Лекция №18 Принципы измерения вакуума

Прежде всего следует отметить , что измерение вакуума – это измерение давления ниже атмосферного. Поскольку величина давления является критическим параметром практически для всех технологических процессов, реализуемых в вакууме, то измерение давления (вакуума) является важнейшей процедурой. Давление, создаваемое современными вакуумными системами варьируется в диапазоне от 10⁵ Па до 10^-10 Па, рис. 40, поэтому технически невозможно создать манометр, работающий в столь широком диапазоне давлений. Здесь находит отражение философский принцип “перехода количества в качество”: столь большие количественные концентрации газа неизбежно требуют качественно других методов измерения в других диапазонах давлений.

Рис.40

К настоящему времени конструкторами разработан большой набор конструкций манометров в совокупности перекрывающий весь диапазон указанных давлений.

Международной единицей измерения давления является

1 Паскаль = 1 Па = 1Ньютон*м^-2,

названной в честь Блеза Паскаля, впервые измерившего атмосферное давление. До 50^Х годов 20-ого столетия была принята внесистемная единица 1 торр = 1 мм рт.ст = 133 Па, названная в честь Эванжелисто Торичелли впервые определившего “силу боязни пустоты”. Соотношение указанных единиц с некоторыми другими принятыми в Англии, США, а также с единицами, принятыми в гидравлике и пневматике, даны в таблице:

	Тор	миллибар	бар	Паскаль	Стандартная атмосфера
1 тор =	1	1,333	1,33*10-3	133,3	1,326*10-3
1 мбар =	0,75	1	0,001	100	9,87*10-4
1 бар =	750	1000	1	1*105	9,87*10-1
1 паскаль =	0,0075	0,01	1*10-5	1	9,87*10-6
1 атм =	760	1013	1,013	101325	1

Обычно манометры снабжены блоком управления с контроллером, позволяющим преобразовывать изменения давления в электрический сигнал , чтобы управлять автоматикой вакуумной системы.

Кратко рассмотрим основные типы широко используемых манометров.

1. ГидростатическиеV – образные манометры позволяют измерять давление от атмосферного до 10² Па и состоят из откачанной V – образной трубки, частично заполненной ртутью и соединенной с вакуумной системой. Преимущества манометров – прямое измерение давления, независимость от вида газа.

2. Деформационные манометры.

Принцип работы основан на изменяющейся (в зависимости от давления) деформации упругого элемента – трубки Бурдона или металлической мембраны.

Использование металлической мембраны в сочетании с индуктивными или емкостным датчиком точных перемещений позволяет измерять давления в области Р_ИЗМ = 10⁵ –10^-2 Па

3. Компрессионный манометр (Мак-Леода) – представляет усовершенствованную разновидность гидростатического V – образного манометра. Газ сжимается в манометре в известное число раз, что позволяет с помощью прямого метода ,измерять давления до 10^-3 Па. Компактная разновидность манометра – вакустат позволяет монтировать манометр на установке.

Достоинства:

1) прямые измерения давления, что позволяет использовать его в качестве образцового для калибровки манометров других типов;

2) широкий диапазон измеряемых давлений, распространяющийся на область высокого вакуума

Недостатки:

1) большое время, затрачиваемое на один замер (2-5 мин);

2) невозможность автоматизации;

3) невозможность работы с конденсирующимися парами.

4. Тепловые манометры Принцип работы основан на связи теплопроводности газа с давлением. В зависимости от способа измерения температуры нагреваемой нити делятся на два типа:

1) Манометры сопротивления (м. Пирани) измеряют изменение температуры нити , как функцию изменения ее сопротивления. Сопротивление нити измеряют с помощью мостовой схемы. Манометр может измерять давление в диапазоне 10³-10^-2 Па.

2)Термопарный манометр – представляет наиболее дешевую и простую разновидность теплового манометра, в котором температура нагретой нити измеряется с помощью термопары. Работает в диапазоне давлений 10² – 10^-1 Па.

5. Ионизационный манометр

Принцип работы основан на ионизации газа в объеме датчика потоком электронов, который строго стабилизирован ( обычно 5 mА). Тогда количество образованных (за счет электронной бомбардировки молекул) ионов будет зависеть от давления (точнее от объемной концентрации газа). В простейшей модификации может измерять давление в диапазоне 10^-1 – 10^-5 Па. В усовершенствованной модификации (датчик Альперта), в которой устранена причина, вызывающая заметный фототок, может измерять давление в диапазоне 10^-1 – 10^-9 Па.

6. Магниторазрядный манометр (м. Пенинга)

Манометр Пенинга или так называемый манометр с холодным катодом. Принцип действия как и у ионизационного манометра основан на ионизации газа. Для расширения диапазона измеряемых давлений и возможности использования холодного катода в манометре использована система скрещенных магнитного и электрического полей. Магнитное поле закручивает траекторию электронов по спирали, увеличивает вероятность ионизации молекул газа электронами. Диапозон измеряемых давлений составляет 10 – 10^-7 Па.

7. Инверсно магнетронный манометр так же как и магниторазрядный использует схему скрещенных электрического и магнитного полей. В отличие от магниторазрядного конструкция системы “анод – катоды” позволяет создать практически стационарную орбиту для появляющихся в результате ионизации вторичных электронов. Конструкция предусматривает также разделение фонового и ионного (измеряемого) токов, что позволяет расширить диапазон измеряемых давлений в области сверхвысокого вакуума и обеспечить работу в диапазоне Р_ИЗМ = 10-10 ^–10 Па.