8.Особенности измерения вакуума.

Вакуумом, или разрежением, называют давление ниже атмосферно­го, нормальное значение которого составляет 760мм. рт.ст.=101,325кПа. В вакуумной технике нередко используется внесистемная единица тор, 1тор=1мм.рт.ст.=133,322Па. Напомним, что 10⁵Пa=750Tтоp=1бap, 1кПа=7,5тор, 1Па=0,75•10^-2тор, 10^-5 Па=0,75•10^-7тор. Если говорить об аб­солютном давлении, то понятие вакуума можно не вводить. В технической литературе, однако, иногда вакуум рассматривают как отрицательное из­быточное давление.

Абсолютное давление ниже 20Па называют глубоким вакуумом. Из­мерение его вызывает серьезные трудности и заслуживает отдельного рас­смотрения. Глубокий вакуум создается в криогенной технике при получе­нии сверхнизких температур за счет кипения жидкого гелия, при изготов­лении высоковакуумной тепловой изоляции и в целом ряде других техно­логических процессов. Он необходим и в других областях техники, напри­мер, при изготовлении электровакуумных ламп и ионизационных прибо­ров.

Абсолютное давление от 10⁵ до 10²Па (от 750 до 0,75мм.рт.ст.) изме­ряют жидкостными или деформационными приборами. Отечественная промышленность выпускает ряд датчиков для измерения как избыточного давления, так и- разрежения. Например, система измерения давления крио­генных сред КРИОС ДА (СИД-КС), предназначенная для измерения абсо­лютного давления с выдачей токового сигнала, имеет нижний диапазон Р_а=0...0,25МПа; датчик абсолютного давления, ДАВ 067 имеет диапазоны 0...1 и 0...2кПа; индуктивный датчик ДАИ099 предназначен для давлений Р_а=0.. .266,6Па (0...2тор); пьезорезистивный датчик ДДА1OOP рассчитан на разрежение воздуха и нейтральных газов Р_u= -90...0кПа; потенциометри-ческий датчик МДД ТЕ±0,4-ЗКД предназначен для избыточного давления и разрежения Р_u=-0,04...+0,04 МПА (±0,4бар). Практически все типовые датчики имеют чувствительный деформационный элемент, что не обеспе­чивает высокой точности глубокого вакуума.

Наиболее распространенные вакуумметры делят на жидкостные, ком­прессионные, деформационные, термокондуктометрические, ионизацион­ные и радиометрические.

Жидкостные ртутные манометры позволяют измерить вакуум с точ­ностью до 0,1тор=13,ЗПа. При использовании жидкостей с малой плотно­стью и высокой температурой кипения (бутилфталат, аниезолон) погреш­ность можно снизить до 1,ЗЗПа. Если применить оптические или фотооп­тические отсчетные устройства, то точность измерения может составить 0,13Па.

Компрессионный вакуумметр Мак-Леода является разновидностью ртутного манометра, в котором измеряемый газ постоянного объема подвергается сжатию. Если занимаемый газом при низком давлении объем 100см³ уменьшить до 0,1см³, то его давление повысится в 10000 раз. В ре­зервуаре С перед измерением вакуума создают давление воздуха порядка нескольких мм.рт.ст., а уровни ртути в приборе до значений, показанных на рис.3. Чтобы измерить давление газа в соединенной с вакуумной систе­мой колбе V, постепенно повышают давление в резервуаре С, чтобы под­нять ртуть в трубке А и капилляре В до отметки УУ'. При подъеме ртуть, пройдя ответвление WW отсекает от основной системы определенное ко­личество измеряемого газа в колбе V и капилляре D. Уровень ртути в ка­пилляре D поднимается до значения XX', соответствующего равновесному положению. По закону Бойля-Мариотга для идеального газа изменения давления обратно пропорциональны изменениям объема.

Если капилляр D имеет F=1мм² и длину l=100мм, объем V=200см³=2-10⁵мм³, то при h=1мм Р=5-10-⁶ тор, а при h=10мм Р=5-10- ⁴тор.

Компрессорным вакуумметром из­меряют давление неконденсирующихся газов, подчиняющихся закону Бойля-Мариотта. Воспроизводимые значения точности измерений составляют ±0,5, ±0,6, ±2, ±6% при давлениях 10^-2, 10^-3, 10^-4 и 10^-5мм.рт.ст. Такие приборы пе­риодического действия используют для градуировки деформационных и термокондуктометрических вакуумметров, ко­торые пригодны для измерения вакуума любых неконденсирующихся газов.

Деформационные вакуумметры иногда называют мембранными, хотя чувствительным элементом может быть мембрана, сильфон или трубка Бурдона.

Использование упругого элемента исключает попадание рабочей жидкости в вакуумную систему, а чувствительность деформационных ва-кууметров одинакова для всех газов и паров. Первоначально деформацию упругого элемента измеряли оптическими методами. Вакуумметр из сильфона 50мм позволяет регистрировать разность давлений 5•10^-4тор. Трубка Бурдона обеспечивает точность измерений 1% при абсолютном давлении 0,13кПа и 0,1% при давлении 2,67кПа (20тор).

Применение современных электрических методов измерения дефор­мации упругих элементов позволяет получить простые и надежные датчи­ки давления и разрежения. В датчиках с плоской мембраной используются емкостные или тензорезис явные (проволочные или полупроводниковые) преобразователи. Для преобразования перемещений гофрированной мем­браны, сильфона или трубки Бурдона в электрический сигнал обычно ис­пользуют индуктивные и реостатные (потенциометрические) преобразова­тели. Возможно использование магнитоупругих преобразователей.

Градуировку деформационных вакуумметров осуществляют по образ­цовому компрессионному вакуумметру. Ее проводят только на основе одно­го из неконденсирующихся газов. Она справедлива для любых других га­зов. Следует помнить, что деформационными вакуумметрами нельзя точно измерить абсолютное давление ниже 10Па, хотя в технической характери­стике датчика может быть указан диапазон, например, от 0 до 267Па. Чем уже этот диапазон, тем выше чувствительность датчика.

Термокондуктометрические (теплоэлектрические) вакуумметры осно­ваны на зависимости теплопроводности газа от давления. Давление изме­ряют по тепловым потерям тонкой нагретой проволоки, натянутой в ваку­умной камере. Тепловые потери, как и в термокондуктометрических газо­анализаторах, измеряют посредством мостовой схемы.

Проволоку диаметром d натягивают вдоль оси трубки диаметром D. Если диаметр проволоки D намного меньше длины свободного пробега молекул λ, а D>λ, то теплопроводность газа пропорциональна его давле­нию. В зависимости от остаточного давления газа в трубке изменяется температура нагретой проволоки а, следовательно, и ее сопротивление R4, рис.4. Сопротивления R1 и R2 постоянны и одинаковы, а сопротивления R3 и R5 регулируемы.

При очень низком давлении газа (порядка 10^-6тор) к диагонали моста бг прикладывают некоторое напряжение V₀, достаточное для нагрева тон­кой проволоки до температуры выше 400°К. Изменяя сопротивление R3 уравновешивают мост. При повышении давления тепловые потери прово­локи возрастают, ее температура и сопротивление понижаются. Равновесие моста нарушается, о чем можно судить по отклонению стрелки нуль гальванометра, включенного в диагональ ав моста. Для восстановления равновесия моста повышают напряжение питания до V₁ за счет изменения сопротивления R5. В новом состоянии равновесия сопротивление прово­локи R4 и ее температура вернутся к первоначальным значениям. Уста­новлено, что разность квадратов напряжений V₁,²-V₀² пропорциональна ос­таточному давлению соответствующего газа. Градуировочные характери­стики линейны до давлений, при которых λ<10d. На практике термокондуктометрические манометры используют при давлениях от 10^-3 до 100тор, погрешность их составляет 2-3%.

Мостовая схема с постоянной температурой нагретой проволоки имеет два недостатка: перед снятием показаний надо настраивать прибор, а напряжение от давления зависит не линейно. Поэтому часто используют неуравновешенный мост постоянного тока. Наибольшее распространение получила схема неуравновешенного моста постоянного напряжения. В ней после начальной настройки напряжения не требуется никаких регулиро­вок. Давление же измеряется как функция тока разбаланса моста, измеряе­мого включенным в диагональ ав микроамперметром или милливольтмет­ром. Чувствительность обоих приборов ниже чувствительности нульгальванометра. Для повышения точности измерений равновесие моста можно восстанавливать изменением сопротивления R3.

Повышение верхнего предела измерений термокондуктометрического вакуумметра достигается, если нагреваемая проволока помещается в по­стоянное магнитное поле и питается переменным током с частотой около 1000Гц. Появление механических колебаний нити способствует интенси­фикации ее теплообмена с газом. За счет этого хорошая чувствительность сохраняется при давлениях, близких к атмосферному. В сторону низких давлений сдвинуть область измерений удается за счет охлаждения трубки, в которой натянута проволока, до температуры кипения жидкого азота. Та­ким способом удается измерять давления порядка 10^-7 тор.

Если, температуру нагретой нити измерять не мостовой схемой, а с помощью термопары, то получается так называемый термопарный мано­метр. Существует несколько разновидностей термопарных преобразовате­лей, но чувствительность их оказалась ниже. Использование термистора вместо термопары дает примерно такой же эффект.

Ионизационные вакуумметры имеют изме­рительный преобразователь, устроенный по принципу трехэлектродной радиолампы (триода) с горячим катодом. Если поддерживать напряже­ние между сеткой и катодом около 200В, а меж­ду коллектором и катодом приблизительно -20В, все испускаемые катодом электроны должны по­пасть в сетку. Однако многие из них сначала ко­леблются около сетки, образуя электронное об­лако в заштрихованной на рис.5 области.

Все положительные ионы в электронном облаке перемещаются под действием градиента потенциала к аноду лампы, который в данном случае является коллектором ионов. При постоянном электронном токе и фикси­рованных потенциалах электродов число ионов, образующихся между сет­кой и коллектором а, следовательно, и коллекторный ток прямо пропор­циональны давлению газа.

Измерительный блок ионизационного вакуумметра должен выполнять сле­дующие функции: а) поддерживать пра­вильное соотношение между потенциа­лами электродов; б) поддерживать по­стоянный электронный ток; в) измерять ток положительных ионов на коллектор. Одна из удовлетворяющих этим требо­ваниям электрических схем показана на рис.6. Электронный ток регулируют пу­тем изменения температуры катода за счет изменения протекающего тока по­средством переменного резистора.

Измеряют электронный ток (ток эмиссии) миллиамперметром мА. Для из­мерения тока положительных ионов на коллектор используют микроам­перметр мкА.

Применяют ионизационные вакуумметры для измерения давлений от 10^-1 до 10^-6 Па. Каждый измерительный преобразователь требует индивиду­альной тарировки. Погрешность измерений составляет 5-10%.

Радиоизотопные ионизационные вакуумметры используют источник радиоактивного излучения для ионизации газов. Скорость образования по­ложительных ионов в газе пропорциональна его давлению, а точнее концентрации молекул. Даже сравнительно слабый радиоактивный источник позволяет получать в диапазоне давлений 10^-6...10²тор вполне измеримую концентрацию ионов. Широкому применению радиоизотопных вакуумет-ров препятствуют невысокая чувствительность, неспособность измерять давления ниже 10^-5 тор и опасность воздействия на живые организмы.