Лекция №19 Механические (деформационные) манометры

Наиболее распространенный тип деформационных магометров представляет собой трубку Бурдона, соединенную с откачиваемым сосудом, рис. 41.

Рис.41

Конструкция аналогична барометру – анероиду и содержит следующие составные части:

1 - трубка Бурдона (тонкостенная спирально скрученная трубка, представляющая в сечении эллипс, герметично запаянная с одной стороны, и присоединенная к вакуумной системе с другой);

2 – стрелка;

3 – присоединительный фланец;

4 – тяга;

5 – шкала;

6 – шарнир тяги

При давлении около 0.1 тор ( 10 Па) манометр практически не реагирует на изменение давления (”0” шкалы манометра), максимум соответствует 10⁵ Па (атмосфере).

Для расчета упругой характеристики прибора выразим внешние приведенные силы, действующие на стенки трубки Бурдона с наружной и внутренней стороны архимедовой спирали и обозначенные как F₁ и F₂ , рис.36, через соответствующие площади:

где P_e- внешнее (атмосферное ) давление, Па

P_m - измеряемое давление, Па

S₁ ,S₂ - площади трубки Бурдона, видимые с наружной и внутренней стороны

архимедовой спирали, соответственно, м²

Уравнения равновесия для упругой трубки Бурдона, нагруженной разностью давлений (P_e - P_m) может быть представлено:

F₁ = F₂ + cx

где с – коэффициент, характеризующий жесткость (упругость системы)

х – перемещение конца трубки Бурдона (шарнира 6)

тогда (P_e – P_m )S₁ = (P_e – P_m )S₂ + cx

откуда выражение для измеряемого давления:

Из полученного выражения видно, что величина измеряемого манометром давления будет зависит от атмосферного давления, что является существенным недостатком, при измерении давления в диапазоне малых давлений (1 – 10 тор).

Этого недостатка лишен мембранный манометр (типа Баратрон), в котором упругий элемент (мембрана) со стороны избыточного давления нагружен не естественным атмосферным , а строго постоянным “опорным” давлением. Это позволяет расширить диапазон измеряемых давлений до 10^-1 Па.

Компрессионные манометры

Принцип работы манометра заключается в том, что в колбой манометра забирается известный постоянный объем газа, который сжимается в известное число раз, а затем измеряется давление уменьшенной в объеме (сжатой) порции взятого газа. Используется известное соотношение закона Бойля – Мариотта

P_mV₁ = P₂V₂

где P_m - измеряемое давление в системе;

V₁ - объем (колбы) забираемой порции газа;

P₂ - измеряемое манометром давление;

V₂ - объем порции газа после сжатия в манометре

Для сжатия порции газа в стеклянном манометре используется ртуть не смачивающая стенки манометра. Манометр, рис. 42,состоит из следующих составных частей:

1 – трубка для присоединения к вакуумной (исследуемой) системе;

2 – “сравнительный” капилляр;

3 – ’’измерительный’’капилляр;

4 – соединительная трубка;

5 – колба (объем V₁) для забора порции газа;

6 – резервуар с рабочей жидкостью (ртутью)

Исходное положение уровня ртути соответствует метке I, при этом колба 5 оказывается наполненной газом, давление которого (P_m) мы должны измерить. Затем мы плавно поднимаем уровень ртути. Объем V₁ колбы 5 оказывается отрезанным от измерительной системы, когда уровень ртути достигает отметки II. Продолжая поднимать уровень устанавливаем его на отметке III (в “измерительном” капилляре), при этом степень сжатия газа n:

n = V₁/V₂

где м³

где d_C – диаметр капилляра, м

Рис.42

– расстояние от уровня III до вершины измерительного капилляра, м

В сравнительном капилляре уровень ртути (уровень IV) выше, т.к на него не действует давление сжатой порции газа, а действует лишь давление P_m , которым в грубых расчетах можно пренебречь. В этом случае можно выразить давление сжатой порции газа:

P₂ тор (мм рт. ст ) = h*133 Па

где h - разность уровней ртути в измерительном и сравнительном

капилляллярах

Используя исходное уровнение Бойля – Мариотта

, Па

откуда выражаем измеряемое давление:

, Па

где с₁ - постоянная компрессионного манометра при измерении методом

линейной шкалы

На практике чаще используют другой метод измерения – метод “квадратичной шкалы”. При этом методе поднимая уровень ртути следят не за измерительным, а за сравнительным капилляром, поднимая в нем уровень ртути точно до вершины измерительного капилляра. Тогда получается, что l = h [м].

Выражение для расчета измеряемого давления:

, Па

где с₂ - постоянная манометра при измерении методом квадратичной шкалы

Огромным преимуществом компрессионного манометра перед другими типами высоковакуумных манометров является возможность прямым методом измерять давление газов в диапазоне 100 – 10^-3 Па, поэтому его используют в качестве эталона при градуировке других типов манометров (косвенного измерения).

Главным недостатком является невозможность правильного измерения давления конденсирующихся компонентов газовых смесей, т. к они могут конденсироваться при сжатии.

Недостатком является также длительность операции измерения и невозможность ее электронного мониторинга.