Гидростатические манометры
Гидростатические манометры
Показания манометра зависят от атмосферного давления. Если известно атмосферное давление Ра в момент измерения, то, используя показания манометра, можно подсчитать абсолютное давление в вакуумной системе:
Если давление Рк в процессе измерений остается на два-три порядка меньше погрешности измерения манометра, то можно считать, что Рк === 0. В этом случае манометр непосредственно измеряет абсолютное давление в вакуумной системе Рв = = gQh дин/см2, а если ртуть взята в качестве рабочей жидкости манометра, то Рв= = h см рт. ст.
Оба типа описанных гидростатических манометров являются абсолютными приборами, так как по их показаниям можно рассчитать величины давления без применения градуировки по другим приборам.
Манометры с открытым коленом проще в изготовлении, но менее удобны в эксплуатации, так как их показания зависят от атмосферного давления, и, кроме того, при измерении давлений в диапазоне 1-н100 мм рт. ст. они имеют значительно большие габариты, чем манометры с закрытым коленом.
К рабочим жидкостям гидростатических манометров предъявляются следующие требования:
1) минимальная упругость паров при рабочей температуре манометра;
2) неагрессивность жидкости, т. е. отсутствие вредного влияния ее паров на технологический процесс, протекающий в вакууме;
3) возможно меньшая плотность;
4) минимальная вязкость;
5) наименьшая способность растворять газы.
Величина упругости пара рабочей жидкости должна быть на несколько порядков ниже, чем рабочее давление в вакуумной системе. Упругость паров масел, ртути и воды, часто применяемых для заполнения гидростатических манометров, при 20° С соответственно равна 10~8; 10~3; 17 мм рт. ст.
Если рабочей жидкостью манометра является ртуть, то Рв = = Ра — h см рт. ст.
Манометр с закрытым коленом (рис. 2. 1,6) измеряет разность давлений в вакуумной системе Рв и в закрытом колене манометра Рк.
Плотность жидкости при заданных пределах измерения давления оказывает влияние на габариты манометров и их максимальную чувствительность. Заменой рабочей жидкости в манометре, например ртути с плотностью 13,6 г!см3 маслом с плотностью около 0,8 г! см3, можно увеличить чувствительность манометра приблизительно в 15 раз и в такое же число раз расширить его нижний предел измерения. Вязкость рабочей жидкости должна быть минимальной для уменьшения инерционности показаний манометра. Ртуть почти не растворяет газы и является с этой точки зрения идеальной жидкостью для заполнения манометров. Масла, как правило, растворяют газы в больших количествах. Резкое уменьшение давления в масляном манометре обычно сопровождается появлением пузырьков газа, затрудняющих процесс измерения.
Масляные манометры не рекомендуется применять в тех случаях, когда в откачиваемом объеме требуется обеспечить постоянство состава остаточных газов или необходимо измерять давление легко растворяющихся газов. Для избежания значительной растворимости остаточных газов в масляных манометрах часто приходится повышать их рабочую температуру или периодически производить обезгаживание масла в процессе работы.
Источником погрешности измерений жидкостных манометров является непостоянство величины поверхностного натяжения и угла смачивания стенок трубки, изменение коэффициента преломления стекла подлине трубки, различие в температуре и плотности жидкости в коленах манометра.
Величины поверхностного натяжения и угла смачивания сильно зависят от адсорбции посторонних веществ на поверхности стекла и жидкости, непостоянства состава и шероховатости поверхности стекла. С увеличением диаметра трубки влияние изменения поверхностного натяжения и угла смачивания на погрешность измерения уменьшается. Роль изменения коэффициента преломления по длине трубки манометра на общую погрешность измерения значительно снижается с уменьшением толщины стенок трубок. Влияние изменения плотности жидкости по длине трубки на погрешность измерения манометров особенно заметно в случае масляных манометров. Коэффициенты линейного расширения масла и ртути равны соответственно 1 -10~3 и 1,8-10-4 град"1, поэтому разность в температуре (на 1°) двух колен манометра длиной 200 мм дает в случае масляного наполнения ошибку измерения в 0,2 мм и в случае ртутного наполнения 0,04 мм.
Общую погрешность измерения жидкостных манометров при диаметре трубки не менее 1 см можно снизить до величины менее 0,1 мм. В этом случае нижним пределом измерения ртутных манометров является давление порядка 1-10-1 мм рт. ст., а масляных— 1,5-10“2 мм рт. ст. Образцовые ртутные манометры, часто применяемые для градуировки других приборов, обычно измеряют давление с погрешностью ±0,1 мм рт. ст.
При работе с жидкостными манометрами следует учитывать поправку на ускорение силы тяжести и температуру манометра. Единица давления 1 мм рт. ст. соответствует гидростатическому давлению столба ртути высотой 1 мм при плотности ртути, отнесенной к 0° С (Qpj. = 13,5951 г/см3), и при нормальном ускорении силы тяжести gH, равном 980,665 см/сек2. Измерения происходят чаще всего при других условиях, что следует учитывать введением поправок. Поправка на отклонение ускорения силы тяжести от нормального
Пользуясь этой формулой, можно, например, наити, что в Москве при g = 981,52 см/сек2 и h = 735 мм рт. ст. для ртутного манометра при 0° С поправка равна 0,6 мм рт. ст.
Температурную поправку измерений, связанную с тем, что измерение производится при температуре t, отличной от 0° С, можно представить в виде где а — коэффициент линейного расширения измерительной линейки (а = 8-10"6 град"1 для стекла); 0 — коэффициент объемного расширения жидкости (Pw — коэффициент объемного расширения ртути равен 1,8-10~4 1/град).
Для той же высоты столба ртути h = 735 мм при 0 = = 1,8-10“4 X/град и t = 20° С эта поправка составит 2,5 мм.
Для того чтобы повысить чувствительность и расширить пределы измерения в сторону малых давлений, применяют манометры с оптическими приспособлениями, увеличивающими точность отсчета уровней рабочей жидкости, манометры с наклонным коленом и манометры с двумя жидкостями.
В манометре, одно из колен которого наклонено под углом ф к вертикали, удается добиться увеличения перемещения рабочей жидкости в cos( раз при том же изменении разности уровней жидкости в трубках манометра.
Применяя в манометре две рабочие жидкости, сильно отличающиеся по плотности, и трубки разного сечения, можно увеличить чувствительность манометра пропорционально отношению площадей сечений взятых трубок. Манометр такого типа изображен на рис. 2. 2.
Если плотность жидкости А пренебрежимо мала по сравнению с плотностью жидкости В, то перемещение жидкости В,
Пропорциональное давлению, будет усиливаться в трубке диаметром а пропорционально отношению.
При незначительных перепадах давления силы трения при движении рабочей жидкости имеют существенное значение, увеличивая инерционность показаний и ограничивая чувствительность манометра. Поэтому применение всякого рода оптических, поплавковых и рычажных методов увеличения чувствительности манометров для измерения давления ниже 10~3 мм рт. ст.практически не дает ожидаемого эффекта. Жидкостные манометры в области давлений ниже! • 10~3ммрт.ст. не обладают стабильной нулевой точкой и мало пригодны для промышленного применения. На рис. 2. 3 изображена схема удобного масляного манометра 3. Наблюдение за уровнями жидкости в стеклянных трубках 4 ведется через оптические системы 5, 6 с четырехкратным увеличением. Вертикальное перемещение оптических систем 5, 6 производится соответственно рукоятками 8 и 10. К вакуумной системе и системе сравнительного вакуума прибор подключается при помощи группы вентилей 1, 2, 3.
Отсчет разностей уровней ведется в мм рт. ст. по показаниям счетчика оборотов 7 и шкалы дифференциала 9 с погрешностью до 10"3 мм рт. ст. Прибор предназначен для измерения давлений в диапазоне от 20 до 5-Ю"2 мм рт. ст.