Компрессионный манометр

0

Принцип работы. В компрессионном манометре используется закон Бойля—Мариотта. Манометр (рис. 6-6) состоит из стеклянного баллона 1 с измерительным капилляром 2, верхний конец которого запаян. От баллона вниз идет припаянная к нему стеклянная трубка 5, имеющая ответвление 4, сообщающее измерительную часть манометра с вакуумной установкой. В свою очередь, трубка 4 развегвляет-ся в виде капилляра 5, по внутреннему диаметру одинакового с 2; капилляр 5 называется сравнительным.

К нижнему концу трубки 3 присоединяется приспособление, содержащее ртуть и позволяющее для измерения давления в вакуумной установке производить поднятие ртути до нужной высоты. На рис. 6-6 изображен один из вариантов этого приспособления в виде так называемой груши 6, присоединяемой к трубке 3 резиновым шлангом. Груша сверху открыта и, следовательно, над уровнем ртути в груше давление всегда равно атмосферному.

Разберем работу манометра.

Положение I. В вакуумной системе, к которой присоединен манометр, давление равно атмосферному (откачка не начата). Очевидно, при этих условиях уровни ртути в груше и в резиновом шланге будут одинаковы.

Положение II. Начинается откачка вакуумной системы. По мере уменьшения давления в вакуумной системе уровень ртути в резиновом шланге и далее в трубке 3 будет подниматься (в груше несколько понизится). Когда разность уровней достигнет соответствия атмосферному давлению (например, 750 мм), дальнейшее перемещение ртути прекратится, и манометр готов к измерению давления.

Положение груши и измерительной части манометра должно быть заранее предусмотрено так, чтобы до измерения поднимающаяся под действием атмосферного давления ртуть не могла дойти до ответвления 4. Это необходимо для того, чтобы сообщение между измерительной частью манометра и вакуумной системой не было, перекрыто ртутью и, следовательно-, чтобы до измерения в измерительной части было такое же давление, как и в вакуумной системе.

Положение III. Начинаем измерение давления в вакуумной системе. Для этого поднимаем грушу с ртутью; очевидно, вместе с этим будет подниматься и уровень ртути в трубке 3, и в некоторый момент, который мы отметим как положение III, ртуть перекроет сообщение измерительной части манометра с вакуумной системой. Начиная с этого момента, в измерительной части остается определенное количество- газа, занимающее в момент перекрытия объем Vi, складывающийся из объемов: измерительного капилляра, баллона и небольшого отрезка трубки между баллоном и ответвлением; давление же в этот момент, очевидно, совпадает с измеряемым давлением в вакуумной системе. Произведение давления на объем равно pV.

Положение IV. При дальнейшем поднимании груши как объем, так и давление газа в измерительной части манометра изменяются: объем становится меньше, а давление (по закону Бойля — Мариотта) во столько же раз больше. Положим, мы прекратили поднимание груши в момент, когда уровень ртути в измерительном капилляре занял положение 4, на расстоянии h от внутреннего верхнего конца измерительного капилляра. Очевидно, поскольку над уровнем ртути 4 в сравнительном капилляре будет оставаться весьма малое давление, он будет выше уровня ртути в измерительном капилляре как раз на величину, соответствующую давлению, до которого газ сжат в измерительном капилляре. Если расстояние (по вертикали) уровня ртути в сравнительном капилляре от внутреннего верхнего конца измерительного капилляра обозначить через h, то давление сжатого в измерительном капилляре газа будет измеряться- разностью уровней (h—h). Обозначим объем сжатого газа через V2; тогда произведение давления на объем газа в положении IV будет равно (h—h) V2.

Теперь можно определить давление р в вакуумной системе. Так как количество газа, перекрытого в момент, соответствующий положению III в измерительной части манометра, оставалось неизменным, температура практически также не изменилась, то можно применить закон Бойля— Мариотта и написать:

Таким образом, все измерение давления в вакуумной системе компрессионным манометром сводится к такому уменьшению первоначального объема газа Vi до объема У2, чтобы первоначальное весьма малое давление р, которое нужно измерить, было увеличено до давления (А—h), измеряемого непосредственно глазом по разности уровней ртути в измерительном и сравнительном капиллярах. Заметим, что достаточно правильное измерение давления (А—h) возможно лишь при условии, если будет исключено влияние так называемой капиллярной депрессии ртути; для этого сравнительный капилляр, как уже указывалось, должен иметь внутренний диаметр такой же, как и у измерительного капилляра; в частности, вследствие влияния капиллярной депрессии уровни ртути в широкой ветви трубки 4 (рис. 6-6) и в сравнительном капилляре никогда не будут одинаковы: в капилляре он будет тем ниже, чем тоньше капилляр.

Если давление (hT — h) мы отсчитываемгнепосредственно V, глазом, то отношение у мы непосредственно измерить не тт 1 У2 можем. Чтобы знать, чему равно отношение , мы должны пользоваться теми данными, которые дает предварительная градуировка манометра. В зависимости от способа градуировки существует два метода измерения давления компрес-


Отсюда искомое давление:

Метод линейной шкалы (рис. 6-7). Градуировка сводится к измерению объема Vb измерению поперечного сечения капилляра (d — внутренний диаметр капилляра) и определению такого расстояния h, чтобы объем V2 = — h составлял определенную (очень малую) долю от объема УР

Если теперь на наружной стороне измерительного капилляра на уровне, соответствующем этому расстоянию h, нанести метку с обозначением чис-к2 г ленного значения —= С, •I то можно написать:

Пусть, например, С= =2-104, а соответствующая этой метке отсчитанная разность уровней (hr — — h) = 3 мм, тогда искомое давление равно р = = 2-104-3 = 6 • 104 мм рт. ст.

Так как С для данной метки постоянно, то измеряемое давление р прямо пропорционально разности; отсюда и название метода линейной шкалы. При градуировке манометра на измерительном капилляре можно нанести не одну, а несколько меток на разных расстояниях /г от верхнего внутреннего конца капилляра. Очевидно, чем меньше /г, т. е. чем выше нанесена метка, тем большее сжатие претерпевает газ при измерении и, следовательно, тем меньшие давления можно измерить. Наоборот, для измерения больших давлений приходится пользоваться более низкими метками.

Метод квадратичной шкалы (рис. 6-9). Градуировка манометра сводится к измерению объема Vj и измерению поперечного сечения капилляра В этом случае давление в вакуумной системе равно:

Величина, как зависящая только от размеров манометра, является для данного экземпляра манометра постоянной. Обозначая эту постоянную через С, можем написать:

Удобнее всего производить отсчет, если при измерении останавливать ртуть так, чтобы /г = 0, т. е. чтобы в сравнительном капилляре уровень ртути при измерении был на:




Поскольку С является постоянной величиной, то при измерении этим методом искомое давление пропорционально квадрату разности уровней в измерительном и сравнительном капиллярах; отсюда и название метода квадратичной шкалы. Для определения р этим методом, поскольку постоянная С определена заранее (при градуировке манометра), удобно пользоваться таблицей, позволяющей значения h переводить непосредственно в значения давления р. Например, если при градуировке манометра постоянная С оказалась равной 3*10-5, то таблица имеет следующий вид (табл. 6-1):

Таблица 6-1

С = 3-10-5

Л, мм

Р мм рт. ст.

h, мм

р, мм рт. ст.

h. мм

А мм рт. ст.

h, мм

Р-мм рт. ст.

1

3-10-Б

6

1,08-Ю-з

11

3,62-Ю-з

16

7,70-Ю-з

2

1,2-10-4

7

1,47-Ю-з

12

4,32-10-3

17

8,67-Ю-з

3

2,7-10-4

8

1,92-Ю-з

13

5,07-Ю-з

18

9,72-Ю-з

4

4,8-10-4

9

2,43-10-3

14

5,87-Ю-з

19

1,08-10-2

5

7,5-10-4

10

3,0 -Ю-з

15

6,75-Ю-з

20

1,2 -10-2 и т. д.

Относительно чувствительности манометра к различным давлениям можно судить по постоянной С = Так же как и в случае метода линейной шкалы, чем больше баллон и тоньше капилляр, тем манометр более приспособлен к измерению низких давлений; наоборот, манометром с малым баллоном и широким капилляром можно пользоваться для измерения более высоких.давлений.

Капилляры берутся не уже 0,8 мм, иначе столбик ртути в капилляре может разорваться; объем баллона приходится также ограничивать (обычно до 250 cms), так как при больших объемах возникает опасность поломки манометра под тяжестью ртути. •

Особенности компрессионного манометра. Чтобы при измерении давления компрессионными манометрами не делать грубых ошибок, необходимо хорошо представлять себе следующие его особенности:

  • 3. Точные показания компрессионный манометр даст лишь в том случае, если применить вымораживание паров в вакуумной системе при помощи ловушки и тем самым свести парциальное давление паров к исчезающе малой величине. Тогда можно- положить рп = 0, и, поскольку в вакуумной системе -остаются только газы, давление будет измерено точно: р=рг.

Из формулы (6-7) нетрудно видеть, что- в этом случае для определенного давления р, на каком бы уровне мы ни остановили ртуть, т. е. каковы бы ни -были h и h, произведение h (h—h) должно оставаться постоянным, так как h

  • 4. Если вымораживания паров не применять, то- надо различать два случая:

А. В вакуумной системе присутствуют только такие пары, давление которых даже при сильном сжатии (в измерительной части манометра), когда они достигают насыщения, остается на глаз незаметным (например, не превышает 0,2 мм рт. ст.). В этом случае влияния давления паров в измерительной части манометра на разность уровней h—h практически заметить нельзя и, следовательно, значение h—h будет зависеть только- от парциального

  • 1. В измерительной части манометра над ртутью, вошедшей при измерении давления в баллон и далее в капилляр, всегда имеется парциальное давление насыщенных паров ртути, которое при комнатной температуре равно приблизительно 1 • 103 мм рт. ст. Но так как влияния такого давления на разность уровней h—h заметить нельзя, то с наличием паров ртути в измерительной части можно совершенно не считаться.

  • 2. Наличие же ртутных паров, а также паров других веществ в вакуумной системе искажает показания манометра. Искажение происходит по той причине, что в этом случае (но закону Дальтона) полное давление в вакуумной системе равно:

Но это означает, что манометр правильно показывает лишь парциальное давление газов, фактическое же давление в вакуумной системе равно. рполн ==рг}Рп- Положим, что, согласно показаниям манометра, давление в вакуумной системе равно всего 2 • ГО-5 мм рт. ст. Но если вымораживания паров мы не применили, то не нужно забывать, что 2 • 105 мм рт. ст. — это. только парциальное давление остаточных газов и что в вакуумной системе, кроме этих газов, присутствуют: пары ртути, распространившиеся в вакуумную систему из того же компрессионного манометра, лары рабочей жидкости из насосов (ртути или масел), а возможно, и пары других веществ, например вакуумных уплотнителей. Давление насыщенных паров всех этих веществ невелико, в сумме оно, может быть, составит всего 1 • КУ1 ммрт.ст., так что компрессионный манометр это давление не учтет, но фактическое давление в вакуумной системе все же будет равно не 2- 105 ммрт.ст., как покажет манометр, а сумме (2• 10-5+1 • 1О1) ммрт.ст., т. е. будет примерно, в 5 000 раз больше измеренного.

Б. В вакуумной системе присутствуют пары, давление которых при сжатии в измерительном капилляре, т. е. в состоянии насыщения, уже настолько велико, что оно заметно влияет на разность уровней h—h”.

В этом случае при определенном давлении произведение h(h—h) уже не останется постоянным, а будет зависеть от высоты, до которой поднята ртуть при измерении; в предельном случае, когда в вакуумной системе газов совершенно нет, а есть только пары, при измерении давления, т. е. по мере поднятия ртути, постоянное значение будет, очевидно, сохранять не произведение h (h—h), а разность h—h, измеряющая давление насыщенных паров.

Например, если в вакуумной системе имеется только водяной пар, а газов нет, то при измерении., когда ртуть войдет в измерительный капилляр, мы будем наблюдать постоянную разность h—/г— 20 мм, на каком бы уровне, h или h, мы ни останавливали ртуть. Эта разность измеряет давление насыщенных паров воды при комнатной температуре.

Таковы особенности компрессионного манометра, связанные с наличием или отсутствием паров в вакуумной системе. Кроме этих особенностей, отметим следующие:

  • 5. Верхний предел давлений, которые можно измерять компрессионным манометром, зависит, как уже отмечалось, от размеров измер.ительной части. При достаточно малом баллоне и широком капилляре верхний предел может достигать нескольких миллиметров ртутного столба.

  • 6. Нижним пределом, который можно еще достаточно точно измерить компрессионным манометром, можно считать давление 1 • ГО-5 мм рт. ст. Более низкие- давления измеряются неточно, так как искажение цилиндрической

формы, которое вносит закругленный конец измерительного капилляра, сказывается тем сильнее, чем ниже давление (меньше h или h).

7. При очень низких давлениях (1 • 106 и ниже) может быть достигнуто такое положение, что1 разность между уровнями ртути в закрытом и открытом капиллярах остается равной нулю при поднятии ртути даже до самого конца измерительного капилляра. В этом случае в зависимости от чистоты внутренних стенок капилляра и ртути может наблюдаться прилипание ртути к вершине измерительного капилляра; это прилипание может удерживаться, даже если при опускании груши ртуть в сравнительном капилляре опустится на несколько миллиметров (рис. 6-10). В этом случае часто говорят, что достигнут «вакуум прилипания», т. е. дается лишь качественная оценка достигнутого вакуума.

  • 8. Компрессионный манометр является абсолютным манометром, т. е. его можно рассчитать и проградуировать независимо,, без сравнения с показаниями какого-либо другого манометра.

  • 9. Большим достоинством компрессионного манометра является легкость его изготовления (стеклодувная работа).

  • 10. К числу недостатков следует отнести: 1) невозможность компрессионным манометром вести непрерывное наблюдение за изменением давлений в вакуумной системе, так как каждое измерение относится лишь к давлению в момент перекрытия сообщения между вакуумной системой и измерительной частью (в положении 777); 2) довольно большая длительность каждого измерения; 3) вредность ртутных паров для работающих; компрессионные манометры, в которых вместо ртути применяется масло с низким давлением насыщенного пара, в настоящее время разрабо

Способы поднятия ртути. Способ поднятия ртути при помощи груши не является единственным; он обладает тем недостатком, что из груши (вредные пары ртути всегда распространяются в окружающее помещение. Кроме того, ртуть быстро загрязняется в резиновом шланге. Поэтому разработаны также следующие способы.

Способ тройного крана (рис. 6-11). Грушу заменяет неподвижный стеклянный баллон 1, стеклянная трубка 2 сообщает балдон с манометром. Трубка имеет продолжение внутрь баллона, заканчиваясь на некотором расстоянии (3-4-5 мм) от дна. От баллона отходит вторая труба 3, ведущая к тройному крану, снабженному одним боковым отверстием и двумя трубками 4 и 5. Пусть трубка 4 сообщена с атмосферой, а трубка 5 — с вакуумной подводкой. Тогда при повороте крана отверстием в сторону трубки 4 над поверхностью ртути в баллоне будет атмосферное давление. Уровень ртути в трубке, сообщенной с манометром и, следовательно; со всей вакуумной системой, может при этом занимать различное положение в зависимости от того, какое давление в вакуумной системе. Если в вакуумной системе также атмосферное давление, то, очевидно, уровни ртути в баллоне и в трубке 2 будут одинаковы (если исключить небольшое влияние капиллярной депрессии); если же вакуумная система откачана, то по мере проникновения атмосферного воздуха через трубку 4 в баллон уровень ртути в трубке 2 будет перемещаться вверх, уровень ртути в баллоне—вниз. Это перемещение прекратится лишь тогда, когда превышение уровня ртути в трубке 2 достигнет соответствия атмосферному давлению или ранее, если мы закроем кран (т. е. повернем его пробку так, чтобы боковое отверстие пришлось на участок между трубками 4 и 5). Таким образом, поворотом крана в сторону трубки 4 осуществляется поднятие ртути для измерения давления. Очевидно, длина трубки 2 должна быть рассчитана так, чтобы атмосферного давления было достаточно для подъема ртути при измерении.

После измерения мы должны опустить ртуть, чтобы снова сообщить измерительную часть манометра с вакуумной системой; для этого кран поворачивается в положение, при котором боковое отверстие пробки приходится против трубки 5, сообщенной с вакуумной подводкой. При таком положении крана давление над ртутью в баллоне будет падать, уровень ртути в трубке 2 будет перемещаться вниз, в баллоне — соответственно вверх; перемещение прекратится лишь тогда, когда превышение уровня ртути в трубке 2 достигнет соответствия давлению, поддерживаемому в трубке 5, или когда тройной кран будет закрыт. Очевидно, что в трубке 5 достаточно иметь лишь грубый вакуум, позволяющий опустить ртуть в трубке 2 хотя бы до уровня лишь немного ниже разветвления, так чтобы восстановилось сообщение между измерительной частью манометра и вакуумной системой.

Способ тройного крана, для поднятия ртути в компрессионном манометре свободен от недостатков, связанных с применением груши, но предъявляет дополнительные требования. Необходимо создание вакуума со стороны трубки 5, для чего1 лучше всего пользоваться или отдельным, хотя бы грубым, насосом, или же присоединить трубку 5 к централизованной вакуумной подводке. Требуется большая осторожность при поворотах тройного крапа: атмосферный воздух должен входить через трубку 4 медленно, для чего конец трубки обязательно оттягивается так, чтобы она оканчивалась достаточно узким отверстием; нельзя оставлять тройной кран открытым на вакуум, так как в случае аварии ртуть может переброситься в трубку 3 и далее через кран в трубку 5; не надо забывать, что при пуске вакуумной системы на откачку необходимо следить за подъемом ртути в трубке 2, так как нельзя допускать, чтобы ртуть проникла в измерительную часть манометра; для этого, по мере откачки и связанного с ней перемещения ртути по трубке 2 надо периодически осторожно открывать тройной кран на вакуум; когда со стороны трубки 3 давление станет достаточно низким и можно уже не опасаться, что ртуть в трубке 2 войдет в измерительную часть манометра, тройной кран можно закрыть. Существует способ такого присоединения тройного крана, при котором опасность, связанная с перемещением ртути вверх по трубке 2, в начале откачки полностью устраняется: его мы разберем при изучении вакуумных схем для откачных постов (рис. 8-28).

Вариантом способа тройного крана является присоединение трубки 5 не к вакуумной подводке, а к централизованной подводке сжатого воздуха (для поднятия ртути при измерении); трубка 4, соединенная с атмосферой, служит в ютом случае для опускания ртути после измерения. Длина трубки 2 должна быть настолько большой, чтобы при открывании тройного крана на атмосферу (в сторону трубки 4) ртуть даже при откачанной системе оставалась ниже измерительной части манометра (как и в случае груши). Это создает известное неудобство, так как связано с необходимостью более высокого расположения измерительной части. Однако это неудобство компенсируется устранением опасности с перебрасыванием ртути и с ее попаданием в измерительную часть манометра в начале откачки. Кроме того, этот вариант способа тройного крана1 требует наличия сжатого воздуха с избыточным давлением в несколько1 сот миллиметров ртутного столба

Способ гофрированного резервуара (рис. 6-12). Поднятие ртути осуществляется путем сжатия резервуара 1, изготовляемого из гофрированного стального цилиндра (сталь не реагирует с ртутью). Ртуть опустится, если резервуару придать первоначальные размеры.

Каким путем можно изменить объем резервуара, ясно из фигуры.

Описанный способ хорош во всех отношениях, но пока не получил большого распространения.

При всех способах поднятия ртути для измерения давления компрессионным манометром существует опасность перебрасывания ртути в вакуумную систему, если ртуть поднимется слишком высоко по трубке, ведущей к вакуумной системе. Для устранения этой опасности рекомендуется применение несложного устройства, называемого клапаном с «портиком» (рис. 6-13), вставляемого в гаком месте трубки, выше которого поднятие ртути допускать не следует. При попадании столба ртути в клапан «чортик» всплывает, прижимается к верхнему сужению клапана и не пропускает ртуть.

Ртуть для компрессионного манометра должна, быть хорошо предварительно очищена и осушена. Точно так же внутренние стенки стеклянных частей манометра необходимо промывать раствором H2SO4 + CrO3 (хромовой смесью) и дистиллированной водой, после чего подвергать тщательной сушке. Если применяются резиновые шланги, то их также необходимо предварительно прокипятить в слабом (5%) щелочном растворе, промыть дистиллированной водой и тщательно высушить.

Градуировка компрессионного манометра. Сущность градуировки компрессионного манометра была уже выяснена при рассмотрении методов линейной и квадратичной шкал. Здесь мы рассмотрим, каким образом следует измерять объем измерительной части Vi и поперечное сечение капилляра, а также сделаем ряд дополнительных замечаний.

Измерение объема Vi удобно совместить с промывкой манометра дистиллированной водой до присоединения его к приспособлению для поднятия ртути. Для этого манометр опрокидывается в положение капилляром вниз и в него из мерного стакана наливается дистиллированная вода точно до начала разветвления к сравнительной части; по убыли воды из мерного стакана определяется объем

После промывки и просушки манометра можно провоr.d2 дить измерение поперечного сечения капилляра


Для этого в измерительный капилляр вводится заранее взвешенная капля чистой ртути так, чтобы она вошла в капилляр целиком, но в то же время не заняла всей длины капилляра; особенно важно, чтобы столбик загнанной в капилляр ртути не заходил в участок капилляра, где он начинает расширяться при переходе к измерительному шару. Если вес загнанного столбика ртути равен Р, а длина его равна I, то нетрудно сообразить, что поперечное сечение равно:

В случае работы по методу линейной шкалы величину можно рассматривать как объем капилляра на единицу его длины; следовательно, расстояние /г от вершины закрытого капилляра до метки, соответствующей заданному отношению С=у2, можно вычислить из уравнения

Очевидно, поскольку величины h, h или h всегда измеряются в миллиметрах, остальные величины, как V2 d и I, надо измерять также соответственно в кубических или линейных миллиметрах, а вес капли ртути—миллиграммах.

При работе с ртутью необходимо соблюдать осторожность, не допуская ее потерь, чтобы не загрязнять рабочее место.

Leave A Reply