U型管真空计的分类与改进形式

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)合肥工业大学 作者:朱武

  人类最早对于气体压力的测量,是从托里拆利(Torricelli)实验开始的。U 型管真空计是使用历史最长、结构最简单的测量压力的仪器,它通常是用玻璃管制成,其工作液体有多种,通常为水银。管的一端与待测压力的真空容器相连,另一端是封死的或开口与大气相通,以U型管两端的液面差来指示真空度。U型管真空计的测量范围为105~10Pa,它是一种绝对真空计。

U 型管真空计的分类

  由于U 型管一端接至待测真空系统上,另一端开口接通大气或是封闭的,所以分为两种形式。

  (1)开式U 型管真空计:将 U 型管内充入适量的工作液(如水银),一端开口接大气(即环境大气压力p0),另一端与被测真空系统相连接(待测压力 p),如图1所示。在开始抽气前,U 型管两端均为大气压力,两端液面处于同一高度。当真空系统抽气后,随着压力p的降低,两端液面的高度差随之增大,在某一瞬间两端处于液体静压力平衡状态时,有

p= p0-ρgh

  式中:p—待测压力; p0—环境大气压力; h— 两液面高度差; ρ—工作液密度; g—重力加速度。

开式U型管真空计

图1 开式U型管真空计

  可以看出,开式U型管真空计的压力指示与环境大气压力p0有关。如果测量时的环境大气压力已知(要用测压计读出),那么当测出液面差h后就可用上式计算出待测真空系统的压力值p。

  当工作液体为水银时,其 密 度 ρ=13.595 ×103kgm-3,重 力 加 速 度 为 g=9.80665ms-2,则

p= p0-1.333×105h

  式中:p、p0的单位为Pa;h的单位为m。

  (2)闭式U 型管真空计:如图2所示,把管内预先抽至压力为10-1 Pa以下,然后将工作液(如水银)注入管内,其开口端与待测真空系统相连接。真空系统抽气前,真空系统内的压力等于环境大气压力,则工作液充满封闭端形成最大液面差h0;当系统抽气到某一瞬间,两端液面处于液面静压力平衡时,待测压力值可用下式求得(忽略封闭端内压力对液面的影响),即

闭式U型管真空计

图2 闭式U型管真空计

p = ρgh

  如工作液为水银,则

p=1.333 ×105h

  式中:h为液面高度差,m。

  闭式U 型管真空计与开式U 型管真空计相比较,使用起来更方便,而且在测量压力时无需从大数值开始,U 型管可做得短些。为了防止待测系统内突然进入大气时,封闭端被工作液冲破,可以把U 型管转弯处做成狭细的毛细管,用来缓和工作液的移动速度。

U型管真空计的改进形式

  U型管真空计所能测量的最低压力即其测量下限pmin。当压力p很小时,开式U型管真空计液面差h→p0/(ρg),闭式U型管真空计液面差h→0。这时读液面差数值就有困难了,一般用肉眼所能正确观测的最小液面差约为0.5 ~ 1mm,如用水银做工作液,则 pmin= 66.5 ~ 133Pa。另外,开式U型管真空计的读数受环境大气压力的影响;闭式U 型管真空计受封闭端内工作液放气的影响,使管内压力增加,给读数带来误差。为了延伸测量下限和减小测量误差,除改用比水银密度小的液体(如油)做工作液外,还可将其结构做些改进。

  (1)用密度较小的液体来替换水银。常用的有274硅油、扩散泵油、3号变压器油、硼钨酸镉等。例如用274硅油(它具有饱和蒸气压低、粘度小等特点)来代替水银制成油U型管真空计,这时同样的压力差就会造成较大的液面高度差,其放大倍数由水银和油密度比来决定,这种方法可使测量下限延伸一个数量级左右。

  (2)改进闭式U 型管真空计的结构。为了减小封闭端管内压力对测量的影响,将其结构改进后如图3所示,在U型管左右两支管间加一个二通阀K。在不测量时,阀K将左右两支管接通,两边液面处于同一高度;在进行测量时,先将两端支管内压力抽到10-1Pa以下,然后转动阀K将左右支管隔断,左支管就变成封闭端。测量过程中随着待测压力p的变化,两边液面高度差h就随之变化,读出h的变化即可算出压力p的数值。这种结构可以减小封闭端因工作液放气给测量带来的误差。

U型管真空计的改进形式

图3 油U型管真空计  图4 斜罩式U型管真空计

  (3)斜置式U型管真空计。如图4所示,液面垂直方向较小的高度差,在倾斜的方向上就出现较大的长度差,待测压力p可由斜管内液柱长度L和倾斜角θ计算出来。由于垂直大管(工作液贮器)的横截面积A 2远远大于斜管的横截面积A1(一般A2/A1> 200),大管内液面的变化可以忽略不计,因此,被测压力可近似地用下式求得

p= ρg L·sinθ

  还有用光干涉方法制成光干涉油微压计,测量范围为1 ~ 10-2 Pa,准确度达 ± 1.5 × 10-2

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