Испытания вакуумных систем. Часть 3. Методы и приборы измерения давлений в вакуумных установках

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

Н.К. Никулин, Д.А. Калинкин

ИСПЫТАНИЯ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ

Часть 3

МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЙ
В ВАКУУМНЫХ УСТАНОВКАХ

Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2007

УДК 531.788(075.8)
ББК 31.77
Н65
Рецензенты: А.М. Зимин, Б.Т. Маринюк

Никулин Н.К., Калинкин Д.А.
H65
Испытания вакуумных систем. – Ч. 3: Методы и приборы измерения
давлений в вакуумных установках: Учеб. пособие. – М.: Издво МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2007. – 48 с: ил.

ISBN 9785703829813

Описаны основные методы и приборы измерения общих и парциальных давлений в вакуумных системах, методы градуировки вакуумметрической аппаратуры, приведен обзор отечественных приборов.
Для студентов старших курсов МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Табл. 14. Ил. 15. Библиогр. 5 назв.

УДК 531.788(075.8)
ББК 31.77

Учебное издание

Николай Константинович Никулин
Дмитрий Анатольевич Калинкин

ИСПЫТАНИЯ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ

Часть 3

МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЙ
В ВАКУУМНЫХ УСТАНОВКАХ
Редактор А.В. Сахарова
Корректор Л.И. Малютина
Компьютерная верстка И.А. Марковой

Подписано в печать 01.02.2007. Формат 60 × 84/16. Бумага офсетная.
Печ. л. 3,0. Усл. печ. л. 2,79. Уч.изд. л. 2,65. Изд. № 75. Тираж 100 экз.
Заказ

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2я Бауманская ул., 5.

ISBN  9785703829813                                                © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007

ВВЕДЕНИЕ

Давление в вакуумной системе существенно влияет на протекание
ряда физических и химических явлений и, следовательно, многих технологических процессов. Поэтому обеспечение контроля над давлением – одна из важнейших задач вакуумной техники.
За единицу давления принимают давление, вызываемое единицей
силы, равномерно распределенной по поверхности единичной площади,
расположенной перпендикулярно силе. В Международной системе единиц СИ единицей давления является паскаль (Па):

1 Па = 1 Н/м2 = 1 кг/(м · с2) .

Соотношения между единицами давления различных систем
показаны в приложении 1.
Полное давление измеряют специальными приборами – манометрами.
Манометры, предназначенные для измерения давлений меньше
атмосферного, называются вакуумметрами. Основным элементом вакуумметров является манометрический преобразователь давления –
устройство, вакуумноплотно присоединяемое к вакуумной камере,
воспринимающее непосредственно измеряемое давление и преобразующее его в другую физическую величину. Кроме того, как правило,
приборы включают в себя измерительный блок – устройство, обеспечивающее требуемый электрический режим работы манометрического
преобразователя, усиление и измерение его выходного сигнала.
Диапазон давлений, измеряемых вакуумметрами, составляет
105...10–11Па (760...10–13 мм рт. ст.). Универсального метода измерений, охватывающего весь этот диапазон, не существует. В практике
вакуумных измерений используют разнообразные приборы, принципы действия которых основаны на различных физических закономерностях.

3

1. КЛАССИФИКАЦИЯ

Вакуумметры классифицируют по принципу действия, методу измерения давления и классу точности. На рис. 1.1 приведены погрешности и
диапазоны давлений, измеряемых вакуумметрами различных классов.
По методу измерения различают вакуумметры, основанные на
прямых и косвенных измерениях давления.
К первой группе относятся вакуумметры, измеряющие непосредственно давление как отношение силы к площади чувствительного
элемента. Это жидкостные, грузопоршневые и деформационные вакуумметры, отличающиеся независимостью показаний от рода газа. Наименьшее давление, которое можно измерить вакуумметрами этой
группы, – давление порядка 10–4…10–5 Па.

Ко второй группе относятся вакуумметры, принцип действия которых – использование зависимости некоторых физических процессов от
давления. Такие вакуумметры измеряют физические величины, связан4

Рис. 1.1. Погрешности и диапазоны измерений лабораторных (штриховые
линии) и промышленных (сплошные линии) вакуумметров:

1, 3, 7 – ионизационных (1 – магнитных электроразрядных, 3 – электронных, 7 – радиоизотопных); 2 – тепловых; 4 – вязкостных; 5 – деформационных; 6 – жидкостных

ные с давлением определенными функциональными зависимостями
(силу тока, напряжение, ЭДС, частоту и др. и обусловливаемые при
этом родом газа). Это ионизационные, вязкостные, радиометрические и
тепловые вакуумметры. Диапазон измерений и вид градуировочной характеристики устанавливают по результатам градуировки для соответствующего газа с использованием образцовых средств измерений. Диапазоны измерений и погрешности современных образцовых вакуумметров различных классов показаны на рис. 1.2.

Метрические характеристики промышленных вакуумметров обычно дают для воздуха или азота. Шкалы вакуумметров градуируют в единицах давления, относительных единицах или в единицах физической
величины, связанной с давлением определенной функциональной зависимостью. Для вакуумметров с нелинейной градуировочной характеристикой эту зависимость приводят в паспорте в виде графика, для вакуумметра с линейной характеристикой указывают постоянную чувствительность.
Диапазоны давлений, измеряемых отечественными вакуумметрами с различными манометрическими преобразователями, представлены в приложении 2.

5

Рис. 1.2. Погрешности и диапазоны измерения образцовых вакуумметров:

1 – мембранных; 2 – жидкостных (компрессионных); 3 – ионизационных электронных; 4 – тепловых; 5 – вязкостных

2. ЖИДКОСТНЫЕ ВАКУУММЕТРЫ

Принцип действия жидкостных вакуумметров основан на уравновешивании измеряемого давления или разности давлений давлением
столба жидкости. Такие приборы подразделяют на Uобразные и компрессионные.
Uобразные вакуумметры – жидкостные вакуумметры, состоящие
из сообщающихся сосудов, в которых измеряемое давление определяют по одному или нескольким уровням жидкости.
Простейший Uобразный вакуумметр представляет собой изогнутую в виде буквы U стеклянную трубку постоянного сечения, заполненную рабочей жидкостью. Для исключения погрешности измерений, вызванной действием капиллярных сил, внутренний диаметр
стеклянной трубки должен быть не менее 7 мм. Один конец трубки соединяют с вакуумной системой, другой может быть открытым или запаянным (рис. 2.1).

Давление в закрытом колене должно быть значительно меньше измеряемого. Для поддержания давления на этом уровне применяют периодическую или постоянную откачку. Измеряемое давление составляет:

6

Рис. 2.1. Uобразные вакуумметры:

а – с открытым; б – закрытым коленом

для манометра с открытым коленом

p
p
g h
=
−
а
ж
ρ
∆
;

для манометров с закрытым коленом

p
p
g h
=
+
с
ж
ρ
∆ ,

гдеpc, pa –сравнительноеиатмосферноедавления,Па;ρж –плотностьрабочей жидкости при температуре измерения, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2; ∆h – разность уровней жидкости, м.
Диапазон измеряемых давлений зависит от свойств жидкости, геометрических размеров прибора и способа определения уровня жидкости. В качестве рабочей выбирают неагрессивную жидкость с малыми
давлением насыщенного пара, вязкостью и способностью к растворению газов.
Для измерения давлений, близких к атмосферному, необходимо
выбирать жидкости большой плотности (например, ртуть), а для измерения самых малых давлений – жидкости с минимальной плотностью.
Плотности жидкостей при Т = 293 K следующие:

Жидкость
, кг/м3

Вода ..........................................................................
998
Спирт этиловый ....................................................
789
Дибутилфталат .....................................................
1 046
Ртуть ......................................................................... 13 546
Масло:
ВМ3 ..................................................................
850
ВМ5 ..................................................................
870
5Ф4Э .................................................................
1 200

Погрешность измерения давления определяется в первую очередь
погрешностью отсчета уровня жидкости, неравномерностью сечения
трубок, влиянием температуры и др. Нижний предел рmin измеряемого
давления ограничивается возможностью измерения малой разности
уровней с требуемой точностью:

p
g
h
gah
min
min
/
=
=
−
−
10
10
3
1
ρ
ρ
δ
ж
ж
∆
,

7

где ∆hmin – минимально допускаемая разность уровней, мм; ah – абсолютная погрешность отсчета уровней, мм; δ– требуемая относительная
погрешность измерения, %.
Значения минимального давления pmin, измеряемого с погрешностью 10 %, при различных абсолютных погрешностях ah отсчета уровней ртути и масла ВМ3 приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Способ отсчета уровня
аh, мм
pmin, Па

для ртути
для масла ВМ3

Линейкой
1,0
1,3 · 103
83,0

Штангенциркулем
0,1
1,3 · 102
8,3

Катетометром
0,02
27,0
1,7

Интерференционный
1,0 · 10–5
1,3 · 10–2
8,3 · 10–4

На практике используют различные Uобразные вакуумметры: чашечный, укороченный, наклонный, поплавковый, двухжидкостный с
переменным сечением трубки и др. Наиболее распространен укороченный двухтрубный вакуумметр. Диапазоны измеряемых давлений для
промышленных двухтрубных вакуумметров типа МВ (абсолютная погрешность измерения для всех вакуумметров ±0,196 гПа) следующие:

Тип вакуумметра
Диапазон измеряемых давлений, гПа

МВ 9,8 ............................................................
0…9,8
МВ 24,5 ...........................................................
0…24,5
МВ 58,8 ...........................................................
0…58,8
МВ 15,68 ........................................................
0…15,68
МВ 39,2 ...........................................................
0…39,2
МВ 98,0 ...........................................................
0…98,0

Компрессионный вакуумметр – жидкостный вакуумметр, в котором для измерения абсолютного давления разреженного газа последний предварительно сжимают.
Принцип действия вакуумметра (рис. 2.2) следующий: находящийся в измерительном баллоне 3 объемом V газ, давление p кото8

рого необходимо измерить, сжимается в измерительном капилляре 2 до некоторого объема V1
вследствие принудительного подъема жидкости
из резервуара 4. Давление p1 в измерительном
капилляре уравновешивается давлением столба
жидкости в сравнительном капилляре 1 и давлением газа в вакуумной системе:

p
pV
V
g h
h
p
1
1
2
1
=
=
−
+
/
ρж
.

Измеряемое давление, Па, составляет:

p
С
g h
h
h
h
1
0
1
2
1
=
−
−
×
ρж

×
−
−
10
1
3
0
1
/ (
)
C h
h
,

где C = 0,25πd 2/V – постоянная вакуумметра, мм–1;
h0 – координата вершины запаянного конца капилляра, мм; d – внутренний диаметр измерительного
капилляра, мм.
В качестве рабочей жидкости чаще всего используют ртуть, так как она не смачивает стекло и
плохо растворяет газы.
При работе с компрессионным вакуумметром
разности h0 – h1 и h2 – h1 не должны быть меньше
7 мм.
Применяют три способа измерения давления
компрессионным вакуумметром:
– уровень ртути в измерительном капилляре поднимают до определенного значения h1 и получают линейную зависимость давления от
разности уровней h2 – h1 (способ позволяет измерять давления в узком
диапазоне);
– уровень ртути в сравнительном капилляре h2 доводят до уровня
конца запаянного капилляра и получают квадратичную зависимость
давления от разности уровней h0 – h1, т. е. р ≈ (h0 – h1)2;
– уровень ртути в измерительном капилляре повышают до получения максимально возможной разности уровней в капиллярах, соблюдая условие h0 – h1 ≥ 7 мм.

9

Рис. 2.2. Вакуумметр
компрессионный:

1 – сравнительный
капилляр; 2 –измерительный
капилляр; 3 – баллон; 4 –
резервуар

Первые два способа определения давления позволяют пользоваться графиком или таблицей, но высокой точности установления заданного уровня ртути добиться весьма сложно.
Третий способ, лишенный этого недостатка, предпочтителен. Погрешности измерения компрессионными вакуумметрами обусловлены
погрешностями определения постоянной вакуумметра и уровней ртути в капиллярах, депрессией ртути в капиллярах, отличием формы мениска ртути от формы запаянного конца измерительного капилляра,
степенью точности принятых в расчет значений g и ρж, а также погрешностью изза откачивающего действия струи ртутного пара, направленной из компрессионного вакуумметра к вымораживающей ртутные
пары ловушке.
Компрессионные вакуумметры обычных конструкций позволяют
измерять давление в диапазоне 10–3… 4 · 103 Па. Минимальная погрешность измерения 1 … 3 %. Обычно компрессионные вакуумметры применяют в качестве образцовых приборов.

3. ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ВАКУУММЕТРЫ

В деформационных вакуумметрах давление определяют по деформации упругого элемента под действием разности давлений. Показания этих приборов не зависят от рода газа. Такие вакуумметры классифицируют по типу чувствительного элемента и способу измерения деформации.
По типу чувствительного элемента вакуумметры подразделяют на
трубчатые, сильфонные и мембранные. Деформацию чувствительного
элемента определяют механическими, оптическими или электрическими способами. В последнем случае для определения деформации
применяют тензопреобразователи, индукционные, механотронные и
другого типа датчики, обеспечивающие преобразование линейного
(механического) перемещения чувствительного элемента в электрический сигнал (сила тока, напряжение, частота).
Трубчатый (пружинный) вакуумметр (трубка Бурдона) представляет собой запаянную с одного конца тонкостенную трубку эллиптического сечения, изогнутую по дуге окружности (пружину); другой конец трубки соединяют с вакуумной системой. Конструкция простейшего деформационного манометра показана на рис. 3.1.

10