Физические приборы - Бурсиан Э.В.
Скачать (прямая ссылка):
Если разность уровней получается малой, то точный отсчет затрудняется. Можно наклонить манометр. Тогда разность уровней по вертикали сохранится, но в нак-1 h
лонном положении I =-,и при
sin а
малых углах а длину / легче измерить, чем h (рис. 49, б). Такой прибор называется микроманометром.
Чтобы не делать два отсчета, одно колено часто выполняют в виде широкого сосуда (рис. 49, в), в котором уровень почти не меняется.
На рисунке 49, г, д показаны ртутный барометр и укороченный ртутный манометр — вакуумметр для измерения давлений от 50—100 мм рт. ст. до 1 мм рт. ст. В закрытом колене барометра после опускания ртути остается вакуум. (При точных измерениях необходимо учитывать небольшое давление ртутных паров в закрытом колене.) Если трубка узкая, то необходимо учитывать поправку на капиллярные явления.
в
Рис. 49. Жидкостные манометры: а — 1/-образный; б — микроманометр; в — манометр с постоянным уровнем отсчета; г — ртутный барометр; д — укороченный ртутный манометр в роли вакуумметра.
P /
Рис. 50. Компрессионный манометр (вакуумметр) Мак-Леода.
51 Когда давление становится много меньше 1 мм рт. ст., измерить разность уровней уже практически невозможно. Однако если исследуемый газ сжать, т. е. уменьшить его объем в известное число раз, во столько же раз возрастет давление и его можно будет определить {/-образным манометром. Эта идея лежит в основе работы компрессионного манометра Мак-Леода (рис. 50). Когда сосуд 5 опущен, ртуть сливается в него, и шар 3 с капилляром 1 соединены с откачиваемым исследуемым объемом. При поднимании сосуда ртуть входит в тройник 4, перекрывает его, затем начинает сжимать газ в шаре. Ртуть поднимают так, чтобы она достигла в левой трубе уровня верхнего конца капилляра. В капилляре же она не дойдет до верха на величину h, так как в нем находится сжатый во много раз газ. По закону Бойля —
Мариотта давление этого сжатого газа р — р —— или h — H ,
Jtd2A iuPh
где V0 — объем шара и капилляра, d — диаметр капилляра, H —
nd2
измеряемое давление в мм рт. ст. Таким образом, искомое Я= —/і2=
= const /і2 (шкала нелинейна).
Есть и другой способ работы с компрессионными манометрами: доводить ртуть до определенной метки в капилляре 1. Тогда разность уровней Ah будет линейно связана с Н.
Чтобы не учитывать капиллярные явления, уровень ртути в капилляре 1 сравнивают с уровнем ртути в таком же капилляре 2, который сообщается с широкой трубой.
Манометр Мак-Леода громоздкий и поэтому неудобен в работе, не приспособлен для дистанционных измерений. Но его ценность в том, что его показания не зависят от состава газа. Поэтому в настоящее время он используется как контрольный прибор для градуировки других манометров-вакуумметров.
В практике широко применяются компактные манометры с электрическим выходом — манометрические лампы (рис. 51). В наиболее . простых — тепловых используется зависимость теплопроводности газа от его давления (рис. 52). При постоянной силе тока температура нити накала 1 (рис. 51, а) будет зависеть только от теплопроводности газа. Эту температуру можно измерить по сопротивлению этой нити, включая ее в схему моста, но чаще используют термопару 2, а ЭДС термо-
j'k
21
?л
А*
1"7\
0-0+
© I
Б
А Ц
в
Рис. 51. Манометрические лампы вакуумметров: а — термопарная; б — ионизационная; в — магнитная злектроразрядная.
А/
п2 Isi1
Рис. 52. Зависимость теплопроводности газа от давления. пары измеряют микровольтметром. Микровольтметр градуируется в единицах давления. Так устроен термопарный манометр. Он может работать только в области давлений от р2 » 100 Па (1 мм рт. ст.) до P1 да Ю-1 Па, так как только в этой области теплопроводность газа зависит от давления (рис. 52).
Для измерения более глубокого вакуума используют ионизационную лампу (см. рис. 51, б). Как видно из рисунка, роль анода в этой лампе играет редкая сетка 2, за которой расположен коллектор 3 с отрицательным потенциалом. Электроны, вылетая из катода 1, устремляются к сетке-аноду, но в большинстве случаев проскакивают ее по инерции и совершают около нее колебания. При этом возрастает вероятность столкновения их с молекулами газа. При столкновении происходит ионизация. Электроны в конце концов попадают на сетку, а положительные ионы собираются коллектором, в цепи которого возникает ток, измеряемый микроамперметром. Сила тока зависит от числа молекул газа в единице объема, т. е. от давления, поэтому микроамперметр градуируется в единицах давления. Постоянство тока в цепи катод — анод поддерживается также с помощью микроамперметра. Ионизационная лампа работает в области давлений Ю-1 — 10"в Па.
Недостаток ионизационной лампы — наличие накаливаемого катода, который испускает. газы и нарушает вакуум. Этот недостаток устранен в магнитном электроразрядном манометре (см. рис. 51, в), здесь катод остается холодным. Электроны образуются за счет автоэлектронной эмиссии (между катодом и анодом создается высокое напряжение в несколько киловольт). Вероятность столкновения электронов с молекулами газа увеличивается за счет того, что электрон движется в магнитном поле. При этом его путь (по спирали вокруг силовой линии) существенно удлиняется. Проскакивая кольцеобразный анод по инерции, электрон совершит несколько колебаний, пока не попадет на анод. Сила тока в цепи анод — катод зависит от давления, так как в основном определяется числом ионов в единице объема. Диапазон измерений такого манометра — IO2 — І О-11 Па.
