Měření tlaku Rozdělení měřících metod Měření celkových tlaků Měření parciálních tlaků Vakuová fyzika 1 1/41 • 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 2/41 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 Měření celkových tlaků 1 ■ ■ ■ ■ Mechanické m. U trubice Piezo m. Tepelné m. Kapacitní m. McLeodův m. ■ Viskózni m. loniz. stud. katoda ■ loniz. žhav. katoda 10-10 10-8 10-6 10-4 iQ-2 100 102 104 [Pa] Vakuová fyzika 1 4/41 Měření celkových tlaků Kapalinové manometry Nejjednodušší metodou je určení tlaku podle definice tlaku p = ^ 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 — je určen rozdílem výšek hladin pracovní kapaliny Ap = hgg. Výsledkem měření je tedy údaj rozdílového - diferenciálního tlaku. Nejčastěji používané kapaliny jsou Hg a olej. Uzavřený U-manometr 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. 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. \ a h = h!siná citlivost se zvětší o siná. Pokud použijeme jinou kapalinu než Hg, nejčastěji olej pak p = -^-hltorr . □ (3 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 1 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984i Vakuová fyzika 1 10/41 B Obr. 7-3. Diferenciální manometr Maurerův B — bublina nebo kapka. 2 2L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 Vakuová fyzika 1 11/41 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 PXVX = P2V2 Px = ^P2. Přičemž stupeň komprese K = ^ lze přímo změřit. Vakuová fyzika 1 12 / 41 M c Leo d úv kompresní manometr Vakuová fyzika 1 13 / 41 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 = Pi + H [torr Označme V\ objem baňky a kapiláry. V2 = -7rd2h 4 kde d je průměr kapiláry, h je rozdíl rovin X4,X2 V2 n \Kd2h 2 = —77-r2 Pí = ^Po = 4 P h(P1 + H) ■d? K = Ur je konstanta manometru Pi = Kh(P! + H) ^P = KhH l-Kh pro Kh P\ — K\H [torr] ; K\ — Kh • kvadratická - Hg ve srovnávací kapiláře se zvedá až na rovinu X4, pak h = H Pi = 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 16 / 41 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 3_ 3L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 Vakuová fyzika 1 18/41 Obr. 7-7a. Kompresní Obr. 7-7b. Kompresní manometr s vícenásob- manometr s kapilárou n o u k o m p res í o různých průřezech. V — plováčkový ventil těsnčný rtutí. 4_ 4L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 Vakuová fyzika 1 19 / 41 5A. Roth: Vacuum technology, Elsevier, 1990 s1 Vakuová fyzika 1 = 1 •O^O 20 / 41 181468288464 a) 'A. Roth: Vacuum technology, Elsevier, 1990 □ <3 = 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 7 7L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 □ Vakuová fyzika 1 23 / 41 8 8 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 198i4i Vakuová fyzika 1 24 / 41 Kapacitní manometr Getter Pump to Maintain Low Reference Pressure 9 9firemní materiály firmy MKS Vakuová fyzika 1 26/41 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 □ ťš1 27 / 41 Piezo-manometr Vakuová fyzika 1 28 / 41 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 Vakuová fyzika 1 □ S 1 ► 1 > 4 V valJ 2 V «ol/ T1=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 ^ V^2 — y/Ti Vakuová fyzika 1 31 / 41 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 1 1 -O o, O 32 / 41 10 10 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984i Vakuová fyzika 1 33 / 41 Tab. 2.9. Akomodační koeficient (při teplotě asi 300 K) Kov Plyn He Ne Ar N2 W odplyněný (a poté s vrstvou adsorbovaného plynu) 0,02 (0,5) 0.06 (0.14) (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 sklo neodplyněné 0,35 0,7 0,3 0,8 0,8 11 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 34/41 Viskózni manometr Měřící obor 10"5 - 10° Pa 12 12 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984« Vakuová fyzika 1 35 / 41 Různé útlumové manometry a) b) Y c) S kmitající tyčinkou, s kotoučem, který koná torzní kmity, s tyčinkou, která koná torzní kmity, rozsah ~ 10~4 — 101 Pa 13 13 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 = Vakuová fyzika 1 Obr. 7-12. Manometr s vláknem kmitajícím s konstantní výchylkou (dle Beckera) M— magnet Z — zesilovač V — vlákno M' — měřicí přístroj. 14 14 L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 □ s1 = 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. 1 duu 10 1 P ---— = a-- u at Ti gr v a 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 38 / 41 A Rotor P.KIenovský, bakalářská práce, MU, 2006 Vakuová fyzika 1 39 / 41 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 závažia 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 40 / 41 Regulační ventil Elektrický siloměr 16 16 P.KIenovský, bakalárska práce, MU, 2006 Vakuová fyzika 1 □ S =