Общие сведения об измерении давления

Общие сведения об измерении давления

Единицей измерения давления в системе СИ служит паскаль (Па=1 Н/м²). Однако очень широко распространена исторически сложившаяся единица измерения давления — миллиметр ртутного столба (1 мм рт. ст. = 1,33-10² Па).

Измерять давление газа можно непосредственно, определяя силу, действующую на поверхность твердого тела или жидкости. Такие измерения называют абсолютными В вакуумной технике чаще всего имеют дело с такой степенью разрежения газа, когда трудно непосредственно измерить силу (ввиду ее малости), действующую на поверхность. Поэтому для измерения давления используют различные физические явления, интенсивность которых известным образом зависит от давления. По интенсивности физического процесса судят о давлении. Такие измерения называют косвенными.

Приборы, служащие для измерения давления, называют манометрами. Манометры, предназначенные для измерения давления газа ниже атмосферного, называют вакуумметрами. К абсолютным вакуумметрам, шкалы которых могут быть рассчитаны с помощью основных физических величин (массы, времени, длины и т. д), относятся U-образный, деформационный и компрессионный вакуумметры. К вакуумметрам косвенного действия относятся тепловые, использующие зависимость теплопроводности разреженного газа от давления, и ионизационные, использующие явление ионизации газа. Тепловые вакуумметры подразделяются на термопарные вакуумметры и вакуумметры сопротивления Ионизационные вакуумметры подразделяются на электронные, радиоизотопные и магнитные электроразрядные.

Вакуумметры косвенного действия, как правило, состоят из манометрического преобразователя, вырабатывающего выходной электрический сигнал соответственно величине давления газа в преобразователе, измерительного блока — устройства, измеряющего выходной сигнал манометрического преобразователя и обеспечивающего заданный электрический режим его питания, и соединительного кабеля, соединяющего преобразователь с измерительным блоком

Вакуумметр характеризуется диапазоном измеряемых давлений, чувствительностью — отношением изменения выходного сигнала вакуумметра к вызывающему его изменению давления и погрешностью измерений. Кажущаяся большой относительная погрешность вакуумметров, см. приложение 10, вполне приемлема в вакуумной технике и не имеет существенного значения для проведения большинства технологических процессов.

• Абсолютные вакуумметры

U-образный вакуумметр, внешний вид которого показан на рис. 6-1, представляет собой стеклянную U-образную трубку, заполненную ргутью или какой-либо другой жидкостью с низкой упругостью пара, например вакуумным маслом. Оба колена трубки соединены между собой трехходовым стеклянным краном. В положении крана, изображенном на рисунке, оба колена сообщаются между собой трехходовым стеклянным краном Правое колено соединяется со вспомогательным насосом, создающим разрежение 10^-1 — 1 Па В процессе измерения это давление принимается равным нулю. При повороте рукоятки крана на 180° оба колена разобщаются между собой, а левое колено сообщается с сосудом, в котором необходимо

систему рычагов соединен со стрелкой прибора. Угол закручивания упругого элемента и соответственно угол поворота стрелки пропорциональны разности давлений внутри и снаружи упругого элемента.

Деформационный вакуумметр обладает целым рядом преимуществ удобство в работе с вакуумметром, непосредственность отсчета, безынерционность. Наряду с этим ему присущ существенный недостаток- зависимость показаний вакуумметра от барометрического давления.

Область давлений, измеряемых деформационным вакуумметром, —-5-10²—10⁵ Па (^3—750 мм рт. ст.).

Кроме описанного, известны и другие типы деформационных вакуумметров, например мембранные, которые выпускаются для различных диапазонов измеряемых давлений.

• Тепловые вакуумметры

Действие тепловых вакуумметров основано на зависимости теплопроводности газа от давления Основными элементами любого теплоэлектрического манометрического преобразователя являются нагреваемое тело и холодное тело большой теплоемкости и постоянной температуры, между которыми осуществляется передача тепла. Во всех преобразователях нагреваемым телом является нить накала, а телом с постоянной температурой и большой теплоемкостью — корпус прибора.

На рис. 6-4 схематично изображен наиболее распространенный термопарный манометрический преобразователь ПМТ-2 В баллоне 1 расположена нить накала 2, к средней 10чке которой приварена термопара 3 С помощью измерительного блока вакуумметра через нить накала пропускается электрический ток постоянной величины

В результате прохождения тока в нити накала выделяется определенное количество тепла. Такое же количество тепла нить должна отдать в результате теплопроводности и излучения, т. е. должен сохраняться баланс подводимого и отводимого тепла

При изменении давления в баллоне преобразователя, например при его увеличении, теплопроводность газа изменяется (увеличивается). Нить накала при этом остывает. Понижение температуры нити вызывает уменьшение количества тепла, отводимого в результате теплового излучения и теплопроводности нити. Таким образом, через некоторое время при той же подводимой мощности снова устанавливается баланс, но при меньшей температуре нити. Снижение давления имеет обратное действие, т. е. баланс подводимого и отводимого тепла установится при большей температуре. Температура нити, измеряемая термопарой с помощью измерительного блока вакуумметра, в данном случае будет служить мерой давления

Другой тип теплоэлектрического манометрического преобразователя — манометрический преобразователь сопротивления МТ-6 — показан на рис 6-5. Преобразователь представляет собой баллон /, в центре которого натянута нить накала 2. Действие вакуумметра сопротивления основано на изменении сопротивления нити при изменении ее температуры. Различают три режима работы вакуумметра сопротивления: 1) режим постоянного напряжения; 2) режим постоянной температуры нити; 3) режим постоянного тока Отечественные вакуумметры работают в режиме поддержания постоянной температуры нити Включение манометрического преобразователя в измерительную мостовую схему измерительного блока показано на рис 6-6

При атмосферном давлении вакуумметр калибруется таким образом, чтобы стрелка прибора стояла на конце шкалы При понижении давления начнет расти температура нити и сопротивление нити увеличится Напряжение возникшего разбаланса моста по цепи обратной связи поступит на вход усилителя Выходное напряжение усилителя, оно же напряжение питания моста, уменьшится Соответственно уменьшится ток питания преобразователя, и сопротивление

Коэффициенты относительной чувствительности манометрических преобразователей по разным газам приведены в табл 6-1.

Показания теплового вакуумметра в соответствии с типовой градуировочной кривой по сухому воздуху отличаются не более чем в 1,5 раза от действительного давления газа в системе при измерении давления большинства газов, в том числе и паров воды.

На точности показаний вакуумметра сказываются отклонения напряжения питающей сети, температура корпуса преобразователя, причем погрешность тем больше, чем выше измеряемое давление. Дополнительная погрешность, вызванная колебаниями температуры окружающей среды, в отдельных случаях может значительно превышать основную погрешность вакуумметров.

У манометрических преобразователей сопротивления в процессе работы наблюдаются постоянный рост сопротивления нити и соответственно дрейф нуля прибора. Особенно сильный дрейф наблюдается после резкого повышения температуры и давления с Ю^-1— 1 Па (10~³—10~² мм рт. ст.) до 10²—10³ Па (1—10 мм рт. ст.). Причины, вызывающие необратимое старение нити, это уменьшение диаметра нити в результате окисления и испарения и изменение структуры поверхности нити.

Увеличение сопротивления нити ведет к увеличению погрешности измерений, в особенности в области низких давлений. Поэтому периодический контроль сопротивления нити будет весьма полезен. Не следует производить измерения сопротивления нити преобразователя с помощью приборов, аналогичных Ц 435 (тестер), так как большие токи, пропускаемые при этом через нить, могут вызвать перегорание нити, если прибор откачан. Измерения необходимо производить мостовой схемой и приборами с большим внутренним сопротивлением.

В процессе эксплуатации довольно часто наблюдается «замасливание» преобразователя, например, при отсутствии в вакуумной системе защитных ловушек, которое приводит к изменению показаний вакуумметра. Для восстановления характеристик преобразователей их последовательно промывают бензином и ацетоном или спиртом. Преобразователь необходимо промыть сразу после того, как обнаружено его «замасливание». Включение «замасленного» преобразователя при низком давлении, порядка 10^-1 Па (10~³ мм рт. ст.), может привести к необратимым изменениям характеристик преобразователей.

• Электронные ионизационные вакуумметры

Ионизационные вакуумметры являются лучшими по стабильности метрических характеристик среди вакуумметров косвенного действия. Вакуумметры ВИТ-1, ВИТ-2 и последняя модель ВИТ-3 с электронным ионизационным манометрическим преобразователем ПМИ-2 (рис. 6-7) долгие годы остаются основным средством измерения давления в области высокого вакуума.

Основными элементами электронного ионизационного манометрического преобразователя являются прямонакальный катод, анод-сетка и коллектор ионов. Катод может располагаться как в центре сетки-анода, например в преобразователях ПМИ-2 (рис. 6-7) и ПМИ-3-2 (рис. 6-8), так и с внешней стороны, например, в преобразователе ПМИ-112-8 (рис. 6-9). В первом случае коллектор охватывает анод; во втором — коллектор располагается по оси преобразователя. Электрические потенциалы электродов таковы, что они создают для электронов ускоряющую разность потенциалов в пространстве между анодом и катодом и замедляющую разность потенциалов в пространстве между анодом и коллектором ионов, причем замедляющая разность потенциалов по величине больше ускоряющей разности потенциалов. Обычно коллектор имеет нулевой потенциал, анод — высокий положительный, катод — небольшой положительный потенциал. Питание манометрического преобразователя осуществляется измерительным блоком вакуумметра

Электронный ионизационный манометрический преобразователь действует следующим образом Накаленный прямым пропусканием тока катод испускает электроны.

Электроны ускоряются в простран

стве между катодом и анодом.

Большинство электронов пролетает

анод-сетку, попадая в замедляю

щее электрическое поле. Поскольку замедляющая разность потенциалов больше ускоряющей разности потенциалов, электроны, не долетая до коллектора ионов, изменяют направление движения Затем, приобретая скорость в направлении К аноду, электроны вновь пролетают анод-сетку, тормозятся около катода и вновь направляются к аноду. Таким образом, электроны совершают колебательные движения около анода, как это показано на рис. 6-7,6.

На своем пути электроны производят ионизацию газа Положительные ионы, образовавшиеся в пространстве между анодом и коллектором ионов, притягиваются последним При постоянном токе электронной эмиссии, постоянном числе электронов, колеблющихся около анода, количество актов ионизации, т. е. количество образующихся ионов, будет пропорциональным концентрации молекул газа в пространстве, т. е. давлению. Таким образом, ионный ток коллектора служит мерой давления газа.

Степень ионизации газа электронами зависит от рода газа. Соответственно показания вакуумметра также зависят от рода газа Связь истинного давления газа с показаниями ионизационною вакуумметра аналогична такой же зависимости для теплового вакуумметра, см. выражение (6-3). Коэффициенты относительной чувствительности ионизационных манометрических преобразователей к разным газам приведены в табл 6-1

Манометрические преобразователи ПМИ-2 и ПМИ-3-2 предназначены для индицирования давления в диапазоне 1,33-10^-5—1 Па (1-10~⁷—10~² мм рт. ст.) и позволяют с вакуумметрами ВИТ-1, ВИТ-2 и ВИТ-3 измерять давления в диапазоне от 1,3-10"⁵ Па (1-10~⁷ мм рт. ст.) до 1-10^-1 Па (1-10~³ мм рт. ст.). Верхний предел измеряемых давлений ограничен перегоранием накаленного катода и нарушением линейности характеристики манометрического преобразователя. Нижний предел ограничен фоновым током, который соответствует давлению 5-10~⁶—8-Ю^-6 Па (4-Ю^—"⁸—6-10”⁸ мм рт. ст.).

Диапазон давлений, измеряемых вакуумметром ВИ-12 с манометрическим преобразователем ПМИ-12 (рис. 6-9)—6-10“⁸— 6-10~³ Па (5-10~¹⁰—5-10^-5 мм рт. ст.). Фоновый ток преобразователя соответствует давлению 2,5-10^-8 Па (2-10“¹⁰ мм рт. ст.).

Электронные ионизационные манометрические преобразователи просты в обращении, удобны в эксплуатации, отличаются высокой стабильностью характеристик и воспроизводимостью показаний. Однако ионизационным манометрическим преобразователям с накаЛенным катодом, какими являются описанные выше преобразователи, свойствен существенный недостаток — выход из строя при превышении допустимого давления из-за перегорания катода. (Этот недостаток отсутствует в радиоизотопном ионизационном манометрическом преобразователе.) Перегорание катода является основным видом отказа ионизационного манометрического преобразователя с накаленным катодом. В таких преобразователях, как ПМИ-3-2, ПМИ-12-8 и ПМИ-27, этот отказ легко устраним заменой перегоревшего катода. К тому же при необходимости их длительной эксплуатации в области высоких давлений применяют воздухостойкие иридиевые катоды с покрытием из окиси иттрия. Иридиевый катод выдерживает 20—25 кратковременных повышений давления вплоть до атмосферного. В процессе откачки