Měření tlaku Rozdělení měřících metod Měření celkových tlaků Měření parciálních tlaků Vakuová fyzika 1 1/42 • 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 2/42 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 10"2 10° 102 104 [Pa] Vakuová fyzika 1 4/42 Měření celkových tlaků Kapalinové manometry Nejjednodušší metodou je určení tlaku podle definice tlaku p = jr 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 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. 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) □ s Šikmý uzavřený U-manometr Zvětšuje citlivost měření. h = hlsiná citlivost se zvětší o -J- sina Pokud použijeme jinou kapalinu než Hg, nejčastěji olej pak p= -gz-h [torr]. 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 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 10 / 42 / B Obr. 7-3. Diferenciální manometr Maurerův B — bublina nebo kapka. L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 Vakuová fyzika 1 11/42 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. M c Leo d úv kompresní manometr Vakuová fyzika 1 13 / 42 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 = -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 21 / 42 Poznámka: Kapalinové manometry se dnes ve vakuové technice nepoužívají k běžnému měření. Speciální typy kapalinových manometrů se stále používají v metrologii, jako etalonové manometry, pro kalibrace ostatních manometrů. Vakuová fyzika 1 □ ► 4 S> 22 / 42 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 Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 □ J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 25 / 42 Kapacitní manometr Reference Side at Very High Vacuum Getter Pump to Maintain Low Reference Pressure firemní materiály firmy MKS 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 □ S 28 / 42 Piezo-manometr \ / / / / / / u 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 □ Si - 1 ^0 Q,o 30 / 42 Molekulární manometry Dopadají-li molekuly plynu o teplotě Ti a se střední aritmetickou rychlostí va\ na stěnu o teplotě Ti, působí na stěnu tlakem P. 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 vai- Proto aniž se změní koncentrace molekul změní se hodnota tlaku působící na stěnu. 1 -7TVm0Val p' 1 1 -7TVm0Val + -7TVm0Va2 =>* 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 32 / 42 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. Molekulární manometr se dnes nepoužívá, ale má zajímavý princip měření. Vakuová fyzika 1 33 / 42 a) T r