Měření tlaku Hlavní veličina, která charakterizuje vakuový systém je koncentrace molekul, ta souvisí s tlakem pomocí vztahu p = nkT. Rozdělení měřících metod • Měření celkových tlaků • Měření parciálních tlaků • Absolutní metody - hodnota tlaku je určena přímo z údaje měřícího přístroje, nebo výpočtem plynoucím z principu přístroje - ve vztahu nesmí vystupovat charakteristiky měřeného plynu, ale jenom charakteristiky přístroje • Nepřímé metody - tlak se určuje pomocí některé veličiny, která závisí na tlaku, ale i na vlastnostech měřeného plynu - vypočtený údaj závisí na druhu plynu Rozdělení manometrů (technické provedení) • Aktivní měrky - elektronika je součástí měrky, výstup definované elektrické napětí v závislosti na tlaku • Aktivní-digitální měrky - RS232, RS485, ... • Neaktivní měrky - elektronika není součástí měrky připojuje se pomocí kabelu Charakteristika měřících metod • Měřící obor - rozsah tlaků, v kterém je možné metodu použít • Citlivost - poměr změny údaje přístroje ke změně tlaku • Vliv měřícího přístroje - na hodnotu tlaku a na složení plynů v měřeném objemu • Přesnost měření - chyba měření • Setrvačnost údaje přístroje - rychlost reakce přístroje na změnu tlaky Měření celkových tlaků Kapalinové manometry Nejjednodušší metodou je určení tlaku podle definice tlaku F P = H Otevřený U-manometr Jedno rameno je připojeno k systému, v němž měříme tlak p, druhé rameno je spojeno se systémem, v němž tlak známe p', rozdíl Ap = p — p' je určen rozdílem výšek hladin pracovní kapaliny Ap = hgg. Výsledkem měření je tedy údaj rozdílového - diferenciálního tlaku. Nejčastěji používané kapaliny jsou Hg a oiej. Uzavřený U-manometr r^ Je vhodnější pro měření nízkých tlaků. Jedna trubice je uzavřena, druhá je spojena s měřeným systémem. Měřený tlak V = hgg- Pokud je pracovní kapalina Hg pak h udává přímo měřený tlak v [torr]. Nejnižší měřitelný tlak je dán minimálním rozdílem hladin, který můžeme odečíst. Používají se různá pomocná zařízení pro odečet: • zatavený drát, jehož odpor se mění s výškou hladiny Hg • měření kapacity mezi sloupcem Hg a vnější vodivou vrstvou na povrchu trubice • optické metody (mikroskop, plovák se zrcátkem) Šikmý uzavřený U-manometr Zvětšuje citlivost měření. h = h' siná citlivost se zvětší o -J— siná Pokud použijeme jinou kapalinu než Hg, nejčastěji olej pak p = -^-hltorr]. 1 QHg V J O^O U všech těchto manometrů je důležité, aby hustota kapaliny v obou ramenech byla stejná, aby byla teplota v obou ramenech stejná. Při odečítání výšky je třeba brát střední výšku menisku kapaliny (průměr trubic). Závisí i na elektrických nábojích na trubicích. Různý tvar menisku může být způsoben tím, jestli se kapalina do konečné polohy dostala stoupáním nebo klesáním. U olejových manometrů je nutné brát do úvahy zpoždění. Dolní hranice měřených tlaků je ~ 10_1 P a. Horní hranice měřených tlaků je ~ 105 Pa. Výhody: jednoduchá konstrukce Nevýhody: páry pracovní kapaliny «*«*, ä? = ■= •r)<\(y ' ' ' ' ' ' ''-a- B Obr. 7-3. Diferenciální manometr Maurerův B — bublina nebo kapka. □ S - - S -OQ.O Kompresní manometry Přesnější a výhodnější, než zpřesňování měření U-trubic, je metoda komprese plynu. Princip: Plyn o měřeném tlaku Px zaujímá objem V\. Po stlačení na menší objem V2 vzroste jeho tlak na P2. Platí PxVi = P2V2 => Pai = y-P2- Přičemž stupeň komprese K = ^r lze přímo změřit. McLeoduv kompresní manometr X4 V , P\ = K\H [torr] ; K\ = Kh • kvadratická - Hg ve srovnávací kapiláře se zvedá až na rovinu X4, pak h = H => P\ = Kh2 [torr] Manometr měří tím nižší tlaky čím menší je konstanta K => čím je objem baňky větší a průměr kapiláry menší. Minimální průměr kapiláry je 0.7mm, při menších průměrech potíže s pohybem Hg. Objem baňky nelze libovolně zvětšit- velká hmotnost Hg. Kompresním manometrem nelze měřit tlak par kondenzujících za podmínek, při kterých se měření provádí. Dolní hranice měřených tlaků je ~ 10~4 Pa. Horní hranice měřených tlaků je ~ 102 Pa. Měřící rozsah 3-4 řády. Výhody: jednoduchá konstrukce, absolutní měření, kalibrace ostatních manometrů Nevýhody: páry pracovní kapaliny, neměří spojitě □ S> - = š -00,0 Obľ. 7-7a. Kompresní manometr s vícenásobnou kompresí y — plováčkový ventil těsnéný rtutí. Obr. 7-7b. Kompresní manometr s kapilár«» o různých průřezech. □ S1 OQ>0 (a) (b) (c) (d) s a) - Mechanické manometry V mechanických (deformačních) manometrech se tlak určuje z deformace pružného elementu. • Membránové manometry - vlivem tlaku se deformuje membrána - deformace se přenáší na mechanický ukazatel,na jedné straně membrány etalonový tlak • Trubičkové manometry • Vlnovcové manometry Pouze mechanika, bez elektroniky, bez napájení. Měří tlak v rozsahu 133 — 105 Pa = □ s Kapacitní manometr X 1 1 1 I t 1 1 1 \ i 1 t 1 í Po C \ 1 1 □ gi - = -e -o<\(y Princip: deformace membrány a měření její kapacity Dolní hranice měřených tlaků je ~ 10~3 Pa. Horní hranice měřených tlaků je ~ 105 Pa. Měřící rozsah nejčastěji 4 řády. Výhody: absolutní měření, kalibrace ostatních manometrů, velká přesnost, chyba měření < 1% Nevýhody: nutnost kalibrovat nulu Piezo-manometr X J 1 1 f i t 1 i 1 1 1 1 Po 1 1 l > < 1 1 i 1 i i t u □ g - = Princip: deformace membrány s piezo-prvkem Dolní hranice měřených tlaků je ~ 101 Pa. Horní hranice měřených tlaků je ~ 105 Pa. Výhody: absolutní měření, kalibrace ostatních manometrů, velká přesnost, chyba měření < 1% Nevýhody: malý měřící rozsah Molekulární manometry Dopadají-li molekuly plynu o teplotě T\ a se střední aritmetickou rychlostí va\ na stěnu o teplotě Ti, působí na stěnu tlakem P. 1 „ 1 o ve /3Ťr V = lnva-P = -m0nve-- = ^- P = -iľvm0vai Přitom polovina tlaku je vyvolána od dopadajících molekul a polovina od odražených molekul. Pokud bude teplota stěny T2 různá od teploty plynu Ti, pak bude střední aritmetická rychlost odražených molekul va2 různá od původní rychlosti va\. Proto aniž se změní koncentrace molekul změní se hodnota tlaku působící na stěnu. P = -iľvm0vai + -iľvm0va2 => □ rS - = 1 => P = -iľvm0vai in------= -P in------ 4 \ *W 2 V u«i Ti = T2 => P' = P T1 P Toho můžeme využít pro měření tlaku. Dvě desky vzdálené od sebe o d 1 - teplota Ti - pohyblivá 2 - teplota T2 - nepohyblivá T2 > Ti ; A > d P = 2AP VTl □ Si - = .e -o<\(y Odvození platí pro akomodační koeficienty rovny 1. Akomodační koeficient závisí na druhu plynu, proto tento manometr není absolutní. Dolní hranice měřícího rozsahu je určena velikostí tlaku záření zahřáté destičky. Horní hranice je dána podmínkou A ~ d. Dolní hranice měřených tlaků je ~ 10~5 Pa. Horní hranice měřených tlaků je ~ 101 Pa. =1 ► < ö1 ► < -E ► * š > •f) (\(y Tab. 2.9. Akomodační koeficient (při teplotě asi 300 K) Kov Plyn He Ne Ar H, N2 o2 W odplyněný (a poté s vrstvou adsorbovaného plynu) 0.02 (0.5) 0.06 (0.74) (0.8) pokrytý vrstvou plynu 0.35 0,35 0.9 0,9 Ni pokrytý vrstvou plynu 0.4 0.8 0.95 0.3 0.8 0,85 Pt leštěná nelestěná černěná 0,35 0,3 0.7 0.8 0,85 0,85 0,95 Fe H pokryté vrstvou 2 plynu N> 0.1 0.27 0.44 sklo neodplyněné 0,35 0,7 - 0,3 0,8 0.8