Класифікація методів і приладів для виміру загальних тисків

Область тисків, яка використовується у сучасній вакуумній техніці, 10⁵ - 10^-12Па. Вимірювання тисків у такому широкому діапазоні, звісно, не може бути забезпечено одним приладом. У практиці вимірювання тиску розріджених газів застосовуються різні типи перетворювачів, що відрізняються за принципом дії та класу точності.

 

 

Рис. 3.1 Діапазони робочих тисків вакуумметрів

 

Прилади для вимірювання загальних тисків у вакуумній техніці називаються вакуумметрами. Вони за звичай складаються із двох частин - манометричного перетворювача й вимірювального приладу. За методом вимірювання вакуумметри можуть бути розділені на абсолютні й відносні. Показники абсолютних приладів не залежать від роду газу й можуть бути заздалегідь розраховані. У приладах для відносних вимірювань використовують залежність параметрів деяких фізичних процесів, що протікають у вакуумі, від тиску. Вони потребують градуіровки за зразковими приладами. Вакуумметри вимірюють загальний тиск газів, які присутні у вакуумній системі. На рис. 3.1 показані діапазони робочих тисків різних типів вакуумметрів.

ТИПИ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

Механічні перетворювачі

 

Трубка Бурдона (рис. 4.1)- манометр у вигляді спіральної трубки 2, що скручується під дією атмосферного тиску у випадку відкачки внутрішньої порожнини за рахунок різних радіусів кривизни, а отже, і площ зовнішньої й внутрішньої поверхонь трубки.

 

Рис. 4.1 Трубка Бурдона

 

Підрахуємо сили F₁ й F₂, які діють на зовнішню і внутрішню поверхні:

;

де р_атм – атмосферний тиск; р – тиск у трубці; А₁ й А₂ – площі зовнішньої й внутрішньої поверхонь.

Вимірювальне рівняння зв’язує між собою переміщення кінця трубки х і різницю тисків р_атм – р співвідношенням:

де С – жорсткість трубки.

Манометр вимірює тиски в межах 10⁵-10³Па. Вимірювання тисків нижче 10³Па утруднено тим, що трубка при малій твердості повинна бути досить міцною, щоб витримувати атмосферний тиск. Погрішність вимірювання дорівнює 5% й обмежена пружною післядією трубки - повільним повертанням трубки у вихідне положення після пружної деформації.

До вакуумної системи манометр підключається через штуцер 4. Реєстрація переміщення спіральної трубки зазвичай важільно-стрілочна, коли кінець спіральної трубки зв’язаний через зубчастий сектор 3 зі стрілкою 1.

 

Мембранні перетворювачі розрізняються залежно від способу реєстрації переміщення мембрани й методу вимірювання. У барометрах використовується схема, показана на рис. 4.2, а.

У середині герметичної порожнини, утвореної мембранами 1, створюється порівняльний тиск р_сер. Якщо вимірювальний тиск р не дорівнює р_сер, то відбувається деформація мембрани й переміщення стрілки, пропорційне різниці тисків:

де К – коефіцієнт пропорційності.

Такий прилад вимірює різницю тисків і тому називається диференційним.

На цьому ж принципі працює мембранний перетворювач (рис.4.2, б), але у ньому застосовується ємнісний метод реєстрації переміщення. Мембрана 2 у цьому приладі герметично розділяє корпус 1 на дві камери, в одній підтримується порівняльний тиск р_пор, а інша приєднується патрубком 5 до вакуумної системи. Через ізолятор 4 у камеру вводиться електрод 3, що утворить із мембраною конденсатор, ємність якого є функцією тиску. Цей перетворювач може вимірювати абсолютний тиск у вакуумній системі р_пор=0.

Рис. 4.2 Мембранні перетворювачі

 

Мембранний перетворювач із двома електродами (рис. 4.2, в) працює за нульовою методикою вимірювання. На електрод 2 подається змінна напруга, яка дозволяє визначити ємність і положення мембрани. На другий електрод 1 прикладається постійна напруга, яка за рахунок електростатичних сил, повертає мембрану до вихідного положення, компенсуючи вплив різниці тисків. Різниця тисків у цьому приладі пропорційна квадрату постійної напруги, прикладеної до другого електрода.

Діапазон вимірювання мембранних перетворювачів 10⁵-10^-1Па. Однак тому, що лінійність показань зберігається лише при невеликих деформаціях мембрани, тому один прилад може вимірювати тиски, що лежать тільки в межах 2-3 порядків.

Нижня межа вимірювання обмежується температурними деформаціями, мінімальною жорсткістю й міцністю мембрани. Перетворювачі з електростатичною компенсацією мають більш стабільні характеристики, тому що мембрана в них практично не деформується.