МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЙ - ЧАСТЬ 5

p

1

min

≈ 13600 · 9.8 · 10

−7

≈ 1.3 · 10

−2

Па = 10

−4

торр.

(38)

Для масла

p

1

min

≈ 850 · 9.8 · 10

−7

≈ 8.3 · 10

−4

Па = 6

· 10

−6

торр.

(39)

Следует отметить, что при измерении давлений ниже 1 Па

(

∼ 10

−2

торр) U-образные манометры неудобны в работе из-за

невысокой точности при традиционных (к примеру, с помощью
линейки) методах отсчета уровня жидкости. В1874 году Мак-
Леод предложил конструкцию компрессионного манометра.

2.2.

Манометр Мак-Леода (компрессионный
манометр)

Суть измерений данным манометром практически совпадает
с измерениями U-образным манометром с той лишь разницей,
что газ при начальном давлении, равном измеряемому P , сжи-
мается и измеряется разность давлений между двумя сообщен-
ными сосудами. Перед измерением сосуд с ртутью опущен на-
столько низко, чтобы при откачке ртуть не перекрывала раз-
ветвление трубки (3) на измерительную часть и часть, иду-
щую к вакуумной системе. Для проведения измерений сосуд с
ртутью поднимают. При перекрытии разветвления отсекается
объем стеклянного сосуда и измерительного капилляра V

1

при

давлении P

1

. При дальнейшем поднятии сосуда газ в измери-

тельной части сжимается.

При измерении давления манометром Мак-Леода приме-

няют либо метод линейной шкалы, либо метод квадратичной
шкалы. Суть измерений по методу линейной шкалы заключа-
ется в том, что газ в измерительном капилляре сжимают до
какой-то фиксированной отметки:

P

1

V

1

= (P

1

+ h)V

2

.

(40)

20

Рис. 3. Принцип действия компрессионного манометра. 1 – баллон,
2 – запаянный измерительный капилляр, 3 – стеклянная трубка, 4 –
ответвление на вакуумную систему, 5 – сравнительный капилляр, 6 –
сосуд с ртутью, 7 – соединительный шланг, 8 – к вакуумной системе

При малых давлениях P

1

<< h. Тогда

P

1

V

1

≈ hV

2

;

P

1

=

V

2

V

1

h.

(41)

Вслучае измерений по методу квадратичной шкалы ртуть в

сравнительном капилляре (5) доводят до уровня, соответству-
ющего верхушке измерительного капилляра (2). Вэтом случае
объем газа после сжатия определится как V

2

= πd

2

h, где h

— разность уровней ртути в измерительном и сравнительном
капиллярах:

P

1

=

V

2

V

1

h =

πr

2

V

1

h

2

.

(42)

21

Задача 2

Оценить минимальное давление, которое можно измерить с

помощью манометра Мак-Леода, если объем сосуда составляет
0.7 л, диаметр капилляра — 2 мм.
Решение

Пусть измерения проводятся по методу квадратичной шка-

лы. Предположим, что h

min

= 10 мм. V

1

= 0.7 л = 0.7

· 10

6

мм

3

.

Тогда P

min

равно (в мм рт. ст.)

P

1

=

πr

2

V

1

h

2

=

3.14

· 1

0.7

· 10

6

10

2

= 4.5

· 10

−4

.

(43)

2.3.

Деформационные манометры

Вдеформационных манометрах мерой давления служит ве-
личина деформации чувствительного элемента под действием
разности давлений. Влабораторной практике и в промышлен-
ности при измерении давлений от 10

−2

торр до нескольких ат-

мосфер применяют деформационные манометры трех основ-
ных типов: трубчатые, мембранные и деформационные.

Втрубчатых манометрах в качестве чувствительного эле-

мента используют трубку, свернутую в спираль. Один конец
трубки подключен к вакуумной системе, а другой — запаян и
соединен со стрелкой, угол поворота которой прямо пропорци-
онален разности атмосферного давления и давления в системе.
Недостатком такого манометра является зависимость показа-
ний от атмосферного давления.

Мембранные манометры лишены подобного недостатка. В

мембранном манометре мембрана разделяет откачанный до
давления

∼ 10

−3

мм рт. ст. объем сравнения и объем с из-

меряемым давлением. Поскольку давление в объеме сравнения
низко, можно считать, что манометр измеряет непосредственно
искомое давление.

Принцип действия сильфонных манометров тот же, но мем-

брана в них заменена гофрированной трубкой — сильфоном.
При тех же габаритах сильфоны имеют гораздо меньшую жест-

22

кость, что позволяет обеспечить б´

ольшую чувствительность из-

мерений.

Преимуществами мембранных и сильфонных методов яв-

ляется возможность электрической регистрации давления, то
есть непрерывной его записи в ходе эксперимента. Для этого
используют емкостной, индукционный или механотронный ме-
тод регистрации. При применении емкостного метода мембра-
на является подвижной обкладкой емкости. Вслучае индукци-
онного метода регистрации мембрана соединяется с сердечни-
ком катушки индуктивности, включенной в схему чувствитель-
ного моста. Разбаланс моста при прогибе чувствительного эле-
мента регистрируется измерительным прибором. Механотрон-
ный метод регистрации основывается на неподвижном соедине-
нии подвижной мембраны с катодом разрядной системы. При
перемещении мембраны меняется расстояние между катодом
и анодом и соответственно изменяются характеристики разря-
да. Типичный динамический диапазон работы механотронных
преобразователей составляет несколько порядков величины.

2.4.

Тепловые вакуумметры

Принцип действия теплового вакуумметра основан на зависи-
мости теплопроводности газа от давления в области низких
давлений. Преобразователь давления теплового вакуумметра
представляет собой баллон, внутри которого расположен на-
греваемый электрическим током элемент (чаще всего нить).
Чувствительный элемент изготовляется из материалов с высо-
ким температурным коэффициентом сопротивления (платины,
вольфрама).

Существуют два способа измерения давления тепловыми

вакуумметрами: при постоянной температуре нити (вакуум-
метры сопротивления) либо при постоянном токе накала чув-
ствительного элемента (термопарные вакуумметры). Измери-
тельная часть вакуумметра сопротивления (рис. 4а) содержит
мост Уитстона для измерения сопротивлений. При постоянной
температуре нити мост сбалансирован. При изменении давле-

23