3. Приборы для измерения давления

Неотъемлемой частью любой вакуумной системы является аппаратура для измерения давления разрежённого газа. Область давления, используемая в современной вакуумной технике, 10⁵– 10^-12Па. Измерение давлений в таком широком диапазоне, естественно, не может быть обеспечено одним прибором. В практике измерения давления разрежённых газов применяются различные типы преобразователей, отличающиеся по принципу действия и классу точности.

Приборы для измерения общих давлений в вакуумной технике называются вакуумметрами и 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 вида газа и могут быть заранее рассчитаны.

Эти манометры измеряют давление, как силу ударов молекул о поверхность. При малых давлениях непосредственное измерение силы давления невозможно из-за её малости. В приборах для относительных измерений используют зависимость параметров некоторых физических процессов, протекающих в вакууме, от давления. Эти приборы нуждаются в градуировке по образцовым приборам. Вакуумметры измеряют давление газов, присутствующих в вакуумной системе. На рис. 3.1. показаны диапазоны рабочих давлений различных типов вакуумметров.

торр	10–11	10–9	10–7	10–5	10–3	10–1	10	103
						гидростатичесие
					__деформационные___
							_____тепловые_______
				__компрессионные___
						_______радиоизотопные_______
	_электронные ионизационные_
_________магнитные электроразрядные___________

Рис. 3.1. Рабочие диапазоны давлений, измеряемые вакуумметрами

3.1. Абсолютные вакуумметры

Гидростатический U-образный вакуумметр, внешний вид которого показан на рис. 3.2, представляет собой стеклянную U-образную трубку, заполненную ртутью или какой-либо другой жидкостью с низкой упругостью пара, например вакуумным маслом. Оба колена трубки соединены между собой трёхходовым стеклянным краном. В положении крана, изображённом на рисунке, оба колена сообщаются между собой. 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 измерить давление. Давление рассчитывается по формуле

P =  g h , (3.1)

где — плотность рабочей жидкости;g— ускорение свободного падения для данной местности;h— разность уровней рабочей жидкости в обоих коленах вакуумметра.

Диапазон давлений, измеряемых ртутным вакуумметром 10²– 10⁵Па (1–100 торр), масляным — 1–510³ Па (0,01–50 торр).

Компрессионный вакуумметр Мак-Леода схематично представлен на рис. 3.3. Компрессионным назван потому, что в нём осуществляется сжатие (компрессия) газа в запаянном капилляре. Основными элементами вакуумметра являются запаянный капилляр К₁с сосудомV₁ , суммарный объём которых до точкиaв процессе градуировки определяется с большой точностью, и сравнительный капиллярК₂, диаметр которого так же, как и запаянного капилляра, должен быть постоянен по всей длине и равен диаметру запаянного капилляра.

Рис. 3.2. U-образный манометр

Рис. 3.3. Компрессионный манометр

Чтобы произвести измерение, понижают уровень ртути в вакуумметре ниже точки а. При этом измерительный капиллярК₁сообщается с системой, в которой необходимо измерить давление. При последующем повышении уровня ртути в вакуумметре порция газа, равная суммарному объёму измерительного капилляраК₁и сосудаV₁, при давлении, равном давлению газа в системе, будет отсечена и сжата в запаянном капилляре. По закону Бойля–Мариотта произведение давления определённой порции газа на объём, им занимаемый, есть величина постоянная:

P₁V₁ = P₂V₂ (3.2)

Начальный объём V₁ известен, конечный объёмV₂нетрудно рассчитать по известному диаметру капилляра K_1, а давлениеP₂ определяется разностью уровней ртутиhв измерительномK₁ и сравнительномК₂ капиллярах. Тогда по формуле (3.2.) легко рассчитывается искомое давление в вакуумной системеР₁.

Деформационные вакуумметры в качестве чувствительного элемента имеют герметичную упругую перегородку, способную деформироваться под действием приложенной к ней разности давлений. Наибольшее распространение получили вакуумметры типа МВП, устройство которых схематично показано на рис. 3.4. Упругим чувствительным элементом является трубка эллиптического сечения, свёрнутая в спираль. Трубка под действием атмосферного давления при откачке внутренней полости скручивается за счёт разных радиусов кривизны, а, следовательно, площадей наружной и внутренней поверхности трубки. Один конец трубки с помощью штуцера присоединяется к вакуумной системе, другой, запаянный, конец трубки через систему рычагов соединён 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: удобства в работе с вакуумметром, непосредственность отсчёта, безынерционность. Наряду с этим существенный недостаток: зависимость показаний вакуумметра от барометрического давления. Область давления, измеряемых деформационным вакуумметром, — 5·10 ² – 10⁵ Па (~ 3–750 торр). Кроме описанного, известны и другие типы деформационных вакуумметров, например мембранные, которые выпускаются для различных диапазонов измеряемых давлений.

Рис. 3.4. Деформационный вакуумметр:

1 — труба эллиптического сечения;

2 — стрелка; 3 — зубчатый сектор;

4 — присоединительный штуцер.