Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Особенности измерения вакуума



Вакуумом, или разрежением, называют давление ниже атмосферно­го, нормальное значение которого составляет 760мм. рт.ст.=101,325кПа. В вакуумной технике нередко используется внесистемная единица тор, 1тор=1мм.рт.ст.=133,322Па. Напомним, что 105Пa=750Tтоp=1бap, 1кПа=7,5тор, 1Па=0,75•10-2тор, 10-5 Па=0,75•10-7тор. Если говорить об аб­солютном давлении, то понятие вакуума можно не вводить. В технической литературе, однако, иногда вакуум рассматривают как отрицательное из­быточное давление.

Абсолютное давление ниже 20Па называют глубоким вакуумом. Из­мерение его вызывает серьезные трудности и заслуживает отдельного рас­смотрения. Глубокий вакуум создается в криогенной технике при получе­нии сверхнизких температур за счет кипения жидкого гелия, при изготов­лении высоковакуумной тепловой изоляции и в целом ряде других техно­логических процессов. Он необходим и в других областях техники, напри­мер, при изготовлении электровакуумных ламп и ионизационных прибо­ров.

Абсолютное давление от 105 до 102Па (от 750 до 0,75мм.рт.ст.) изме­ряют жидкостными или деформационными приборами. Отечественная промышленность выпускает ряд датчиков для измерения как избыточного давления, так и- разрежения. Например, система измерения давления крио­генных сред КРИОС ДА (СИД-КС), предназначенная для измерения абсо­лютного давления с выдачей токового сигнала, имеет нижний диапазон Ра=0...0,25МПа; датчик абсолютного давления, ДАВ 067 имеет диапазоны 0...1 и 0...2кПа; индуктивный датчик ДАИ099 предназначен для давлений Ра=0.. .266,6Па (0...2тор); пьезорезистивный датчик ДДА1OOP рассчитан на разрежение воздуха и нейтральных газов Рu= -90...0кПа; потенциометри-ческий датчик МДД ТЕ±0,4-ЗКД предназначен для избыточного давления и разрежения Рu=-0,04...+0,04 МПА (±0,4бар). Практически все типовые датчики имеют чувствительный деформационный элемент, что не обеспе­чивает высокой точности глубокого вакуума.

Наиболее распространенные вакуумметры делят на жидкостные, ком­прессионные, деформационные, термокондуктометрические, ионизацион­ные и радиометрические.

Жидкостные ртутные манометры позволяют измерить вакуум с точ­ностью до 0,1тор=13,ЗПа. При использовании жидкостей с малой плотно­стью и высокой температурой кипения (бутилфталат, аниезолон) погреш­ность можно снизить до 1,ЗЗПа. Если применить оптические или фотооп­тические отсчетные устройства, то точность измерения может составить 0,13Па.

Компрессионный вакуумметр Мак-Леода является разновидностью ртутного манометра, в котором измеряемый газ постоянного объема подвергается сжатию. Если занимаемый газом при низком давлении объем 100см3 уменьшить до 0,1см3, то его давление повысится в 10000 раз. В ре­зервуаре С перед измерением вакуума создают давление воздуха порядка нескольких мм.рт.ст., а уровни ртути в приборе до значений, показанных на рис.3. Чтобы измерить давление газа в соединенной с вакуумной систе­мой колбе V, постепенно повышают давление в резервуаре С, чтобы под­нять ртуть в трубке А и капилляре В до отметки УУ'. При подъеме ртуть, пройдя ответвление WW отсекает от основной системы определенное ко­личество измеряемого газа в колбе V и капилляре D. Уровень ртути в ка­пилляре D поднимается до значения XX', соответствующего равновесному положению. По закону Бойля-Мариотга для идеального газа изменения давления обратно пропорциональны изменениям объема.

Если капилляр D имеет F=1мм2 и длину l=100мм, объем V=200см3=2-105мм3, то при h=1мм Р=5-10-6 тор, а при h=10мм Р=5-10- 4тор.

Компрессорным вакуумметром из­меряют давление неконденсирующихся газов, подчиняющихся закону Бойля-Мариотта. Воспроизводимые значения точности измерений составляют ±0,5, ±0,6, ±2, ±6% при давлениях 10-2, 10-3, 10-4 и 10-5мм.рт.ст. Такие приборы пе­риодического действия используют для градуировки деформационных и термокондуктометрических вакуумметров, ко­торые пригодны для измерения вакуума любых неконденсирующихся газов.

 

Деформационные вакуумметрыиногда называют мембранными, хотя чувствительным элементом может быть мембрана, сильфон или трубка Бурдона.

Использование упругого элемента исключает попадание рабочей жидкости в вакуумную систему, а чувствительность деформационных ва-кууметров одинакова для всех газов и паров. Первоначально деформацию упругого элемента измеряли оптическими методами. Вакуумметр из сильфона 50мм позволяет регистрировать разность давлений 5•10-4тор. Трубка Бурдона обеспечивает точность измерений 1% при абсолютном давлении 0,13кПа и 0,1% при давлении 2,67кПа (20тор).

Применение современных электрических методов измерения дефор­мации упругих элементов позволяет получить простые и надежные датчи­ки давления и разрежения. В датчиках с плоской мембраной используются емкостные или тензорезис явные (проволочные или полупроводниковые) преобразователи. Для преобразования перемещений гофрированной мем­браны, сильфона или трубки Бурдона в электрический сигнал обычно ис­пользуют индуктивные и реостатные (потенциометрические) преобразова­тели. Возможно использование магнитоупругих преобразователей.

Градуировку деформационных вакуумметров осуществляют по образ­цовому компрессионному вакуумметру. Ее проводят только на основе одно­го из неконденсирующихся газов. Она справедлива для любых других га­зов. Следует помнить, что деформационными вакуумметрами нельзя точно измерить абсолютное давление ниже 10Па, хотя в технической характери­стике датчика может быть указан диапазон, например, от 0 до 267Па. Чем уже этот диапазон, тем выше чувствительность датчика.

Термокондуктометрические (теплоэлектрические) вакуумметры осно­ваны на зависимости теплопроводности газа от давления. Давление изме­ряют по тепловым потерям тонкой нагретой проволоки, натянутой в ваку­умной камере. Тепловые потери, как и в термокондуктометрических газо­анализаторах, измеряют посредством мостовой схемы.

Проволоку диаметром d натягивают вдоль оси трубки диаметром D. Если диаметр проволоки D намного меньше длины свободного пробега молекул λ, а D>λ, то теплопроводность газа пропорциональна его давле­нию. В зависимости от остаточного давления газа в трубке изменяется температура нагретой проволоки а, следовательно, и ее сопротивление R4, рис.4. Сопротивления R1 и R2 постоянны и одинаковы, а сопротивления R3 и R5 регулируемы.

При очень низком давлении газа (порядка 10-6тор) к диагонали моста бг прикладывают некоторое напряжение V0, достаточное для нагрева тон­кой проволоки до температуры выше 400°К. Изменяя сопротивление R3 уравновешивают мост. При повышении давления тепловые потери прово­локи возрастают, ее температура и сопротивление понижаются. Равновесие моста нарушается, о чем можно судить по отклонению стрелки нуль гальванометра, включенного в диагональ ав моста. Для восстановления равновесия моста повышают напряжение питания до V1 за счет изменения сопротивления R5. В новом состоянии равновесия сопротивление прово­локи R4 и ее температура вернутся к первоначальным значениям. Уста­новлено, что разность квадратов напряжений V1,2-V02 пропорциональна ос­таточному давлению соответствующего газа. Градуировочные характери­стики линейны до давлений, при которых λ<10d. На практике термокондуктометрические манометры используют при давлениях от 10-3 до 100тор, погрешность их составляет 2-3%.

Мостовая схема с постоянной температурой нагретой проволоки имеет два недостатка: перед снятием показаний надо настраивать прибор, а напряжение от давления зависит не линейно. Поэтому часто используют неуравновешенный мост постоянного тока. Наибольшее распространение получила схема неуравновешенного моста постоянного напряжения. В ней после начальной настройки напряжения не требуется никаких регулиро­вок. Давление же измеряется как функция тока разбаланса моста, измеряе­мого включенным в диагональ ав микроамперметром или милливольтмет­ром. Чувствительность обоих приборов ниже чувствительности нульгальванометра. Для повышения точности измерений равновесие моста можно восстанавливать изменением сопротивления R3.

Повышение верхнего предела измерений термокондуктометрического вакуумметра достигается, если нагреваемая проволока помещается в по­стоянное магнитное поле и питается переменным током с частотой около 1000Гц. Появление механических колебаний нити способствует интенси­фикации ее теплообмена с газом. За счет этого хорошая чувствительность сохраняется при давлениях, близких к атмосферному. В сторону низких давлений сдвинуть область измерений удается за счет охлаждения трубки, в которой натянута проволока, до температуры кипения жидкого азота. Та­ким способом удается измерять давления порядка 10-7 тор.

Если, температуру нагретой нити измерять не мостовой схемой, а с помощью термопары, то получается так называемый термопарный мано­метр. Существует несколько разновидностей термопарных преобразовате­лей, но чувствительность их оказалась ниже. Использование термистора вместо термопары дает примерно такой же эффект.

Ионизационные вакуумметры имеют изме­рительный преобразователь, устроенный по принципу трехэлектродной радиолампы (триода) с горячим катодом. Если поддерживать напряже­ние между сеткой и катодом около 200В, а меж­ду коллектором и катодом приблизительно -20В, все испускаемые катодом электроны должны по­пасть в сетку. Однако многие из них сначала ко­леблются около сетки, образуя электронное об­лако в заштрихованной на рис.5 области.

Все положительные ионы в электронном облаке перемещаются под действием градиента потенциала к аноду лампы, который в данном случае является коллектором ионов. При постоянном электронном токе и фикси­рованных потенциалах электродов число ионов, образующихся между сет­кой и коллектором а, следовательно, и коллекторный ток прямо пропор­циональны давлению газа.

Измерительный блок ионизационного вакуумметра должен выполнять сле­дующие функции: а) поддерживать пра­вильное соотношение между потенциа­лами электродов; б) поддерживать по­стоянный электронный ток; в) измерять ток положительных ионов на коллектор. Одна из удовлетворяющих этим требо­ваниям электрических схем показана на рис.6. Электронный ток регулируют пу­тем изменения температуры катода за счет изменения протекающего тока по­средством переменного резистора.

Измеряют электронный ток (ток эмиссии) миллиамперметром мА. Для из­мерения тока положительных ионов на коллектор используют микроам­перметр мкА.

Применяют ионизационные вакуумметры для измерения давлений от 10-1 до 10-6 Па. Каждый измерительный преобразователь требует индивиду­альной тарировки. Погрешность измерений составляет 5-10%.

Радиоизотопные ионизационные вакуумметры используют источник радиоактивного излучения для ионизации газов. Скорость образования по­ложительных ионов в газе пропорциональна его давлению, а точнее концентрации молекул. Даже сравнительно слабый радиоактивный источник позволяет получать в диапазоне давлений 10-6...102тор вполне измеримую концентрацию ионов. Широкому применению радиоизотопных вакуумет-ров препятствуют невысокая чувствительность, неспособность измерять давления ниже 10-5 тор и опасность воздействия на живые организмы.

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.