Степень разрежения газа измеряют в единицах давления; чаще всего применяется 1 тор, равный давлению столба ртути высотой /1=1 мм при ее плотности р = = 13,5951 г] см3 и ускорении силы тяжести g = = 980,665 см/сек2.
В системе единиц СИ единицей давления является 1 м/м2 = 0,00750 тор. Отсюда следует связь между измерениями одного и того же давления в этих единицах:
Применяют также внесистемные единицы: физическая атмосфера (1 ата ~760 тор) и техническая атмосфера (1 ат — 735,56 тор).
Диапазон давлений, в котором работает вакуумная техника, чрезвычайно широк (не менее 16 порядков: от 760 до 10“13 тор и ниже [77]). Различные участки его перекрываются манометрами различного принципа действия. Все манометры можно разделить на два типа. Манометры абсолютного типа измеряют непосредственное давление как силу ударов молекул о поверхность. Такими манометрами являются гидростатические, мембранные, компрессионные. Их работа не зависит от рода газа. Манометры косвенного типа измеряют параметры физических процессов, зависящих от степени разрежения газа, такие, как теплопроводность, ионизация и т. д. Такие манометры требуют градуировки по образцовым эталонам.
При малых давлениях непосредственное измерение силы давления невозможно из-за ее малости. Например, при 10~6 тор сила в 1 Г распределена по поверхности 74 м2. Поэтому прибегают к косвенному измерению давления. Манометрами косвенного типа являются, например, радиометрический и вязкостный (роторный) манометры, рассмотренные в § 3. В адсорбционном манометре измеряется зависимость работы выхода поверхности от степени ее заполнения адсорбированным газом, т. е. в конечном счете от давления.
Промышленность выпускает вязкостный пьезоэлектрический манометр марки ВП-1 с колеблющейся кварцевой пластиной с самопишущим потенциометром для измерения давлений в диапазоне от 1 до 760 тор с точностью 20%.
Единица давления 1 омм/см2 = 0,1 н/м2 называется бар (в системе СГС), но иногда применяют другую единицу, также называемую баром и равную 105 н/м2. Объемная концентрация любого газа при 0°С связана с его давлением следующим соотношением:
На рис. 34 показаны диапазоны, в которых работают манометры различных типов. Манометр выбирают в соответствии с конкретным назначением вакуумной установки. При этом учитывают рабочий диапазон давлений
установки и требования к точности измерений. Например, при 10~6—10~8 тор погрешность промышленных манометров составляет 30—200%, образцовых приборов 5—10%. При выборе манометра большое значение имеют разница в его чувствительности к различным газам и эксплуатационные данные: надежность и срок службы, устойчивость к вибрации, внешним полям, возможность автоматизации измерений, инерционность и т. д.
Механические манометры применяют для измерений в области низкого вакуума. В деформационных манометрах упругий элемент, связанный с индикатором, прогибается под действием разницы измеряемого и эталонного давлений (атмосфера или высокий вакуум). В сильфонных промышленных манометрах серии ВС-7 измеряв-мое давление вызывает перемещение сильфона, передающееся самописцу. Эти приборы имеют линейную шкалу до 760 тор и точность показаний 1,6%.
В мембранных манометрах мерой давления служит прогиб мембраны, причем в наиболее точных приборах этот прогиб измеряется электрическими методами с компенсацией прогиба (рис. 35). Емкость конденсатора между
где b — конструктивная константа прибора. Чувствительность такого прибора порядка 450 пф/тор, пределы измерения от 4-10~1до 10~3 тор. Верхний предел ограничен пробойным напряжением. Автоматически устанавливающееся напряжение компенсации выводится па прибор, проградуированный в торах. В компенсационных манометрах исключены погрешности, связанные с деформацией (нарушение упругости) [78].
мембраной и одним электродом включена в сбалансированный мост; отклонение мембраны от равновесия компенсируют электростатической силой другого конденсатора с регулируемым напряжением U:
Гидростатические и компрессионные манометры
Гидростатические манометры относятся к приборам абсолютного типа, так как измеряют непосредственно давление. Манометр представляет собой U-образную трубку с жидкостью. Один конец трубки соединен с измеряемым давлением Ртв, другой — с эталонным давлением Рк, равным атмосфере или условному нулю (высокий вакуум) в зависимости от того, открыт или закрыт этот конец. При открытом конце условие равновесия ртути в двух коленах имеет вид /?ПЗм+Л-Дъ где h — высота столба птути. Отсюда
Неудобство манометра с открытым концом — обратная зависимость Р, гч от h и связь показаний с переменным атмосферным давлением. При закрытом конце условие равновесия имеет вид Ризм = h + Рупр, где РупрС/г — упругость паров ртути; следовательно,
У манометра с закрытым концом размер трубки может быть меньше 760 мм. Для повышения чувствительности и снижения нижнего предела применяют ртуть вместо масла (выигрыш равен отношению плотностей) и наклон колена под углом ф к вертикали (выигрыш l/costp).
Уровень ртути измеряют с помощью катетометра с точностью до 0,01 мм. Точность измерений давления гидростатическими манометрами ограничена не измерением уровня ртути, а неопределенностью самого уровня из-за менисков и трудностью наблюдения уровня через стеклянные стенки трубки. Нижний предел измерений порядка 10 1 тор, погрешность около 0,1 тор.
Компрессионные манометры измеряют низкие давления ио высоте уровня ртути, причем давление предварительно повышается сжатием в точно известном отношении. До измерения уровень ртути понижен, и стеклянная система манометра заполнена газом при измеряемом давлении (рис. 36). В процессе измерения уровень ртути с помощью вспомогательного устройства поднимается, отделяет колбу с капилляром (общий объем V), сжимая в ней газ. Количество отсеченного газа равно РизмК Когда подъем прекращен, образуется разность уровней ртути в измерительном и сравнительном капиллярах h, характеризующая давление сжатого газа в незаполненной части капилляра: PcyK=h+Pti3v=h. Обозначая v незаполненный малый объем измерительного капилляоа и используя условие P„^.V ~ P,.-,,v. получаем где V/v — коэффициент компрессии манометра.
Существует два метода использования компрессионного манометра. При измерении методом линейной шкалы поднятие ртути прекращают, когда уровень ее в измерительном капилляре достигнет фиксированной отметки на расстоянии h\ от его верха. Тогда v = nd2hi/4, где d — диаметр капилляра:
При измерении методом квадратичной шкалы подъем прекращают, когда ртуть в сравнительном капилляре достигнет верха измерительного капилляра. В этом слу-
чае h одновременно служит мерой незаполненного объема:
Нижний предел манометра определяется его коэффициентом компрессии и тем ниже, чем больше объем колбы V и чем меньше V. Величина V ограничена разрушающим стекло весом ртути (при К=0,5 л вес ртути 6,8 кГ). Уменьшение v менее 0,1 см3 ограничено мениском, капиллярными явлениями и т. д. Отсюда при Л=1 мм получаем нижний предел компрессионного манометра порядка 5-10' 5 тор.
Компрессионный манометр допускает расчетную градуировку и является единственным манометром с этим свойством при давлениях до 10~5 тор. Он применяется в основном для калибровки косвенных манометров. Однако компрессионному манометру присуща погрешность, обусловленная откачивающим действием потока пара ртути, который истекает из манометра и понижает в нем давление. По аналогии с теорией диффузионного насоса имеем [791
Здесь Рман — давление газа в манометре; Ррт— давление паров ртути; /, г — длина и радиус трубки манометра; М, о — молекулярный вес и диаметр молекулы газа и ртути. Для воздуха при 18° С в манометре диаметром 2 см ошибка составляет 13%. При понижении температуры манометра ошибка уменьшается до единиц процента при 2—5° С из-за ослабления диффузии и уменьшения Ррт.
Важная особенность компрессионного манометра состоит в том, что он автоматически исключает из показаний парциальное давление паров Рп, конденсирующихся при сжатии. Действительно, пусть в исследуемой установке давление равно Ризм=Рг+Ль причем Рп<РуПр, т. е. в установке содержится пар, далекий от насыщения. Однако при сжатии пар насыщается, и равновесие поднятой ртути подчинено уравнению
Отсюда можно вычислить по показаниям манометра h исходное парциальное давление газа: по невозможно определить исходное давление пара. Для измерения Рг нужно знать упругость пара, входящего в состав исследуемой газовой смеси.