Manometry: zasada działania. Projektowanie manometrów cieczy Urządzenia magnetomodulacyjne do pomiaru ciśnienia

Do pomiaru ciśnienia służą manometry i barometry. Barometry służą do pomiaru ciśnienia atmosferycznego. Do pozostałych pomiarów wykorzystuje się manometry. Od słowa „ciśnieniomierz” pochodzi dwa greckie słowa: manos – luz, metreo – miara.

Manometr rurkowy metalowy

Istnieją różne typy manometrów. Przyjrzyjmy się bliżej dwóm z nich. Poniższy rysunek przedstawia manometr w kształcie rurki metalowej.

Został wynaleziony w 1848 roku przez Francuza E. Bourdona. Poniższy rysunek przedstawia jego konstrukcję.

Głównymi elementami są: pusta rura wygięta w łuk (1), strzałka (2), koła zębate (3), kran (4), dźwignia (5).

Zasada działania manometru rurkowego

Jeden koniec rurki jest uszczelniony. Na drugim końcu rurki za pomocą kranu łączymy ją z naczyniem, w którym chcemy zmierzyć ciśnienie. Jeśli ciśnienie zacznie rosnąć, rura się rozkręci, działając w ten sposób na dźwignię. Dźwignia jest połączona ze strzałką poprzez przekładnię, zatem wraz ze wzrostem ciśnienia strzałka będzie się odchylać, wskazując ciśnienie.

Jeśli ciśnienie spadnie, rurka wygnie się, a strzałka przesunie się w przeciwnym kierunku.

Manometr cieczy

Przyjrzyjmy się teraz innemu rodzajowi manometru. Poniższe zdjęcie przedstawia manometr ciśnienia cieczy. Ma kształt litery U.

Składa się ze szklanej rurki w kształcie litery U. Do tej rurki wlewa się ciecz. Jeden z końców rurki łączy się za pomocą gumowej rurki z okrągłą płaską skrzynką, która jest pokryta gumową folią.

Zasada działania manometru cieczy

W pozycji początkowej woda w rurkach będzie na tym samym poziomie. Jeśli na folię gumową zostanie przyłożony nacisk, poziom cieczy w jednym kolanku manometru spadnie, a zatem wzrośnie w drugim.

Pokazano to na powyższym obrazku. Naciskamy na folię palcem.

Kiedy dociskamy folię, ciśnienie powietrza w pudełku wzrasta. Ciśnienie przekazywane jest przez rurkę i dociera do cieczy, wypierając ją. W miarę zmniejszania się poziomu płynu w tym kolanku, poziom płynu w drugim kolanie rurki będzie się zwiększał.

Na podstawie różnicy poziomów cieczy będzie można ocenić różnicę między ciśnieniem atmosferycznym a ciśnieniem wywieranym na folię.

Poniższy rysunek pokazuje, jak używać manometru do pomiaru ciśnienia cieczy na różnych głębokościach.

Zasada działania opiera się na równoważeniu zmierzonego ciśnienia lub różnicy ciśnień z ciśnieniem słupa cieczy. Mają prostą konstrukcję i wysoką dokładność pomiaru i są szeroko stosowane jako przyrządy laboratoryjne i kalibracyjne. Manometry cieczy dzielą się na: w kształcie litery U, dzwonowe i pierścieniowe.

W kształcie litery U. Zasada działania opiera się na prawie naczyń połączonych. Występują w wersjach dwururowych (1) i jednorurowych (2).

1) to rurka szklana 1 zamontowana na tablicy 3 ze skalą i wypełniona cieczą barierową 2. Różnica poziomów w kolankach jest proporcjonalna do zmierzonego spadku ciśnienia. „-” 1. seria błędów: na skutek niedokładności pomiaru położenia menisku, zmian w otoczeniu T. środowisko, zjawiska kapilarne (eliminuje poprzez wprowadzenie korekt). 2. potrzeba dwóch odczytów, co prowadzi do wzrostu błędu.

2) przedstawiciel jest modyfikacją dwururowych, ale jedno kolanko zastąpiono szerokim naczyniem (kubkiem). Pod wpływem nadciśnienia poziom cieczy w naczyniu maleje, a w rurze wzrasta.

Pływak w kształcie litery U Manometry różnicowe działają w zasadzie podobnie jak manometry kubkowe, jednak do pomiaru ciśnienia wykorzystują ruch pływaka umieszczonego w kubku, gdy zmienia się poziom cieczy. Za pomocą urządzenia transmisyjnego ruch pływaka jest przekształcany na ruch strzałki wskazującej. „+” szeroki zakres pomiarowy. Zasada działania płyn manometry działają w oparciu o prawo Pascala - zmierzone ciśnienie równoważone jest ciężarem słupa cieczy roboczej: P = ρgh. Składa się ze zbiornika i kapilary. Jako płyny robocze stosuje się wodę destylowaną, rtęć i alkohol etylowy. Służy do pomiaru małych nadciśnień i podciśnienia, ciśnienia barometrycznego. Są proste w konstrukcji, ale nie zapewniają zdalnej transmisji danych.

Czasami, aby zwiększyć czułość, kapilarę umieszcza się pod pewnym kątem do horyzontu. Wtedy: P = ρgL Sinα.

W odkształcenie Manometry służą do przeciwdziałania odkształceniom sprężystym elementu czujnikowego (SE) lub powstającej przez niego sile. Istnieją trzy główne formy SE, które stały się powszechne w praktyce pomiarowej: sprężyny rurowe, mieszki i membrany.

Sprężyna rurowa(sprężyna miernicza, rurka Bourdona) - elastyczna metalowa rurka, której jeden z końców jest uszczelniony i ma możliwość poruszania się, a drugi jest sztywno zamocowany. Sprężyny rurowe służą przede wszystkim do przekształcenia zmierzonego ciśnienia wywieranego na wnętrze sprężyny na proporcjonalny ruch jej swobodnego końca.

Najbardziej popularną jest sprężyna rurowa jednoobrotowa, czyli rura wygięta pod kątem 270° o przekroju owalnym lub eliptycznym. Pod wpływem przyłożonego nadciśnienia rura rozwija się, a pod wpływem podciśnienia skręca. Ten kierunek ruchu rury tłumaczy się tym, że pod wpływem wewnętrznego nadciśnienia mniejsza oś elipsy zwiększa się, podczas gdy długość rury pozostaje stała.

Główną wadą rozważanych sprężyn jest ich mały kąt obrotu, co wymaga zastosowania mechanizmów przekładniowych. Za ich pomocą przesunięcie wolnego końca sprężyny rurowej o kilka stopni lub milimetrów zamienia się w ruch kątowy strzałki o 270 - 300°.

Zaletą jest charakterystyka statyczna zbliżona do liniowej. Głównym zastosowaniem jest wskazanie instrumentów. Zakresy pomiarowe manometrów od 0 do 10 3 MPa; wakuometry - od 0,1 do 0 MPa. Klasy dokładności przyrządów: od 0,15 (przykładowe) do 4.

Sprężyny rurowe wykonane są z mosiądzu, brązu i stali nierdzewnej.

Miechy. Mieszek to cienkościenny metalowy kubek z poprzecznymi fałdami. Dno szklanki porusza się pod wpływem nacisku lub siły.

W ramach liniowości charakterystyk statycznych mieszka, stosunek działającej na niego siły do ​​wywołanego przez niego odkształcenia pozostaje stały. i nazywa się sztywnością mieszka. Miechy produkowane są z różnych gatunków brązu, stali węglowej, stali nierdzewnej, stopów aluminium itp. Miechy o średnicy od 8–10 do 80–100 mm i grubości ścianki 0,1–0,3 mm produkowane są masowo.

Membrany. Istnieją elastyczne i elastyczne membrany. Elastyczna membrana to elastyczna okrągła, płaska lub falista płyta, która może zginać się pod ciśnieniem.

Charakterystyka statyczna płaskich membran zmienia się nieliniowo wraz ze wzrostem ciśnienie, dlatego niewielka część możliwego skoku jest wykorzystywana jako obszar roboczy. Membrany faliste można stosować przy większych ugięciach niż płaskie, gdyż charakteryzują się znacznie mniejszą nieliniowością charakterystyk. Membrany wykonywane są z różnych gatunków stali: brązu, mosiądzu itp.

Rozdział 2. MANOMETRY CIECZY

Kwestie zaopatrzenia ludzkości w wodę zawsze były bardzo ważne i stały się szczególnie istotne wraz z rozwojem miast i pojawieniem się w nich różnego rodzaju przemysłu. Jednocześnie coraz pilniejszy stawał się problem pomiaru ciśnienia wody, czyli ciśnienia niezbędnego nie tylko do zapewnienia dostaw wody przez sieć wodociągową, ale także do obsługi różnych mechanizmów. Zaszczyt odkrywcy należy do największego włoskiego artysty i naukowca Leonarda da Vinci (1452-1519), który jako pierwszy zastosował rurkę piezometryczną do pomiaru ciśnienia wody w rurociągach. Niestety jego dzieło „O ruchu i pomiarze wody” ukazało się dopiero w XIX wieku. Dlatego powszechnie przyjmuje się, że pierwszy manometr cieczy został stworzony w 1643 roku przez włoskich naukowców Torricellego i Viviai, uczniów Galileusza, którzy badając właściwości rtęci umieszczonej w rurce, odkryli istnienie ciśnienia atmosferycznego. Tak narodził się barometr rtęciowy. W ciągu kolejnych 10-15 lat we Francji (B. Pascal i R. Descartes) oraz w Niemczech (O. Guericke) powstały różnego rodzaju barometry cieczowe, w tym także te z wypełnieniem wodą. W 1652 roku O. Guericke zademonstrował ciężar atmosfery spektakularnym eksperymentem z ewakuowanymi półkulami, które nie mogły rozdzielić dwóch zaprzęgów koni (słynne „półkule magdeburskie”).

Dalszy rozwój nauki i technologii doprowadził do powstania dużej liczby różnego rodzaju manometrów cieczy, stosowanych do dziś w wielu gałęziach przemysłu: meteorologii, lotnictwie i technologii próżni elektrycznej, geodezji i eksploracji geologicznej, fizyce i metrologii itp. Jednakże ze względu na szereg specyficznych cech podstawowego działania manometrów cieczowych, ich ciężar właściwy w porównaniu do manometrów innych typów jest stosunkowo niewielki i prawdopodobnie w przyszłości będzie się zmniejszał. Niemniej jednak, w przypadku szczególnie precyzyjnych pomiarów w zakresie ciśnień bliskich ciśnieniu atmosferycznemu, są one nadal niezbędne. Manometry cieczy nie straciły na znaczeniu w wielu innych dziedzinach (mikromanometrii, barometrii, meteorologii oraz badaniach fizyko-technicznych).

2.1. Główne typy manometrów cieczy i zasady ich działania

Zasadę działania manometrów cieczy można zobrazować na przykładzie manometru w kształcie litery U (rys. 4, A ), składający się z dwóch połączonych ze sobą pionowych rur 1 i 2,

w połowie wypełniony płynem. Zgodnie z prawami hydrostatyki, przy równych ciśnieniach R ja i str. 2 wolne powierzchnie cieczy (łąkotki) w obu probówkach zostaną ustalone na poziomie I-I. Jeśli jedno z ciśnień przewyższa drugie (R\ > s. 2), wówczas różnica ciśnień spowoduje spadek poziomu cieczy w rurce 1 i odpowiednio unieść się w rurze 2, aż do osiągnięcia stanu równowagi. Jednocześnie na poziomie

Równanie równowagi II-P przyjmuje postać

Ap=pi -р 2 =Н Р " g, (2.1)

tj. różnicę ciśnień określa się na podstawie ciśnienia słupa cieczy o wysokości N z gęstością str.

Równanie (1.6) z punktu widzenia pomiaru ciśnienia jest fundamentalne, ponieważ ostatecznie o ciśnieniu decydują podstawowe wielkości fizyczne - masa, długość i czas. Równanie to obowiązuje bez wyjątku dla wszystkich typów manometrów cieczy. Oznacza to definicję, że manometr cieczy to manometr, w którym zmierzone ciśnienie równoważy się ciśnieniem słupa cieczy powstałego pod wpływem tego ciśnienia. Należy podkreślić, że miarą ciśnienia w manometrach cieczy jest

wysokość stołu cieczy, to właśnie ta okoliczność doprowadziła do pojawienia się jednostek pomiaru ciśnienia mm wody. Art., mm Hg. Sztuka. i inne, które w naturalny sposób wynikają z zasady działania manometrów cieczy.

Manometr ciśnienia cieczy w kubku (rys. 4, B) składa się z kubków połączonych ze sobą 1 i rura pionowa 2, Co więcej, powierzchnia przekroju miseczki jest znacznie większa niż tubusu. Dlatego pod wpływem różnicy ciśnień Ar Zmiana poziomu cieczy w kubku jest znacznie mniejsza niż wzrost poziomu cieczy w rurce: N\ = N g f/F, Gdzie N ! - zmiana poziomu płynu w kubku; H 2 - zmiana poziomu cieczy w rurce; / - powierzchnia przekroju rury; F - powierzchnia przekroju miseczki.

Stąd wysokość słupa cieczy równoważąca zmierzone ciśnienie N - Nx + H 2 = # 2 (1 + f/F), i zmierzoną różnicę ciśnień

Pi - Pr = H 2 p?-(1 + f/F ). (2.2)

Dlatego przy znanym współczynniku k= 1 + f/f różnicę ciśnień można określić poprzez zmianę poziomu cieczy w jednej rurce, co upraszcza proces pomiaru.

Manometr podwójny przyssawka (Rys. 4, V) składa się z dwóch misek połączonych elastycznym wężem 1 i 2, z których jeden jest sztywno zamocowany, a drugi może poruszać się w kierunku pionowym. Przy równych ciśnieniach R\ I str. 2 kubków, dlatego wolne powierzchnie cieczy znajdują się na tym samym poziomie I-I. Jeśli R\ > R 2, potem filiżanka 2 rośnie aż do osiągnięcia równowagi zgodnie z równaniem (2.1).

Jedność zasady działania manometrów cieczy wszystkich typów decyduje o ich wszechstronności z punktu widzenia możliwości pomiaru ciśnienia dowolnego typu - absolutnego, względnego i różnicowego.

Ciśnienie bezwzględne zostanie zmierzone, jeżeli str. 2 = 0, tj. gdy przestrzeń nad poziomem cieczy w rurce 2 wypompowany. Następnie słupek cieczy na manometrze zrównoważy ciśnienie bezwzględne w rurce

i,T.e.p a6c =tf р G.

Podczas pomiaru nadciśnienia jedna z rurek komunikuje się z ciśnieniem atmosferycznym, np. p 2 = p tsh. Jeśli ciśnienie bezwzględne w rurze 1 więcej niż ciśnienie atmosferyczne (R i >р аТ m)> to zgodnie z (1.6) słup cieczy w rurce 2 zrównoważy nadciśnienie w rurce 1 } tj. p i = N R G: Jeżeli wręcz przeciwnie, p.x < р атм, то столб жидкости в трубке 1 będzie miarą ujemnego nadciśnienia p i = -N R G.

Podczas pomiaru różnicy między dwoma ciśnieniami, z których każde nie jest równe ciśnieniu atmosferycznemu, równanie pomiaru ma postać Ar=p\ - p 2 - = N - R " G. Podobnie jak w poprzednim przypadku różnica może przyjmować zarówno wartości dodatnie, jak i ujemne.

Ważną cechą metrologiczną przyrządów do pomiaru ciśnienia jest czułość układu pomiarowego, która w dużej mierze decyduje o dokładności i bezwładności pomiaru. W przypadku przyrządów ciśnieniowych przez czułość rozumie się stosunek zmiany wskazań przyrządu do zmiany ciśnienia, która ją spowodowała (u = AN/Ar) . W ogólnym przypadku, gdy czułość nie jest stała w całym zakresie pomiarowym

n = jestem w Ar -*¦ 0, (2.3)

Gdzie JAKIŚ - zmiana wskazań manometrów cieczy; Ar - odpowiednia zmiana ciśnienia.

Uwzględniając równania pomiarowe otrzymujemy: czułość manometru w kształcie litery U lub dwukubkowego (patrz rys. 4, a i 4, c)

n =(2A 'a ~>

czułość manometru przyssawki (patrz ryc. 4, b)

R-gej \llF) ¦ (2 " 4 ’ 6)

Z reguły w przypadku manometrów kubkowych F "/, dlatego spadek ich czułości w porównaniu do manometrów w kształcie litery U jest nieznaczny.

Z równań (2.4, A ) i (2.4, b) wynika, że ​​czułość jest całkowicie określona przez gęstość cieczy R, wypełnienie układu pomiarowego urządzenia. Natomiast wartość gęstości cieczy zgodnie z (1.6) określa zakres pomiarowy manometru: im jest ona większa, tym większa jest górna granica pomiaru. Zatem względna wartość błędu odczytu nie zależy od wartości gęstości. Dlatego w celu zwiększenia czułości, a co za tym idzie dokładności, opracowano dużą liczbę urządzeń odczytowych, opartych na różnych zasadach działania, począwszy od wzrokowego ustalania położenia poziomu cieczy względem skali manometru (błąd odczytu około 1 mm ), a kończąc na zastosowaniu precyzyjnych metod interferencyjnych (błąd odczytu 0,1-0,2 mikrona). Niektóre z tych metod można znaleźć poniżej.

Zakresy pomiarowe ciśnieniomierzy cieczy zgodnie z (1.6) wyznacza wysokość słupa cieczy, czyli wymiary ciśnieniomierza i gęstość cieczy. Najcięższą obecnie cieczą jest rtęć, której gęstość wynosi p = 1,35951 · 10 · 4 kg/m 3. W kolumnie rtęci o wysokości 1 m panuje ciśnienie około 136 kPa, czyli ciśnienie niewiele wyższe od ciśnienia atmosferycznego. Dlatego przy pomiarze ciśnień rzędu 1 MPa wymiary manometru na wysokość są porównywalne z wysokością trzypiętrowego budynku, co stanowi znaczne niedogodności eksploatacyjne, nie wspominając o nadmiernej objętości konstrukcji. Niemniej jednak podjęto próby stworzenia manometrów o bardzo wysokiej zawartości rtęci. Rekord świata został ustanowiony w Paryżu, gdzie na wzór konstrukcji słynnej Wieży Eiffla zamontowano manometr o wysokości słupa rtęci wynoszącej około 250 m, co odpowiada 34 MPa. Obecnie manometr ten jest demontowany ze względu na jego bezużyteczność. Jednakże manometr rtęciowy Instytutu Fizykotechnicznego Republiki Federalnej Niemiec, wyjątkowy pod względem właściwości metrologicznych, nadal działa. Ten manometr, zainstalowany w piętrowej wieży iO, ma górną granicę pomiaru wynoszącą 10 MPa z błędem mniejszym niż 0,005%. Zdecydowana większość manometrów rtęciowych ma górną granicę rzędu 120 kPa, a tylko sporadycznie do 350 kPa. Przy pomiarze stosunkowo małych ciśnień (do 10-20 kPa) układ pomiarowy manometrów cieczowych napełnia się wodą, alkoholem i innymi lekkimi cieczami. W tym przypadku zakresy pomiarowe wynoszą zwykle do 1-2,5 kPa (mikromanometry). W przypadku jeszcze niższych ciśnień opracowano metody zwiększania czułości bez stosowania skomplikowanych urządzeń czujnikowych.

Mikromanometr (ryc. 5) składa się z miseczki I, który jest podłączony do rury 2, zainstalowanej pod kątem A do poziomu poziomego

ja-ja. Jeśli przy równych ciśnieniach Liczba Pi I str. 2 powierzchnie cieczy w kubku i rurce były na poziomie I-I, następnie nastąpił wzrost ciśnienia w kubku (R 1 > Pr) spowoduje obniżenie poziomu cieczy w kubku i podniesienie się w rurce. W tym przypadku wysokość słupa cieczy H 2 i jego długość wzdłuż osi rury L 2 będzie powiązane relacją H2 =L2 grzech A.

Uwzględnienie równania ciągłości płynu H, F = b 2 /, nie jest trudno otrzymać równanie pomiaru mikromanometru

p t -р 2 =Н p "g = L 2 r godz (sina + -), (2,5)

Gdzie b 2 - przesuwanie poziomu cieczy w rurce wzdłuż jej osi; A - kąt nachylenia rury do poziomu; inne oznaczenia są takie same.

Z równania (2.5) wynika, że ​​dla grzechu A « 1 i f/f „Jednorazowy ruch poziomu cieczy w rurce będzie wielokrotnie większy niż wysokość słupa cieczy wymagana do zrównoważenia zmierzonego ciśnienia.

Czułość mikromanometru z rurką nachyloną zgodnie z (2.5)

Jak widać z (2.6), maksymalna czułość mikromanometru przy poziomym układzie rurek (a = O)

tj. w odniesieniu do powierzchni miseczki i rurki jest większy niż Na Manometr w kształcie litery U.

Drugim sposobem zwiększenia czułości jest zrównoważenie ciśnienia kolumną dwóch niemieszających się cieczy. Manometr z dwoma kielichami (ryc. 6) jest wypełniony cieczą tak, aby ich granica

Ryż. 6. Mikromanometr dwukubkowy z dwiema cieczami (p, > p 2)

sekcja znajdowała się w pionowej części rurki przylegającej do kubka 2. Kiedy pi = p 2 ciśnienie na poziomie I-I

Cześć Liczba Pi -N 2 R 2 (Pi > P2)

Następnie wraz ze wzrostem ciśnienia w misce 1 równanie równowagi będzie miało postać

Ap=pt -p 2 =D#[(P1 -p 2) +f/F(Pi + Rg)] G, (2.7)

gdzie px to gęstość cieczy w kubku 7; p 2 - gęstość cieczy w filiżance 2.

Gęstość pozorna kolumny dwóch cieczy

Pk = (Pi - P2) + f/f (Pi + Pr) (2,8)

Jeśli gęstości Pi i p 2 mają wartości zbliżone do siebie, a f/F”. 1, wówczas gęstość pozorną lub efektywną można sprowadzić do wartości p min = f/f (R I + p 2) = 2 p x f/f.

ьр r k * %

gdzie p k jest gęstością pozorną zgodnie z (2.8).

Podobnie jak poprzednio, zwiększenie czułości tymi metodami automatycznie zmniejsza zakresy pomiarowe manometru cieczowego, co ogranicza ich zastosowanie do obszaru mikromanometru™. Biorąc także pod uwagę dużą czułość rozpatrywanych metod na wpływ temperatury podczas dokładnych pomiarów, z reguły stosuje się metody oparte na dokładnych pomiarach wysokości słupa cieczy, chociaż komplikuje to konstrukcję manometrów cieczy.

2.2. Korekty wskazań i błędów manometrów cieczy

W zależności od ich dokładności konieczne jest wprowadzenie poprawek do równań pomiarowych manometrów cieczy, uwzględniając odchyłki warunków pracy od warunków wzorcowania, rodzaj mierzonego ciśnienia oraz cechy schematu połączeń poszczególnych manometrów.

Warunki pracy zależą od temperatury i przyspieszenia swobodnego spadania w miejscu pomiaru. Pod wpływem temperatury zmienia się zarówno gęstość cieczy użytej do wyrównania ciśnienia, jak i długość skali. Przyspieszenie ziemskie w miejscu pomiaru z reguły nie odpowiada jego normalnej wartości przyjętej podczas kalibracji. Dlatego ciśnienie

P=Pp Dwa włókna

Jedna cewka drutowa służy jako grzejnik, a druga służy do pomiaru temperatury poprzez konwekcję.

Manometr Pirani (jeden gwint)

Manometr Pirani składa się z metalowego drutu wystawionego na mierzone ciśnienie. Drut jest podgrzewany przez przepływający przez niego prąd i chłodzony otaczającym gazem. Wraz ze spadkiem ciśnienia gazu zmniejsza się również efekt chłodzenia i wzrasta temperatura równowagi drutu. Rezystancja drutu jest funkcją temperatury: mierząc napięcie na drucie i przepływający przez niego prąd, można określić rezystancję (a tym samym ciśnienie gazu). Ten typ manometru został po raz pierwszy zaprojektowany przez Marcello Piraniego.

Wskaźniki termopary i termistora działają w podobny sposób. Różnica polega na tym, że do pomiaru temperatury żarnika używa się termopary i termistora.

Zakres pomiarowy: 10−3 - 10 mmHg. Sztuka. (około 10-1 - 1000 Pa)

Manometr jonizacji

Manometry jonizacyjne są najczulszymi przyrządami pomiarowymi przy bardzo niskich ciśnieniach. Mierzą ciśnienie pośrednio, mierząc jony wytwarzane podczas bombardowania gazu elektronami. Im niższa gęstość gazu, tym mniej jonów powstanie. Kalibracja manometru jonowego jest niestabilna i zależy od charakteru mierzonych gazów, co nie zawsze jest znane. Można je skalibrować poprzez porównanie z odczytami manometru McLeoda, które są znacznie stabilniejsze i niezależne od chemii.

Elektrony termojonowe zderzają się z atomami gazu i wytwarzają jony. Jony są przyciągane do elektrody pod odpowiednim napięciem, zwanym kolektorem. Prąd kolektora jest proporcjonalny do szybkości jonizacji, która jest funkcją ciśnienia w układzie. Zatem pomiar prądu kolektora pozwala określić ciśnienie gazu. Istnieje kilka podtypów manometrów jonizacyjnych.

Zakres pomiarowy: 10−10 - 10−3 mmHg. Sztuka. (około 10-8 - 10-1 Pa)

Większość mierników jonowych występuje w dwóch typach: z gorącą katodą i zimną katodą. Trzeci typ, manometr z obracającym się wirnikiem, jest bardziej czuły i kosztowny niż dwa pierwsze i nie jest tutaj omawiany. W przypadku gorącej katody, elektrycznie nagrzane włókno wytwarza wiązkę elektronów. Elektrony przechodzą przez manometr i jonizują otaczające je cząsteczki gazu. Powstałe jony gromadzą się na ujemnie naładowanej elektrodzie. Prąd zależy od liczby jonów, która z kolei zależy od ciśnienia gazu. Manometry z gorącą katodą dokładnie mierzą ciśnienie w zakresie 10−3 mmHg. Sztuka. do 10−10 mm Hg. Sztuka. Zasada działania manometru z zimną katodą jest taka sama, z tą różnicą, że elektrony powstają w wyniku wyładowania powstałego w wyniku wyładowania elektrycznego o wysokim napięciu. Manometry z zimną katodą dokładnie mierzą ciśnienie w zakresie 10−2 mmHg. Sztuka. do 10−9 mm Hg. Sztuka. Kalibracja manometrów jonizacyjnych jest bardzo wrażliwa na geometrię konstrukcji, skład chemiczny mierzonych gazów, korozję i osady powierzchniowe. Ich kalibracja może stać się bezużyteczna, jeśli zostaną włączone przy ciśnieniu atmosferycznym i przy bardzo niskim ciśnieniu. Skład próżni przy niskich ciśnieniach jest zwykle nieprzewidywalny, dlatego w celu uzyskania dokładnych pomiarów należy używać spektrometru mas w połączeniu z manometrem jonizacyjnym.

Gorąca katoda

Wskaźnik jonizacji z gorącą katodą Bayarda-Alperta składa się zazwyczaj z trzech elektrod pracujących w trybie triody, przy czym katodą jest włókno. Trzy elektrody to kolektor, włókno i siatka. Prąd kolektora mierzony jest w pikoamperach za pomocą elektrometru. Różnica potencjałów między żarnikiem a masą wynosi zazwyczaj 30 woltów, podczas gdy napięcie sieci przy stałym napięciu wynosi 180–210 woltów, chyba że istnieje opcjonalne bombardowanie elektroniczne poprzez ogrzewanie siatki, które może mieć wysoki potencjał około 565 woltów. Najpopularniejszym miernikiem jonów jest gorąca katoda Bayarda-Alperta z małym kolektorem jonów wewnątrz siatki. Elektrody można otaczać szklaną obudową z otworem do podciśnienia, jednak zazwyczaj nie jest ona stosowana i manometr montowany jest bezpośrednio w urządzeniu podciśnieniowym, a styki prowadzone są przez płytkę ceramiczną w ściance urządzenia podciśnieniowego. Wskaźniki jonizacji z gorącą katodą mogą ulec uszkodzeniu lub utracie kalibracji, jeśli zostaną włączone przy ciśnieniu atmosferycznym lub nawet przy niskiej próżni. Pomiary manometrów z gorącą katodą są zawsze logarytmiczne.

Elektrony emitowane przez włókno poruszają się kilka razy w przód i w tył wokół siatki, aż w nią uderzą. Podczas tych ruchów część elektronów zderza się z cząsteczkami gazu i tworzy pary elektron-jon (jonizacja elektronowa). Liczba takich jonów jest proporcjonalna do gęstości cząsteczek gazu pomnożonej przez prąd termionowy, a jony te wlatują do kolektora, tworząc prąd jonowy. Ponieważ gęstość cząsteczek gazu jest proporcjonalna do ciśnienia, ciśnienie szacuje się poprzez pomiar prądu jonowego.

Czułość manometrów z gorącą katodą przy niskim ciśnieniu jest ograniczona przez efekt fotoelektryczny. Elektrony uderzające w siatkę wytwarzają promieniowanie rentgenowskie, które wytwarza szum fotoelektryczny w kolektorze jonów. Ogranicza to zakres starszych mierników z gorącą katodą do 10–8 mmHg. Sztuka. i Bayarda-Alperta do około 10–10 mmHg. Sztuka. Dodatkowe przewody na potencjale katody w linii wzroku pomiędzy kolektorem jonów a siatką zapobiegają temu efektowi. W typie ekstrakcyjnym jony są przyciągane nie przez drut, ale przez otwarty stożek. Ponieważ jony nie mogą zdecydować, w którą część stożka uderzyć, przechodzą przez otwór i tworzą wiązkę jonów. Ta wiązka jonów może być przekazywana do kubka Faradaya.