4, к которой подведен ток напряжением 3000 вольт. Сила тока при электрическом разряде зависит от разрежения в камере 2 манометра. Измеряя силу тока в момент разряда в камере манометра, можно су­дить и о степени разрежения.

Для измерения наиболее высокого ва­куума применяется ионизационный мано­метр (рис. 25). Устройство его также ос­новано на свойствах электрического раз­ряда в вакууме. В стеклянной запаянной трубке 1 впаяны два металлических электрода 2 и 3, между которыми установлена металлическая сетка 4. При подключении электродов к двум

Противоположным полюсам источника тока втрубкевозникает ток. Электроны, двигаясь в разреженном газе от одного элек­трода к другому, ионизируют попадающиеся на их пути моле­кулы газа. Степень ионизации газа, т. е. количество молекул газа, получивших электрический заряд, или, как их на-

Рис. 24. Электроразрядный магнитный манометр.

1 — магнит; 2 — корпус маномет­ра; 3 — трубка, соединяющая ма­нометр с вакуумированной систе­мой; 4 — рама, к которой подве­ден ток высокого напряжения.

1 — стеклянная трубка;

2 — катод; 3— анод; 4 —

Рис. 25. Схема иониза­ционного манометра.

‘зип сиг^’г илииоппло^ииму дтттр.

Жения. Чем больше давление газа, тем больше молекул иони­зируется и тем больше сила тока между электродами мано­метра. Сила тока измеряется прибором.

Мы видим, что измерить величину вакуума, в особеннос­ти высокого вакуума, не так уже просто. Приходится прибе­гать к обходным путям. Но и с этой сложной задачей совре­менная техника успешно справляется.

Вакуумные приборы должны быть абсолютно герметич­ными; если в них поступает посторонний газ» высокий ва­куум создать нельзя. Например, чтобы уравновесить на­текание газа в вакуумированный сосуд через отверстие
диаметром в одну десятимиллионную миллиметра, необхо­дима непрерывная работа высокопроизводительного насоса. Как же обнаружить течь газа в вакуум-приборе?

Когда на корабле появляется течь воды, ее нетрудно об­наружить, а вот найти место течи газа в вакуумном аппара­те трудно. Обычно это настолько малые и незаметные отвер­стия, что не приходится и говорить о возможности их обна­ружения осмотром.

Читайте также:  Аппарат для измерения сахара accu chek performa

Для обнаружения течей в вакуумной технике применяют­ся различные специальные методы и приборы.

Источник

Измерение давления и вакуума.

Измерение давлений широко используется в теплоэнергетике. Давление характеризует работоспособность отдельных агрегатов. а также ход термо и газодинамических процессов в энергетических установках. С помощью измерения давления определяется скорость и расход жидкости и газа в различных процессах.

По своему назначению приборы для измерения давления и вакуума делятся на:

— манометры избыточного или абсолютного давления;

— барометры — для измерения абсолютного давления атмосферного воздуха;

— вакуумметры — для измерения разности между барометрическим и абсолютным давлениями, когда значение абсолютного давления меньше

— мановакууметры — для измерения как избыточного давления, так и вакууметрического давления;

— дифференциальные манометры — для измерения разности давле­ний, когда ни одно из них не равно атмосферному;

— микроманометры — для измерения малых разностей давлений.

По принципу действия средства измерения давления делят на сле­дующие группы:

— жидкостные приборы давления, у которых измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости;

— грузопоршневые приборы, у которых измеряемое давление урав­новешивается массой груза и поршня;

— деформационные приборы, действие которых основано на исполь­зовании зависимости упругой деформации и усилия, создаваемого чувстви­тельным элементом, от давления;

— электрические приборы, действие которых основано на свойствах отдельных веществ изменять свои электрические параметры под действием давления;

-электроразрядные приборы, у которых используется зависимость ионного тока от давления;

— теплоэлектрические приборы, действие которых основано на за­висимости теплопроводности газового слоя от давления.

Для целей автоматизации экспериментальных исследований про­мышленностью выпускаются соответствующие измерительные средства и устройства на базе унифицированных электрических преобразователей давления и упругих чувствительных элементов.

За единицу давления в СИ принят 1 Па=1 Н/м 2 .

1мм рт. ст. = 133,32 Па; 1кг/м = 1мм вод. ст.= 9,81 Па.

6.1.1 Жидкостные и деформационные приборы давления.

По конструктивному признаку жидкостные манометры подразделяются на:

-U- образные манометры;

Эти манометры используются для определения избыточного давления воздуха и неагрессивных газов до 0,1 МПа, для измерения разности давлений неагрессивных газов в пределах от 0,1 МПа до 7 кПа, а также неагрессивных жидкостей и паров в пределах от 0,1 МПа до 0,4 кПа.

Жидкостные U-образные манометры изготавливаются из стеклянных трубок диаметром 6. 10 мм, заполненных наполовину рабочей жидкостью — ртутью, водой, спиртом, маслом.

Разность давлений DР в манометре определяется выражением

где р — плотность жидкости; g -ускорение свободного падения; h — высота

Погрешность отсчета давления по шкале U-образного и чашечного

манометров составляет 2 мм и 1 мм, соответственно.

Действие деформационных приборов давленияосновано на зависимости

деформации или изгибающего момента упругих чувствительных элементов от давления. Давление определяется в основном линейным перемещением

Деформационные приборы давления используют для измерения давления

в очень широком диапазоне измерений — от 50 Па до 1000 МПа. Их изготавливают в виде манометров избыточного давления, манометров абсолютного давления, вакуумметров, дифференциальных манометров.

Деформационные приборы давления можно разделить на две

1. Приборы давления прямого действия, у которых перемещение

упругого элемента, обусловленное воздействием измеряемого давления или

разности давлений, преобразуется в перемещение отсчетного устройства

для показания или показания и записи измеряемой величины, или измерения

и сигнализации, или только сигнализации об отклонении измеряемого

давления от заданного значения.

Эти приборы обладают простотой устройства и эксплуатации, имеют

невысокую стоимость и поэтому нашли широкое распространение в различных

Манометры и вакуумметры имеют чувствительные элементы, выполненные в форме сильфонов и одновитковых трубчатых пружин.

2. Приборы давления, имеющие передающие преобразователи с

унифицированным выходным сигналом. Выходными сигналами могут

быть сигналы переменного тока, постоянного тока или пневматические

сигналы. Эти приборы, именуемые датчиками,выпускаются как с отсчет-

ным устройством, так и без него. Датчики предназначены для работы с

взаимозаменяемыми вторичными показывающими приборами, самопишущими

приборами, регуляторами и информационно-измерительными системами.

Чувствительными элементами датчиков давления являются пластины,

мембраны, сильфоны и трубчатые пружины.

Приборы давления с сильфонамипредназначены для измерения и

записи вакуумметрических и небольших избыточных давлений до 0,4 МПа.

Выпускаются приборы классов точности 1,5 и 2,5.

Приборы давления с трубчатой пружинойиспользуются для измерения

вакуумметрического давления, а также избыточного давления от 0,1

до 1000 МПа. Они выпускаются в виде рабочих и образцовых приборов. В

свою очередь рабочие приборы бывают повышенной точности, контрольные

Приборы повышенной точностиизготавливаются классами точности

Контрольные приборыизготавливаются классом точности 0,6.

Технические приборыизготавливаются классами точности 1; 1,6;

Образцовые приборыимеют классы точности 0,16; 0,25 и 0,4.

6.1.2 Приборы для измерения вакуума.

Измерение вакуума, т.е. измерение давления разреженного газа, про­изводится с помощью вакуумметров. По принципу действия вакууммет­ры разделяются на следующие типы:

1. Жидкостные вакуумметры, включающие:

— U-образные приборы давления;

— компрессионные приборы давления.

2. Деформационные вакуумметры, включающие:

3. Теплоэлектрические вакуумметры, включающие:

4. Электроразрядные вакуумметры, включающие:

— магнетронные ионизационные вакуумметры;

— магнитные электроразрядные вакуумметры.

Жидкостные U-образные приборы давления используются для изме­рения давления от 0,1 МПа до 500 Па.

Теплоэлектрические вакуумметры применяются для измерения дав­ления в диапазоне от 70 до 0,13 Па. Их действие основано на зависимости теплопроводности ограниченного слоя разреженного газа от давления. Чувствительным элементом теплоэлектрического вакуумметра является тонкая металлическая нить накала, размещаемая в стеклянном баллоне, ку­да подводится измеряемое давление. Нить нагревается электрическим то­ком и охлаждается разреженной средой. Выделяемая нитью джоулева теп­лота частично отводится в результате теплопроводности материала через концы нити, частично рассеивается ее поверхностью в результа­те радиационного теплообмена, частично отводится газом. Тепловой поток отводимый газом прямо пропор­ционален давлению С уменьшением давления Р тепловой поток, отводимый газом, уменьшается и при Р 6 Па. Их действие основано на ис­пользовании зависимости ионного тока от давления. Достоинством электроразрядного вакуумметра является простая электрическая схема включения вакуумметрической лампы. Недостатками магнитного электроразрядного вакуумметра являются сравнительно узкий диапазон измеряемого давления и линейность разрядного тока и давления не во всем диапазоне измеряемо­го давления.

Читайте также:  Измерение тонировки сотрудником дпс

6.2. Измерение скорости и расхода жидкости и газа.

Для измерения скорости наиболее распространены два метода:

Пневмометрический метод измерения скоростей широко распро­странен в исследовательской практике ввиду своей простоты и доступно­сти.

Если скорости течения потока газа или жидкости достаточно малы, т.е. число Маха М

Термоанемометрический метод прибор,основан на зависимости между электрическим сопротивлением или температурой нагретого проводника, помещенного в поток, и скоростью его обтекания.

Чувствительным элементом термоанемометра является проволочный

или пленочный датчик, нагреваемый электрическим током. В проволочном датчике чувствительным элементом является нагреваемая тонкая проволока (нить), соединенная через поддерживающие стойки и корпус датчика с его выводами. Проволочный датчик используется при измерениях в изотермических условиях, а также при температурах потока до 500С. Пленочные датчики применяются в газовых потоках, имеющих температуру более 500С, и, как правило, являются охлаждаемыми. Материалом нити в проволочном датчике является вольфрам, платина или платиновые сплавы (платинородий, платиноиридий). Диаметр нити составляет 1-15 мкм, а длина между стойками 0,5-5 мм. Для обеспечения разности температур между потоком и нитью производится ее нагрев за счет пропускания электрического тока.

Существуют 2 основных режима работы термоанемометра:

— режим постоянного тока;

— режим постоянной температуры.

Режим постоянного тока характеризуется постоянным значением силы тока, протекающего через нить. При воздействии потока на нить происходит изменение температуры нити, вследствие изменения коэффициента теплоотдачи, что приводит к изменению ее сопротивления.

Режим постоянной температуры характеризуется постоянным значением температуры нити, обеспечиваемым изменением силы тока. В этом случае тепловая инерция нити очень мала, что обеспечивает более точные измерения по сравнению с режимом постоянного тока.

Для измерения расхода вещества, т.е. количества вещества, протекающего через сечение канала в единицу времени, служат следующие приборы:

— счетчики количества текучей среды.

Для измерения расхода жидкости или газа бразователя на­зывают наибольшую разность в показаниях прибора или наибольшую раз­ность между выходными сигналами преобразователя, соответствующими одному и тому же значению входного сигнала, но полученными в одном случае при плавном увеличении, а в другом — при плавном уменьшении значения измеряемой величины.

В исследовательской практике очень часто возникает необходимость в измерении величин, меняющихся во времени, т.е.в динамических усло­виях. Результаты таких измерений искажаются дополнительной погрешно­стью, обусловленной динамичностью условий. Эта составляющая погреш­ности называется динамической погрешностью и представляет собой разность между погрешностью средств измерений в динамических услови­ях и соответствующей погрешностью в статических условиях. Причиной появления динамической погрешности является инертность средств изме­рения. Вследствие этой инертности происходит запаздывание в показаниях при регистрации мгновенных значений измеряемой величины.

| следующая лекция ==>
Техника измерений. Виды, методы и средства измерений. |

Дата добавления: 2017-01-29 ; просмотров: 4987 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Вакуумметр – виды вакуумметров и принцип их работы. Вакуумметры Бурдона, компрессионные, механические, мембранные вакуумметры

Этот прибор ещё называют вакуумным манометром, он служит для измерения уровня давления вакуума и газов, находящихся в вакуумной среде. Впервые, вакуумметры понадобились после мирового признания о существовании вакуума. Начало вакуумных измерений было положено венецианским изобретателем Леонардо Да Винчи. Он создал пьезометрическую трубу, с помощью которой смог измерить давление водопроводной трубе. Но более предусмотрительней был его коллега Эванджелиста Торричелли, который запатентовал вакуумметр для измерения давления жидкостей и их движения в 1643 году. В U-образном вакуумметре главным элементом является ртуть, но из-за ограничения её количества в приборной трубке, определить давление ниже 10 Па невозможно.

Виды вакуумметров и вакуумных датчиков

Ввиду того что газ бывает парциальным, многокомпонентным или однородным, применяются разные типы вакуумметров. Ими можно мерить как абсолютное давление в вакууме, так и разность давления внутри системы с атмосферным. А также имеет значение, где именно будет происходить снятие показаний, точечно или обобщенно.

Механические вакуумметры

Вакуумметр (трубка) Бурдона

Это механический прибор, не использующий источники питания, который способен определить уровень избыточного давления в диапазоне от 0,5 до 7500 бар. Механизм устройства заключается в кольце из трубки с овальным сечением, которая изогнута под углом 250о. Эта трубка находится в желобе и её концы никак не закреплены, что позволяет избыточному давлению в процессе измерений давить на внутренние стенки трубки, приводя её в движение. Трубочка синхронно связана со стрелочным механизмом, который и выводит точные показания на шкалу прибора. В классическом исполнении трубка Бурдона может измерить давление до 60 бар, а для более высоких показателей устройство оснащают дополнительными спиральными витками на трубке. Таким образом, прибор становится менее чувствительным к малому уровню давления, что позволяет проводить измерения при избытке в 7000 бар.

Читайте также:  Механические повреждения древесины измерения

Для использования вакуумметра в агрессивной среде, его корпус обеспечивают гидрозаполнением. Жидкость смазывает все механизмы и предотвращает коррозийные процессы. В качестве предохранителя от разрыва трубки Бурдона, его корпус оснащают выдуваемой задней стенкой для сброса избыточного давления, которое превышает максимальное значение измерительной шкалы.

U-образный гидростатический вакуумметр

Выдаёт показания по воздействию избыточного давления на жидкость внутри трубки. Давление на разных концах такой трубки отличается, и стрелка прибора показывает разницу между ними. В современных системах такие приборы практически не используются, причиной тому стал маленький диапазон измерений.

Компрессионный вакуумметр

Это усовершенствованный U-образный манометр. Для увеличения возможностей прибора, перед измерением жидкость внутри трубки сжимается под давлением, и устройство может показывать более высокий уровень давления. Применяется в основном как калибровочный прибор.

Механический деформационный вакуумметр

Манометр предназначен для измерений среды низкого вакуума. Под действием давления, специальная пружина, расположенная внутри механизма, сжимается и деформирует рабочий сенсор, который передаёт свою нагрузку стрелочному механизму со шкалой показаний.

Мембранный вакуумметр

Самый бюджетный вариант среди механических манометров. На мембрану давит вакуум, а она в свою очередь давит на сенсор. Такие приборы являются газонезависимыми, и могут снимать показания в любой газовой смеси.

Тепловые вакуумметры

Такие приборы считаются самыми востребованными для снятия показаний в средних и низких вакуумах. В них сочетаются приемлемые показатели и доступная цена. Пользоваться такими устройствами можно только для измерений в абсолютном вакууме. Принцип действия заключается в реакции вакуумметра на изменение теплопроводимости газа при смене давления. Тепловые вакуумметры разнятся в зависимости от типа газа, и могут считывать только определённые смеси. Самыми распространёнными модификациями являются термопарные вакуумные датчики, датчики Пирани и конвекционные датчики.

Термопарный датчик

Температура в вакууме влияет на нагрев термопары внутри механизма, что провоцирует изменение напряжения на концах термопары. Передача тепла от нагревательного датчика к его концам происходит за счёт давления, которое создаётся вокруг термопары. Чем давление выше, тем больше напряжение. Такие вакуумметры самые бюджетные среди аналогичных устройств для измерения среднего и низкого вакуума.

Вакуумный датчик Пирани

Принцип действия датчика Пирани схож с работой термопарного датчика. Он тоже использует нить накала для перевода тепловой энергии в напряжение. Но такой датчик намного точнее, за счёт впаянной в механизм электрической схемы.

Вакуумный датчик Пирани

Конвекционный датчик

Также как и вышеописанные тепловые вакуумметры используют термопару, но механизм имеет конвекционный способ охлаждения. Корпус вокруг нити накала шире, чем у других датчиков, что позволяет газу циркулировать и эффективнее охлаждать всю систему. Чем быстрее остывает термопара, тем точнее показания уровня разряженного давления.

Пьезорезистивные датчики

Благодаря тому, что эти датчики являются газонезависимыми, они дают очень точные показатели. Универсальность измерения в любой среде достигается непосредственным влиянием давления на сам пьезорезистивный датчик. Диапазон измерения датчика достигает 1 мм рт. ст. (некоторые модели могут считывать показания до 0,1 торр).

Ионизационные вакуумные датчики

Любой газ, который находится в вакууме, имеет определённое количество ионов. Под воздействием магнитного поля, электрического разряда или катодного влияния, эти ионы набирают скорость, а эта скорость зависит от степени сжатия вакуума. По такому принципу работают ионизационные вакуумметры. В зависимости от модификации, они используют разные способы разгона молекул ионов. Устройства предназначены для измерений в высоком вакууме, но являются газозависимыми, так как у каждого газа разная плотность, что влияет на скорость перемещения ионов при одном и том же воздействии вакуумметра. Основные разновидности таких аппаратов разделяются на датчик вакуумный Байард-Альперта и вакуумметр с холодным катодом.

Датчик с холодным катодом

Это магниторазрядный датчик, который создаёт мощное электрическое поле. Магниты расположены таким образом, чтобы движение ионов было спиральным. Такая структура продлевает жизнь заряженных частиц, что увеличивает их ионизационную способность. Из-за того, что рабочий катод постоянно холодный, показания вакуумметра немного расплывчатей, нежели у пьезорезистивных датчиков. Зато срок службы подобных устройств очень велик, так как весь механизм вакуумметра не имеет трений своих деталей и не нагревается.

Датчик с холодным катодом

Вакуумметр Байард-Альперта

Датчик имеет нить накала, которая использует термоэлектрическую эмиссию. Эта эмиссия создаёт поток электронов, ионизирующих атомы измерительных газов. В результате создаётся ток, сила которого пропорциональна уровню вакуума. Прибор считывает эту силу и преобразовывает в показатель давления.

Производители вакуумметров

Российский производитель вспомогательных устройств для вакуумных установок, оборудования для хроматографии и измерительной техники. Компания вышла на отечественный рынок в 1995 году и с тех пор активно развивается в вакуумной индустрии. Предприятие выпускает ионизационные и термопарные вакуумметры высокого качества (это подтверждают положительные отзывы клиентов на официальном сайте производителя).

  1. MKS Instruments, Inc

Выходцы из США, которые основали свой бизнес ещё в далёком 1963 году. Но вплотную, выпуском измерительных устройств для вакуумных систем компания занялась в 1999 году. Производитель изготавливает вакуумметры практически для всех отраслей промышленности, что придало популярности во всех странах мира.

Американский производитель вакуумной техники и измерительных приборов для неё. Компания была основана в 1992 году. На отечественном рынке широко представлены цифровые вакуумметры данного производителя, а также вакуумные насосы и запорная арматура.

Источник