U型管真空计的分类与改进形式

bomoaa · 发表于 2014-7-20 10:10:47

　　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。

  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

  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。

  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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