Механічні (деформаційні) манометри

Механічні манометри широко використовуються для вимірювання тисків в діапазоні від атмосферного тиску до 10^-1Па. Принцип дії цих приладів грунтується на використанні явища деформації чутливого елемента при дії прикладеної до нього різниці тисків. Перевагою цих манометрів є те, що їх покази не залежать від виду газу. Найбільшого поширення набули два типи манометрів: трубчаті і мембранні.

а) трубчасті манометри.

Чутливим елементом таких приладів є пустотіла спіралеподібна металева трубка (трубка Бурдона). Відкритий кінець трубки приєднується до вимірювальної системи. Запаяний кінець через систему важелів з’єднаний із зубчастим сектором, який обертає стрілку манометра. На зовнішню поверхню трубки завжди діє тиск атмосферного повітря.

Рис2.1

Якщо атмосферне повітря знаходиться в середині трубки (різниця тисків рівна нулю), то стрілка манометра стоїть на нульвій поділці шкали. При цьому деформація трубки відсутня. Зміна тиску і відкачуваному (накачуваному) об’ємі приводить до появи різниці тисків за трубкою і в середині її.це викликає вигинання трубки і поворот стрілки. Поділка шкали напроти якої зупиниться стрілка манометра, показує очевидно, різницю між атмосферним тиском і тиском всередині трубки.

б) мембранний манометр.

В мембранних манометрах (Мал2.2) також використовується прогинання чутливого елемента під дією різниці тисків.

Основним елементом такого приладу є чутлива мембрана (3), яка поділяє камеру манометра на дві частини. З мембраною зв’язаний механізм повороту стрілки (2), який перетворює поступальний рух середини мембрани в обертальний рух стрілки.

Принцип роботи манометра легко зрозуміти з приведеного малюнку. На відміну від трубчатих манометрів не залежить від зовнішнього атмосферного тиску (повітря в лівій камері має сталий тиск).

Мал2.2

Мембранний манометр.

1-стрілка; 2-механізм передачі руху; 3-чутлива мембрана; 4-штуцер приєднання до вимірювальної камери

2. Рідинні манометри.

Рідинні манометри конструктивно найбільш прості і тому вони були історично першими приладами для вимірювання тиску.

Найбільш поширеними є так звані U подібні рідинні манометри. Вони, в основному, служать для вимірювання абсолютного тиску в діапазоні від атмосферного до 1Па. Існують також складні спеціальні конструкції рідинних манометрів для вимірювання тисків до 10^-3Па.

Принцип дії U подібного рідинного манометра грунтується на переміщенні рівнів рідини в лівому і правому коліні U подібної трубки під дією різниці тисків (Мал2.3).

Коли в резервуарі тиск рівний атмосферному, то рівні робочої рідини в лівому і правому колінах однакові. При зміні робочого тиску в камері, рівень буде відрізнятися - ∆h, пропорційно різниці тисків, яка буде рівна:

де ρ – густина робочої рідини.

Таким чином, покази манометра залежать від атмосферного тиску. Якщо він не відомий, то тиск в резервуарі буде рівний:

3. Теплові манометри.

Теплові манометри широко використовуються для вимірювання тисків від 10³ до 10^-2Па. Принцип дії таких приладів грунтується на залежності теплопровідності газу від його тиску. При низьких тисках (в молекулярному режимі) теплопровідність газу пропорційна тиску, а при високих тисках (в’язкий режим) теплопровідність газу не залежить від тиску. В перехідних режимах передача тепла не лінійно зростає із зростанням тиску і, починаючи з деякого значення тиску, незалежить від нього. Причиною таких змін теплопровідності є залежність довжини вільного пробігу молекул від тиску газу.

Всі теплові манометри складаються з двох частин: датчика-перетворювача, який безпосередньо з’єднаний з вимірювальною системою і електронного вимірювального блоку.

Корпус датчика перетворювача є відрізком металевої чи скляної трубки. Всередині якої знаходиться активний елемент – перетворювач зміни тиску газа в яку небуть електричну величину (опір, термо- ЕРС).

Найбільшого поширення набули так звані термопарні теплові манометри (Мал2.4).

Манометричний датчик перетворювач (манометрична лампа) складається з скляного або металевого корпусу (1), в якому змонтовано нагрівник (20 та термопару (4), що з’єднані між собою тонким провідником (3).

Електричний струм від джерела протікає через спіраль нагрівника і розігріває її до деякої температури. Теплота від нагрівника передається через перемичку до термопари, а та генерує певну ЕРС, що вимірюється мілівольтметром.

Доки тиск в манометричній лампі рівний атмосферному, теплопровідність газу, що заповнює лампу, велика і майже вся теплота розсіюється молекулами газів. Внаслідок чого термопарний кінець перемички холодний і мілівольтметр показує ЕРС близьку до нуля. При зменшенні тиску в лампі теплопровідність газу зменшується. Внаслідок цього зростає температура термопарного кінця перемички і мілівольтметр показує збільшення термо-ЕРС.

Кожна термопарна лампа потребує попередньго градуювання на підприємстві що їх виготовляє. Правильність показів ПМТ досягається при цілком певному значенні сили струму, що проходить через нагрівник. Приєднавши перетворювач до вакумної системи, необхідно реостатом (6) встановити за показами міліамперметра (7) силу струму, вказану на балоні ПМТ.

Такі теплові манометри є приладами не прямого вимірювання тиску. Їх покази залежать від типу газу.

4. Електродні іонізаційні манометри.

Для вимірювання тиску в межах 10^-1 – 10^-8Па використовуються іонізаційні манометри. Ці прилади як і теплові манометри складаються також з двох частин – манометричного іонізаційного перетворювача (ПМІ) та електронного блоку, який живить перетворювач та вимірює тиск. Конструкція ПМІ представлена схематично на мал2.5. В скляному балоні (манометрична лампа) змонтована трьохелектродна система, що складається з катоду (1), анодної сітки (2) та колектора іонів (3). На анодну сітку відносно катоду подається додатній потенціал, а на циліндр колектора – від’ємний. Вольфрамовий катод прямого розжарення випромінює електрони, які летять до додатньої сітки. Ця сітка досить рідка, а тому більшість електронів її пролітають. Далі вони гальмуються в полі колектора і повертаються назад до сітки. Перш ніж остаточно осісти на ній, електрони здійснюють 4-5 коливань в просторі між сіткою і колектором.

Мал2.5

Спрощена схема електричного іонізаційного

манометра.

1-катод прямого розжарення; 2-анодна сітка; 3-колектор іонів;

4-прилад для вимірювання іонного струму.

Під час цього процесу електрони, зустрічаючись з атомами газу, що заповнює лампу, іонізує їх. Створені під час таких зіткнень іони попадають на від’ємний колекторі зумовлюють в його колі іонний струм, що вимірюється гальванометром (4). В результаті цілого ряду дослідів з такими лампами, було встановлено, що при тисках менших 10^-1Па, величина іонного струму пропорційна тиску.

Провівши попереднє градуювання лампи, по величині іонного струму можна визначити тиск газу.

Конструкція реальних електронно іонізаційних манометрів досить складна, бо іонні струми надзвичайно малі, і для вимірювання, їх потрібно підсилити у тисячу разів. Як і у випадку теплових манометрів електронно –іонізаційні також являються приладами непрямої дії, їх покази залежать від виду газу.

Контрольні запитання:

1. Тиск.

2. Способи вимірювання.

3. Одиниці вимірювання.

4. Види манометрів:

а) трубчатий; б) мембранний; в) тепловий; г) іонний.