U型管真空計(jì)的分類與改進(jìn)形式

2010-03-22 朱武 合肥工業(yè)大學(xué)

  人類最早對(duì)于氣體壓力的測量,是從托里拆利(Torricelli)實(shí)驗(yàn)開始的。U 型管真空計(jì)是使用歷史最長、結(jié)構(gòu)最簡單的測量壓力的儀器,它通常是用玻璃管制成,其工作液體有多種,通常為水銀。管的一端與待測壓力的真空容器相連,另一端是封死的或開口與大氣相通,以U型管兩端的液面差來指示真空度。U型管真空計(jì)的測量范圍為105~10Pa,它是一種絕對(duì)真空計(jì)。

U 型管真空計(jì)的分類

  由于U 型管一端接至待測真空系統(tǒng)上,另一端開口接通大氣或是封閉的,所以分為兩種形式。

  (1)開式U 型管真空計(jì):將 U 型管內(nèi)充入適量的工作液(如水銀),一端開口接大氣(即環(huán)境大氣壓力p0),另一端與被測真空系統(tǒng)相連接(待測壓力 p),如圖1所示。在開始抽氣前,U 型管兩端均為大氣壓力,兩端液面處于同一高度。當(dāng)真空系統(tǒng)抽氣后,隨著壓力p的降低,兩端液面的高度差隨之增大,在某一瞬間兩端處于液體靜壓力平衡狀態(tài)時(shí),有

p= p0-ρgh

  式中:p—待測壓力; p0—環(huán)境大氣壓力; h— 兩液面高度差; ρ—工作液密度; g—重力加速度。

開式U型管真空計(jì)

圖1 開式U型管真空計(jì)

  可以看出,開式U型管真空計(jì)的壓力指示與環(huán)境大氣壓力p0有關(guān)。如果測量時(shí)的環(huán)境大氣壓力已知(要用測壓計(jì)讀出),那么當(dāng)測出液面差h后就可用上式計(jì)算出待測真空系統(tǒng)的壓力值p。

  當(dāng)工作液體為水銀時(shí),其 密 度 ρ=13.595 ×103kgm-3,重 力 加 速 度 為 g=9.80665ms-2,則

p= p0-1.333×105h

  式中:p、p0的單位為Pa;h的單位為m。

  (2)閉式U 型管真空計(jì):如圖2所示,把管內(nèi)預(yù)先抽至壓力為10-1 Pa以下,然后將工作液(如水銀)注入管內(nèi),其開口端與待測真空系統(tǒng)相連接。真空系統(tǒng)抽氣前,真空系統(tǒng)內(nèi)的壓力等于環(huán)境大氣壓力,則工作液充滿封閉端形成最大液面差h0;當(dāng)系統(tǒng)抽氣到某一瞬間,兩端液面處于液面靜壓力平衡時(shí),待測壓力值可用下式求得(忽略封閉端內(nèi)壓力對(duì)液面的影響),即

閉式U型管真空計(jì)

圖2 閉式U型管真空計(jì)

p = ρgh

  如工作液為水銀,則

p=1.333 ×105h

  式中:h為液面高度差,m。

  閉式U 型管真空計(jì)與開式U 型管真空計(jì)相比較,使用起來更方便,而且在測量壓力時(shí)無需從大數(shù)值開始,U 型管可做得短些。為了防止待測系統(tǒng)內(nèi)突然進(jìn)入大氣時(shí),封閉端被工作液沖破,可以把U 型管轉(zhuǎn)彎處做成狹細(xì)的毛細(xì)管,用來緩和工作液的移動(dòng)速度。

U型管真空計(jì)的改進(jìn)形式

  U型管真空計(jì)所能測量的最低壓力即其測量下限pmin。當(dāng)壓力p很小時(shí),開式U型管真空計(jì)液面差h→p0/(ρg),閉式U型管真空計(jì)液面差h→0。這時(shí)讀液面差數(shù)值就有困難了,一般用肉眼所能正確觀測的最小液面差約為0.5 ~ 1mm,如用水銀做工作液,則 pmin= 66.5 ~ 133Pa。另外,開式U型管真空計(jì)的讀數(shù)受環(huán)境大氣壓力的影響;閉式U 型管真空計(jì)受封閉端內(nèi)工作液放氣的影響,使管內(nèi)壓力增加,給讀數(shù)帶來誤差。為了延伸測量下限和減小測量誤差,除改用比水銀密度小的液體(如油)做工作液外,還可將其結(jié)構(gòu)做些改進(jìn)。

  (1)用密度較小的液體來替換水銀。常用的有274硅油、擴(kuò)散泵油、3號(hào)變壓器油、硼鎢酸鎘等。例如用274硅油(它具有飽和蒸氣壓低、粘度小等特點(diǎn))來代替水銀制成油U型管真空計(jì),這時(shí)同樣的壓力差就會(huì)造成較大的液面高度差,其放大倍數(shù)由水銀和油密度比來決定,這種方法可使測量下限延伸一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。

  (2)改進(jìn)閉式U 型管真空計(jì)的結(jié)構(gòu)。為了減小封閉端管內(nèi)壓力對(duì)測量的影響,將其結(jié)構(gòu)改進(jìn)后如圖3所示,在U型管左右兩支管間加一個(gè)二通閥K。在不測量時(shí),閥K將左右兩支管接通,兩邊液面處于同一高度;在進(jìn)行測量時(shí),先將兩端支管內(nèi)壓力抽到10-1Pa以下,然后轉(zhuǎn)動(dòng)閥K將左右支管隔斷,左支管就變成封閉端。測量過程中隨著待測壓力p的變化,兩邊液面高度差h就隨之變化,讀出h的變化即可算出壓力p的數(shù)值。這種結(jié)構(gòu)可以減小封閉端因工作液放氣給測量帶來的誤差。

U型管真空計(jì)的改進(jìn)形式

圖3 油U型管真空計(jì)  圖4 斜罩式U型管真空計(jì)

  (3)斜置式U型管真空計(jì)。如圖4所示,液面垂直方向較小的高度差,在傾斜的方向上就出現(xiàn)較大的長度差,待測壓力p可由斜管內(nèi)液柱長度L和傾斜角θ計(jì)算出來。由于垂直大管(工作液貯器)的橫截面積A 2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于斜管的橫截面積A1(一般A2/A1> 200),大管內(nèi)液面的變化可以忽略不計(jì),因此,被測壓力可近似地用下式求得

p= ρg L·sinθ

  還有用光干涉方法制成光干涉油微壓計(jì),測量范圍為1 ~ 10-2 Pa,準(zhǔn)確度達(dá) ± 1.5 × 10-2