Вимірювання вакууму
Вакуумом (від латинського vacuum - порожнеча) називають стан розрядженого газу, коли його тиск значно нижче атмосферного. Кількісною характеристикою вакууму є абсолютний тиск.
У техніці низьких тисків часто використовуються вирази, подібні наступним: «Тиск мінус четверта, відкачав до мінус п'ятій». Мається на увазі тиск у вакуумній системі, відповідно 10 -4 і 10 -5 мм рт. ст. Характер протікання фізико-хімічних процесів у вакуумі залежить від співвідношення між числом зіткнень молекул залишкового газу зі стінками посудини і числом взаємних зіткнень молекул. Це співвідношення, взагалі кажучи, характеризує число молекул в даному обсязі (вакуумній камері). Чисельно це співвідношення характеризується відношенням середньої довжини вільного пробігу молекул X до характерного (визначає) лінійного розміру s розглянутого обсягу. Це ставлення покладено в основу поділу областей вакууму на наступні діапазони: низький, середній, високий і надвисокий вакуум.
Низький вакуум - λ <> S - відповідна область тисків від 0,1 до 10 -5 Па. Надвисокий вакуум характеризується тим, що не відбувається помітної зміни властивостей поверхні, спочатку свобод-ної від адсорбованого газу, за час, істотне для даного процесу. До надвисокого вакууму відносять область тисків нижче 10 -5 Па.
Ступінь розрідження, що досягається в відкачуваних обсягах, визначається рівноважним тиском, що встановлюється під дією як мінімум трьох процесів: 1) відкачування газу за допомогою насосів (або будь-якого його поглинання); 2) натекания газу через зазори в розглянутому обсязі; 3) газовиділення від стінок посудини (або газопронікновенія через них).
Тут необхідно зазначити, що абсолютно герметичних сосу-дів не існує. Важливим є поняття «чистоти» вакууму. Справа в тому, що при використанні різного роду механічних або пароструминних насосів в відсмоктується обсяг можуть потрапляти молекули робочої рідини насоса, наприклад, масла, і тим самим спотворювати складу залишкового газу. Крім того, слід мати на увазі, що швидкість відкачування різних газів неоднакова, і, починаючи відкачувати обсяг, заповнений повітрям, де основні компоненти азот (
20%), при тиску порядку 10 -5 мм рт. ст. в камері отримують зовсім інше співвідношення залишкових компонентів.
Прилади, призначені для вимірювання тиску, значи-тельно нижче атмосферного, називають вакуумметрами. Вакуумметри складаються з перетворювача тиску (ПД) і вимірювального блоку (ІБ). ПД - пристрій, що приєднується до вакуумній камері для безпосереднього сприйняття тиску і перетворення його в іншу фізичну величину, що підлягає вимірюванню. ІБ - пристрій, що забезпечує необхідний режим роботи ПД, посилення і вимір його вихідного сигналу.
Вакуумметри класифікують за принципом дії і методу вимірювання тиску. За методом вимірювання розрізняють вакуумметри, засновані на абсолютних або непрямих вимірах.
До першої групи відносять вакуумметри, безпосередньо вимірюють тиск як силу, що діє на поверхню чутливого елемента. Це рідинні, вантажопоршневі і деформаційні вакуумметри, що характеризуються незалежністю показань від роду залишкового газу. Найменший тиск, яке можна виміряти приладами цієї групи, становить 10 -4 - 10 -5 Па.
До другої групи відносять вакуумметри, принцип дії яких заснований на використанні залежності параметрів деяких фізичних процесів від тиску. Це іонізаційні, в'язкі, радіометричні й теплові вакуумметри.
Показання вакуумметра непрямого методу вимірювання залежать від роду залишкового газу. Градуювання таких приладів зазвичай проводять по повітрю або азоту, а для вимірювання тиску інших газів використовують поправочні коефіцієнти. Прилади цієї групи дозволяють вимірювати тиску до 10 -12 Па. Принцип дії рідинних вакуумметрів (рис. 6.19) заснований на зрівноважуванні вимірюваного тиску (або різниці тисків) тиском стовпа рідини. Про вимірюваний тиск судять по висоті врівноважує стовпа рідини.
ростейшійU -образний вакуумметр є зігнутою у вигляді букви U скляну трубку постійного перетину, заповнену рідиною. Внутрішній діаметр трубки щоб уникнути похибок, викликаних дією капілярних сил, повинен бути не менше 7 мм. Один кінець трубки з'єднують з вакуумною системою (РГ), а інший може бути відкритим або закритим. Тиск в закритому коліні має бути значно менше вимірюваного. Вимірюється тиск розраховують за формулами:
Мал. 6.19. Принцип дії
з закритим коліном -
де РА - атмосферний тиск;
Діапазон вимірюваних значень тиску залежить від рідини, геометричних розмірів приладу та способу вимірювання різниці рівнів, для чого використовують різні методи - від звичайної лінійки з міліметровими розподілами до інтерференційних методів. В останньому випадку точність відліку рівнів становить
10 -5 мм, а межа вимірювання тиску -10 -3 Па.
В якості робочих рідин вибирають рідини з малим тиском насиченої пари і малої здатністю до розчинення газів. Для вимірювання тиску, близького до атмосферного, необхідно вибирати рідина з великою щільністю (зазвичай ртуть), а для вимірювання малих тисків - рідини з мінімальною щільністю (часто використовують вакуумне масло).
В деформаційних вакуумметрах тиск визначають по деформації пружного елемента, що відбувається під дією різниці тисків. Такі вакуумметри розрізняють за типом чутливого елемента і способу вимірювання деформації.
За типом чутливого елемента - трубчасті, сильфонні, мембранні. У трубчастих і сильфонних вакуумметрах рухому частину чутливого елемента через систему зубчастих передач з'єднують зі стрілкою, по відхиленню якою судять про тиск.
У мембранних вакуумметрах для визначення прогину мембрани використовують оптичні, але частіше електричні методи. В останньому випадку прогин вимірюють за допомогою тензопреобразователь або застосовують ємнісний метод, при якому мембрана спільно з нерухомим електродом утворює конденсатор, ємність якого змінюється при зміні тиску. При незначних прогибах відносна зміна ємності прямо пропорційно зміні тиску. Мембранні перетворювачі дозволяють вимірювати тиск від атмосферного до 10 -4 Па (про що вже згадувалося при описі ємнісних датчиків).