Вакуумметры

Приборы для измерения давления разреженного газа (т.е. ниже атмосферного) называют вакуумметрами. Необходимо отметить, что понятие «давление газа» как усилие на единицу поверхности для вакуумной техники утратило свой смысл, поскольку более важными характеристиками разреженной газовой среды являются плотность, или молекулярная концентрация газа.

По принципу действия вакуумметры разделяют на жидкостные, компрессорные, деформационные, тепловые и ионизационные. Вакуумметры первых трех групп являются приборами прямого действия, непосредственно измеряющими давление газа. Их показания принципиально не зависят от состава газа и его температуры. Другие вакуумметры как приборы косвенного действия измеряют не само давление, а некоторую его функцию и, как правило, состоят из манометрического преобразователя и измерительного блока. Отсчет давления (выходной сигнал) у вакуумметров косвенного действия зависит от состава газа и его температуры.

Приборы для измерения парциальных давлений разреженных газов называют газоанализаторами или масс-спектрометрами, принцип действия которых основан на ионизации анализируемого газа.

Поток откачиваемых разреженных газов измеряют специальными методами, например, методом накопления для периодических измерений или методом калиброванного сопротивления с двумя манометрическими преобразователями для непрерывного измерения.

В технологических вакуумных установках черной металлургии широко применяют вакуумметры косвенного действия (см. рис. 93, в).

Тепловые вакуумметры построены на принципе изменения теплопроводности разреженного газа пропорционально давлению, причем об изменении давления судят по изменению тока накала нити при постоянной температуре (вакуумметр сопротивления) или по изменению температуры нити при постоянном токе накала (термопарные вакуумметры). Показания тепловых вакууметров существенно зависят от рода измеряемого газа, поскольку теплопроводность газа обратно пропорциональна корню квадратному из его молекулярной массы.

Термопарный измерительный блок типа ВТ имеет манометрический преобразователь типа ПМТ на основе хромель-копелевой термопары и рассчитан для измерения давления в диапазоне 500...0,1 Па.

Ионизационные вакуумметры построены на принципе прямой зависимости числа ионов, возникающих при ионизации разреженного газа (при давлении ниже 0,1 Па) электронами, эмиттированными накаливаемым катодом и ускоренными положительным потенциалом анода (+200 В), от плотности газа, т.е. от его давления в манометрическом преобразователе.

Ионизационный измерительный блок типа ВИ имеет манометрический преобразователь типа ПМИ и рассчитан для измерения давления в диапазоне 33...10^–8 Па. Ионизационно-термопарный измерительный блок типа ВИТ имеет два манометрических преобразователя: для измерения давления 100...1 Па (в линии форвакуумного насоса) с помощью ПМТ и 1...10^–5 Па (в линии основного насоса) с помощью ПМИ.

Течеискатели

В любой откачной системе всегда имеется ряд участков, которые наименее надежны в отношении герметичности и через которые происходит натекание атмосферного воздуха или других газов в откачную систему (так называемые течи). Для определения величины натекания Δ_гз откачную систему откачивают до возможно более низкого давления р_из, изолируют с помощью вакуумного затвора (клапана, крана) от вакуумного насоса и измеряют изменение (повышение) давления в известном объеме откачной системы V за время τ:

ΔФ_гз = V(Δр/τ). (187)

Если давление р_из не меняется со временем (Δр ≈ 0), но оно выше предельного остаточного давления р_ост вакуумного насоса, то откачная система герметичная, т. е. вакуум-плотная, но не может быть откачана из-за плохой работы насоса. Если давление р_из возрастает, но стремится к определенному пределу, внутри откачной системы имеется источник газовыделения. Если давление р_из возрастает пропорционально времени , то система негерметичная и необходимо искать течь одним из следующих методов с помощью так называемых течеискателей:

1. Компрессионный метод (опрессовка), применяемый для испытания отдельных элементов откачной системы и обнаружения течей с натеканием до 5·10^–3 м³∙Па/с (грубые течи).

2. Метод высокочастотного разряда, применяемый для поиска течей с натеканием до 0,01 м³∙Па/с в стеклянной стенке откачной системы с помощью искрового течеискателя типа И 060.010.

3. Манометрический метод, основанный на проникновении через течь в откачную систему специальных индикаторных веществ (пары или газы), обладающих значительно большей или меньшей теплопроводностью по сравнению с воздухом (метод теплового манометрического преобразователя, позволяющий обнаружить течь до 10^–4 м³∙Па/с) или влияющих на ионный ток ионизационного манометрического преобразователя (такой метод позволяет обнаружить течь до 10^–5 м³∙Па/с).

4. Метод галогенного течеискателя, основанный на эффекте резкого возрастания эмиссии положительных ионов с накаленной до 1100...1200 K платины при попадании на поверхность платины галогенсодержащих газов (CCl₂F₂, СС1₄, С1СН₂СН₂С1 и др.). Наиболее часто применяют хладон CCl₂F₂, наполняя им обследуемый сосуд до избыточного давления (метод опрессовки) или обдувая сосуд, в котором поддерживают разрежение. Щуп течеискателей типа ГТИ или БГТИ оформлен в виде пистолета, внутри которого расположен нагреваемый цилиндрический платиновый анод и цилиндрический катод из нержавеющей стали. Минимально обнаруживаемая течь при работе на чистом хладоне составляет 10^–9 м³∙Па/с.

5. Метод масс-спектрометрического течеискателя с применением для обдува в качестве индикаторного вещества гелия, аргона или водорода. Такой течеискатель состоит из анализатора в виде масс-спектрометрической камеры с магнитом, откачной системы и электрических блоков питания и измерения. Передвижной (типа ПТИ) и стационарный (типа СТИ) гелиевые течеискатели способны обнаружить течи с потоком 5∙10^–12...10^–14 м³∙Па/с.