Měření tlaku
Rozdělení měřících metod
• Měření celkových tlaků
• Měření parciálních tlaků
Vakuová fyzika 1
• 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 jen 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, USB, ...
• Neaktivní měrky - elektronika není součástí měrky připojuje se pomocí kabelu
Vakuová fyzika 1
2/40
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 tlaku
Vakuová fyzika 1
3/40
Měření celkových tlaků
Kapalinové manometry Nejjednodušší metodou je určení tlaku podle definice tlaku p = j 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 olej. <s>   s ^
Vakuová fyzika 1 4/40
Uzavřený U-manometr
				
				1 h
				
Je vhodnější pro měření nízkých tlaků. Jedna trubice je uzavřena, druhá je spojena s měřeným systémem. Měřený tlak p = 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.
Vakuová fyzika 1 5/40
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)
Vakuová fyzika 1
6/40
Šikmý uzavřený U-manometr
Zvětšuje citlivost měření.
h = h'sina citlivost se zvětší o
sma
Pokud použijeme jinou kapalinu než Hg, nejčastěji olej pak p
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 Pa. Horní hranice měřených tlaků je ~ 105 Pa. Výhody: jednoduchá konstrukce Nevýhody: páry pracovní kapaliny
Vakuová fyzika 1
8/40
1
1J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984
00.0
Vakuová fyzika 1
/
B
Obr. 7-3. Diferenciální manometr Maurerův B — bublina nebo kapka.
2
2L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 □ ► <a ► i -00.0
Vakuová fyzika 1
10 / 40
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 PXV1 = P2V2 =>- Px = ^P2. Přičemž stupeň komprese K = ¥r lze přímo změřit.
Vakuová fyzika 1
11 / 40
Leodův kompresní manometr
Komprese plynu se provádí pomocí Hg, V okamžiku, kdy zvedaná rtuť projde rovinou XI, uzavře objem baňky a kapiláry, kde je tlak P\. Při dalším zvedání hladiny působí Hg jako píst a stlačuje plyn až do kompresní kapiláry - hladina X2. Přitom hladina Hg ve srovnávací kapiláře je v rovině X3. Označme objem nezaplněné kapiláry V2 a tlak v tomto objemu P2.
p2 = p1 + H [torr]
Označme V\ objem baňky a kapiláry.
V2 = -Tid2h 4
kde d je průměr kapiláry, h je rozdíl rovin X4,X2
Vakuová fyzika 1
13 / 40
K =      je konstanta manometru
Pi = Kh{P1 + H)^ KhH
P
1 - Kh
pro Kh <C 1 lze zjednodušit na
Pi = KhH [torr]
Vakuová fyzika 1
Měřící metody:
• lineární - h = konst     P1 = K\H [torr] ; K\ = Kh
• kvadratická - Hg ve srovnávací kapiláře se zvedá až na rovinu X4, pak h = H ^ P1 = Kh2 [torr]
Manometr měří tím nižší tlaky čím menší je konstanta K =4> čím je objem baňky větší a průměr kapiláry menší.
Vakuová fyzika 1
15 / 40
Minimální průměr kapiláry je 0.7 mm, 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
Vakuová fyzika 1
16 / 40
Obr. 7-7a. Kompresní manometr s vícenásobnou kompresi
ľ   - plováčkový ventil tesnený rtuti.
Obr. 7-7b. Kompresní manometr s kapil4ro« o různých průřezech.
Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968
9
■O0.O
Vakuová fyzika 1
5
5A. Roth: Vacuum technology, Elsevier, 1990 < l ► < i ►   i -O0.O
19 / 40
Vakuová fyzika 1
n—'
a)
b)
A. Roth: Vacuum technology, Elsevier, 1990
Vakuová fyzika 1
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 referenční tlak
• Trubičkové manometry
• Vlnovcové manometry
Pouze mechanika, bez elektroniky, bez napájení. Měří tlak v rozsahu 133 - 105 Pa
Vakuová fyzika 1
21 / 40
7
7L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968< □ ► *s ►
22 / 40
Vakuová fyzika 1
Vakuová fyzika 1
23 / 40
px
Kapacitní manometr
i i i
C
Vakuová fyzika 1
24 / 40
firemní materiály firmy MKS
Vakuová fyzika 1
25 / 40
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
Vakuová fyzika 1
26 / 40
Piezo
-manometr
U
Princip: deformace membrány s piezo-prvkem Dolní hranice m ěřených 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
Vakuová fyzika 1
28 / 40
Molekulární manometry
Dopadají-li molekuly plynu o teplotě 7~i a se střední aritmetickou rychlostí vai na stěnu o teplotě 7~i, působí na stěnu tlakem P.
Přitom polovina tlaku je vyvolána od dopadajících molekul a polovina od odražených molekul. Pokud bude teplota stěny 7~2 různá od teploty plynu 7~i, 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.
v =
■jvi/m0val
1 1
—Tľum0vai H—Tľvm0va2
Vakuová fyzika 1
29 / 40
4 V      valJ     2   \ valJ
T1 = T2^ P' = P
T1<T2^ P' > P
Toho můžeme využít pro měření tlaku. Dvě desky vzdálené od sebe o d
1 - teplota 7~i - pohyblivá
2 - teplota 7~2 - nepohyblivá
T2 > 7~i ;   A > d
AP =
Vakuová fyzika 1 30/40
Odvození platí pro akomodační koeficienty rovný 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.
Vakuová fyzika 1
31 / 40
10
10J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984 < i ►   i ono
32 / 40
Vakuová fyzika 1
Tab. 19. Akomodační koeficient (při teplotě asi 300 K.)
Kov	Plyn					
	He	Ne	Ar		N2	o2
W odplynžný (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 neleštěná černěná				0,35 0,3 0.7	0.8	0,85 0,85 0,95
pokryte vrstvou ^ Plynu N>		0.1 0.27 0.44				
skto neodplynčné	0,35	0,7	-	0,3	0,8	0,8
11
J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
Vakuová fyzika 1
33 / 40
Viskózni manometr
Měřící obor 1CT5 - 10° Pa
12_
12J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984 < i ►   i ono
Vakuová fyzika 1
Různé útlumové manometry
a) b) c)
S kmitající tyčinkou, s kotoučem, který koná torzní kmity, s tyčinkou, která koná torzní kmity, rozsah ~ 10~4 — 101 Pa
13
13J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984 < i ►   i ono
Vakuová fyzika 1 35/40
14_
14L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968< □ ► *s ►
36 / 40
Vakuová fyzika 1
Viskózni manometr s rotující kuličkou
Měří se zpomalení rotující kuličky, která levituje v magnetickém poli. Měření je závislé na akomodačním koeficientu pro přenos tečné složky hybnosti pro daný plyn a kuličku. Akomodační koeficient je nutné určit experimentálně. Hodnota akomodačního koeficientu je v čase velmi stabilní.
Idu _   10 1 P
u dt        7T gr va
Malé kompaktní zařízení.
Rozsah 100 Pa - 10~5 Pa. Chyba měření pro tlaky 1 Pa - 100 Pa asi 10%. Chyba měření pro nízké tlaky asi 1%.
Vakuová fyzika 1
37 / 40
Vakuová fyzika 1
38 / 40
Konická tlaková měrka
Patří do kategorie pístových měřidel tlaku. Tlak se měří jako síla působící kolmo na efektivní plochu pístu. Tento manometr měří tlakovou diferenci mezi prostorem nad pístem a prostorem pod ním. Typ FPG8601 - měřící rozsah 0.5 Pa - 15 kPa. Nejpřesnější manometr pro tento tlakový rozsah (státní etalon), rozlišení 10 mPa, reprodukovatelnost 20 mPa. Nutno započítat opravy na vztlakovou a třecí sílu mazacího plynu, tepelnou roztažnost pístu, ... Je nutné provádět kalibrace pomocí přesných závaží a nulování manometru.
Tlak na referenční straně vlivem mazacího plynu neklesá pod 0.15 Pa. Pro přesná měření v oblasti nízkých tlaků nutno měřit jiným manometrem.
Vakuová fyzika 1
39 / 40
r TI a ková |_
ventil
16_
16P.KIenovský, bakalářská práce, MU, 2006
Vakuová fyzika 1
40 / 40