Вопрос 2 Еденицы измерения давления. Классификация ваккууаметров

Давлением р называют отношение абсолютной величины нормального, то есть действующего перпендикулярно к поверхности тела со стороны жидкости или газа, вектора силы к площади этой поверхности. Если сила равномерно распределена по площади, то указанное отношение задает точное (и одинаковое) значение давления в каждой ее точке, в противном же случае – только его среднее значение по площади. Истинное значение давления, как правило, меняется от точки к точке на поверхности и определяется следующей формулой:

Давление, в соответствии с законом Паскаля, передается в среде без изменений и равномерно во все стороны. Таким образом, давле- ние направлено перпендикулярно к любой внутренней площадке среды независимо от ее формы и ориентации в пространстве.

Давление, измеряемое относительно абсолютного вакуума (состояние среды в замкнутом объеме, если бы из него были удале- ны все молекулы), называют абсолютным давлением. Барометри- ческое давление – это абсолютное давление, создаваемое земной атмосферой. Оно зависит от конкретных условий: температуры воз- духа и высоты расположения точки измерения над уровнем моря. Давление, которое больше или меньше атмосферного, но измеряет- ся относительно атмосферного, соответственно называют избы- точным. Если эта разность между абсолютным и атмосферным давлением больше нуля, то для нее используется термин маномет- рическое давление, если же она отрицательна, то ее величина назы- вается вакуумметрическое давление. Разность давлений среды в двух различных процессах или двух точках одного процесса, при котором ни одно из давлений не является атмосферным, называют дифференциальным давлением.

В настоящее время для измерения давления используют как си- стемные, так и внесистемные единицы давления. В соответствии со стандартом (СТ СЭВ 1052–89) единицы давления определяются од- ним из двух способов:

• через высоту столба жидкости, уравновешивающей измеряемое давление в конкретном физическом процессе: в единицах водяного столба при 4 °С или ртутного столба при 0 °С при нормальном уско- рении свободного падения. В англоязычных странах используются соответствующие единицы in Н2О – дюйм вод. ст. или ft Н2О – фут вод. ст., а также in Нg – дюйм рт. ст.;

• через единицы силы и площади. В Международной системе единиц (СИ), принятой в 1960 году, единицей давления является Па (паскаль), определяемая действием силы в 1 Н на единицу поверх- ности 1 м2, отсюда 1 Па = 1 Н/м2. Наряду с системой СИ при изме- рениях давления продолжают использоваться единицы и других, более ранних систем, а также внесистемные единицы. В техниче- ской системе единиц МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда) сила измеряется в килограммах силы (1 кгс ~ 9,81 Н). Единица давления в МКГСС (1 кгс/м2) получила название технической атмосферы. В случае измерения в единицах технических атмосфер избыточного давления используется обозначение ати. В физической системе единиц СГС (сантиметр, грамм, секунда) единицей силы является дина (1 дин = 105 Н). В рамках СГС введена единица давления бар (1 бар = 1 дин/см2). Существует также одноименная внесистемная метеорологическая единица 1 бар = 106 дин/см2 (стандартная атмосфера). Кроме указанных единиц на практике используется такая внесистемная единица, как физическая или нормальная атмосфе- ра (атм.), которая эквивалентна уравновешивающему столбу 760 мм рт. ст. В англоязычных странах широко распространена единица давления psi (1 psi = 1 bf/in2) – фунт силы на квадратный дюйм (1 фунт = 0,4536 кгс, 1 дюйм = 2,54 см). При измерении абсолютного и избыточного давления используются соответственно обозначения psia (абсолютное) и psig (избыточное). Соотношения между применяемыми единицами давления приведены в таблице.

Таблица 1 Соотношения между различными единицами измерения давления

Обозначение единиц	Па	кгс/см2	атм.	бар	мм рт. ст.	мм вод. ст.
Па	1	1,02 · 10–5	9,87 · 10–6	10–5	75 · 10–4	0,102
кгс/см2	9,81 · 104	1	0,968	0,981	736	104
атм.	1,013 · 105	1,033	1	1,013	760	1,033 · 104
бар	105	1,02	0,987	1	750	1,02 · 104
мм рт. ст.	133	1,36 · 10–3	1,32 · 10–3	1,33 10–3	1	13,6
мм вод. ст.	9,81	10–4	9,68 · 10–5	9,81 · 10-5	7,36 · 10–2	1

Диапазон давлений, измеряемых в технике, достаточно широк: от 10–8 Па в электровакуумном оборудовании до 103 МПа при обра- ботке металлов давлением. Для воспроизведения единиц давления используются первичные (национальные) и вторичные (рабочие) эталоны давления. Для поддиапазона давлений 1–100 кПа в каче- стве первичного эталона, как правило, используется ртутный двух- трубный (U-образный) манометр с лазерным считыванием высоты мениска. Погрешность считывания для данного эталона – не более 10–3 мм, а абсолютная суммарная погрешность прибора, в том чис- ле учитывающая влияние температуры, не превышает 0,0005 % от верхней границы диапазона. Для поддиапазона 100 кПа–100 МПа применяются газовые грузопоршневые манометры с точностью 0,0035–0,004 % от показаний. Газовые и жидкостные грузопоршне- вые манометры используются как рабочие эталоны для передачи единиц давления промышленным образцовым приборам, их точность составляет 0,01–0,1 %.

Вакуумметр – манометр, необходимый для измерения давления разреженных газов. Область его применения широка - от сфер промышленности до использования в лабораториях, строительстве, транспортной области и научных исследованиях.

За десятилетия совершенствований и разработок было создано огромное разнообразие вакуумметров, различных по техническим особенностям.

Классификация вакуумметров в зависимости от типа устройства

К этой категории относятся:

жидкостный;

механический: мембранный, деформационный и т.д.;

тепловой: термопарный, теплоэлектрический;

компрессионный: вакуумметр Мак-Леода;

ионизационный;

магнитный;

вязкостный;

электроразрядный;

радиометрический.

Вакуумметры, представленные выше, вы можете использовать для измерения полного давления.

Однако, нередко встречаются ситуации, когда требуется измерить другие разновидности газа. Например, в случае с парциальным давлением необходимо работать со специальными измерителями и масс-спектрометрами. В связи с этим мы получаем еще одну классификацию вакуумных манометров.

Классификация вакууметров по принципу действия:

Классический вакууметр

Границы измеряемого давления: 10 (0,075) – 100000 (750) Па. (мм.рт.ст.).

Принцип действия.
Классический вакуумметр - это типичный манометр (жидкостный или анероид), с помощью которого можно измерять малые давления.

Для жидкостного вакуумного манометра характерно применение в измерительном колене масла с заранее известной плотностью. Это гарантирует наличие условий для вакуума. Как правило, для изоляции от другой части вакуумной системы одновременно с вакуумным манометром используют “азотные ловушки”. Они представляют собой устройства, которые наполняются жидким азотом и служат для вымораживания паров рабочего вещества манометра.

Анероид характеризуется отсутствием жидкостей при измерении давления. Такой вакуумметр состоит из металлической коробки в форме цилиндра с созданным внутри нее разрежением. Снаружи к ней прикреплена пружина (мембрана), которая двигается в зависимости от атмосферного давления. Если оно повышается - коробка сжимается и пружина подтягивается, если понижается - коробка расширяется, а пружина отталкивается. В результате, движение пружины в системе рычагов двигает стрелку на шкале, где и показывается уровень измеряемого давления.

Ёмкостный вакууметр

Границы измеряемого давления: 1 (0,0075) – 1000 (7,5) Па. (мм.рт.ст.)

Принцип действия.
Ёмкостный вакуумметр призван измерять давление до высокого вакуума, вид газа не имеет значения. Такие манометры используются для определения относительного давления. Принцип работы строится на реакции ёмкости конденсатора, размер которой меняется в зависимости от изменений расстояния между обкладками. Одна из них - гибкая мембрана, которая и влияет на изменение ёмкости конденсатора при смене давления. Если измерить эту обкладку-мембрану и провести градуировку, то с помощью устройства можно определять давление.

Термопарный вакууметр

Границы измеряемого давления: 10−1 (10−3) – 103 (10) Па. (мм.рт.ст.)

Принцип действия
Ключевым элементом термопарного вакуумметра является термоэлектрический преобразователь, так как в этом механизме важна теплопроводность и охлаждение за счет термопары. Данные вакуумные манометры считаются самыми бюджетными приборами (среди аналогов), с помощью которых можно измерить средний и низкий вакуум.

Вокруг термопары, которая контактирует с нагреваемым проводом, создается давление. Оно напрямую зависит от теплопроводности разреженного газа, так как от температуры в вакууме зависит нагрев термопары. При низкой теплопроводности газа температура проводника увеличивается, и с помощью этого изменения можно определить давление. Примерами термопарного вакуумметра являются отечественные ПМТ-2 и ПМТ-4.

Терморезисторный вакуумметр

Границы измеряемого давления: 10−1 (10−3) – 1,013 (760) Па. (мм.рт.ст.)

Принцип действия.
Работа терморезисторного вакуумметра основана на мостовой схеме, задача которой - постоянная поддержка сопротивления терморезистора (им может являться платиновая нить - манометр Пирани). Тут существует прямо пропорциональная зависимость между напряжением на датчике и давлением: если давление газа увеличивается, то также нужно увеличить и подводимую к терморезистору мощность, чтобы температура оставалась неизменной.

Как и в термопарном вакуумметре, в датчике Пирани для преобразования тепловой энергии в напряжение применяется нить накала. Однако датчик Пирани является более точным, так как в его механизм впаяна электрическая схема.

Кроме датчика Пирани в качестве примера можно привести отечественные датчики ПМТ - 6-3.

Ионизационный вакуумметр

Границы измеряемого давления: 10−10 (10−12) – 10 (10-1) Па. (мм.рт.ст.)

Принцип действия.
Работа такого вакуумметра основана на ионизации газа. На ионы оказывает влияние магнитное поле и электрический разряд. Под таким воздействием атомы должны набрать скорость, зависящую от степени сжатия вакуума. Если снизится давление газа, то уменьшится количество частиц, которые могут подвергнуться процессу ионизации. Следовательно, сократится и ионизационный ток, который протекает между атомами при таком напряжении.

С помощью ионизационного вакуумметра можно измерить давление в высоком вакууме. Основными примерами таких манометров являются вакуумный датчик Байярд-Альперт и вакуумный манометр с холодным катодом.

Альфатрон

Границы измеряемого давления: 10−1 (10−3) – 103(10) Па. (мм.рт.ст.)

Принцип действия.
Альфатрон является подвидом ионизационного вакуумметра. Отличие состоит в используемых для ионизации частицах - здесь вместо электронов применяются α-частицы, которые испускает источник радия или плутония (примерно 0,1-1 мКюри).

Преимущества перед вакуумметром с катодом: простота, надежность, точность. Недостаток: не могут дать точные измерения из-за низкой чувствительности, которая затрудняет определение сверхмалых токов.