Классификация вакуумметров

Приборы для измерения полного давления разреженного газа (вакуумметры)

Классификация вакуумметров

Приборы для измерения давления газа ниже атмосферного называются вакуумметрами. Большинство вакуумметров состоит из двух элементов: манометрического преобразователя сигнала давления в электрический сигнал и измерительного блока.

Само понятие «давление газа» для вакуумной техники утратило свой смысл, так как почти нет таких процессов в вакуумной технике, которые определялись бы давлением газа как усилием на единицу площади поверхности. Гораздо более важными характеристиками газовой среды в вакуумной технике являются плотность или молекулярная концентрация газа.

По принципу действия вакуумметры можно свести в следующие классы:

- жидкостные, непосредственно измеряющие давление (U-образные вакуумметры и их модификации);

- компрессионные, действие которых основано на законе изотермического сжатия идеального газа;

- деформационные, использующие в качестве чувствительного элемента сильфон, мембрану и т.п., в которых деформация чувствительного элемента служит мерой давления;

- тепловые вакуумметры, использующие зависимость теплопроводности газа от давления; они подразделяются на термопарные и вакуумметры сопротивления;

- ионизационные, в которых используется ионизация газа; большая группа этих приборов подразделяется на:

а) электроразрядные, принцип действия которых основан на зависимости параметров электрического разряда в разреженном газе от давления;

б) электронные ионизационные, ионизация газа в которых осуществляется потоком электронов, ускоряемых электрическим полем.

 

Области давлений, измеряемые вакуумметрами, показаны на рис. 1.

Всю группу вакуумметров можно также разделить на приборы прямого и косвенного действия.

Вакуумметрами прямого действия являются приборы, которые непосредственно измеряют давление газа. Эти приборы перекрывают диапазон , причем их относительная погрешность тем меньше, чем выше давление.

К вакуумметрам прямого действия относятся жидкостные, компрессионные и деформационные.

Вакуумметры косвенного действия измеряют не само давление, а некоторую его функцию и, как правило, состоят из манометрического преобразователя и измерительного блока.

Вакуумметры косвенного действия способны измерять давление от атмосферного до . К этим вакуумметрам относятся тепловые и ионизационные приборы.

 

Деформационные манометры

Измеряют давление от атмосферного до 0,1 Па. Мерой давления в них служит деформация чувствительного элемента, происходящая под действием приложенной к нему разности давлений.

Нашли применение деформационные вакуумметры трех основных типов: трубчатые, мембранные и сильфонные.

 

Трубчатые вакуумметры.

В качестве элемента, чувствительного к разности давлений, трубчатый вакуумметр имеет трубку 1 эллиптического сечения, свернутую в спираль. (рис. 1). Один конец этой трубки подсоединен к вакуумной системе при помощи штуцера 4, а другой - запаян и соединен системой рычагов с зубчатым сектором 3, который приводит во вращение стрелку 2. Наружняя поверхность трубки 1 всегда подвержена действию атмосферного давления. Пока в трубке сохраняется атмосферное давление(разность давлений равна 0), стрелка стоит на нуле шкалы, так как отсутствует деформация трубки.

Изменение давления в вакуумном сосуде, к которому подсоединен вакуумметр, вызывает деформацию трубки под действием разницы давлений вне и внутри нее и, следовательно, поворот стрелки. Угол поворота стрелки пропорционален изменяемой разности давлений. Деление шкалы, деление шкалы, против которого останавливается стрелка, показывает разность между атмосферным давлением и давлением внутри трубки.

 

Мембранный барометр - под действием давления газа прогибается тонкая упругая мембрана 1 (например, круговая, часто концентрически гофрированная. Мембрана посредством рычага 4 и передачи 2 воздействует на стрелу 3 манометра. С одной стороны мембраны имеет место известное эталонное давление, а с другой - измеряемое. Эталонное давление обычно значительно ниже измеряемого. (Схема приведена на обратной стороне листа).

Схема сильфонного манометра показана там же. На схеме: 1 – сильфон, соединенный с пространством измеряемого давления; 2 - сильфон с высоким вакуумом (); 3 - ось поворота рычага;4 - пружина; 5 – рычаг; 6 – толкатель, приводящий в действие электромагнитную систему, которая компенсирует силу, действующую на рычаг и одновременно ее измеряет; - измеряемое давление.

 

Деформационные мембранные преобразователи различают в зависимости от способа регистрации перемещения мембраны и метода измерения. В барометрах используется схема, показанная на рис 2а. Внутри герметичной полости, образованной мембраной 1, создается сравнительное давление . Если измеряемое давление не равно , то происходит деформация мембран и перемещение стрелки, пропорциональное разности давлений.

Такой прибор измеряет разность давлений и поэтому называется дифференциальным.

На этом же принципе работает мембранный преобразователь (рис. 2б), но в нем применен емкостный метод регистрации перемещения. Мембрана 2 в этом приборе герметично разделяет корпус 1 на две камеры, в одной из которых поддерживается сравнительное давление , а другая присоединена патрубком 5 к вакуумной системе. Через изолятор 4 в нижнюю камеру вводится электрод 3, образующий с мембраной конденсатор, емкость которого является функцией давления. Этот преобразователь может измерить абсолютное давление в вакуумной системе, если .

 

Гидростатические преобразователи

Простейшими гидростатическими преобразователями являются дидкостные манометры с открытым и закрытым коленом (рис 3). Измеряемая этими манометрами разность давлений и уравновешивается весом столба жидкости высотой : .

В манометре с закрытым коленом перед заполнением рабочей жидкостью получают давление , что позволяет непосредственно измерять абсолютное давление газа в вакуумной системе.

В качестве рабочей жидкости для заполнения рассматриваемых манометров применяют ртуть и масло.

Пределы измерения ртутных манометров Па, а масляных - Па.

 

Компрессионные манометры - гидростатические манометры с предварительным сжатием газа. Компрессорный манометр состоит (рис. 4) из измерительного баллона 2 с капилляром , резервуара со ртутью, соединительного трубопровода 3 с капилляром . Через азотную ловушку 4 манометр подключается к вакуумной системе. Баллон 2 перед началом измерений соединяется с вакуумной системой через трубку 3. Из баллона 1 под давлением атмосферного воздуха ртуть поднимается вверх по трубке T, отключает баллон 2 от вакуумной системы и сжимает заключенный в баллоне газ до давления, которое можно непосредственно измерить по разности уровней ртути в закрытом и сравнительном капиллярах и . После компрессии давление измеряется точно так же, как в обычном ртутном манометре с закрытым коленом.

Уравнение компрессионного манометра на основании закона Бойля-Мариотта имеет следующий вид: , где измеряемое давление; - начальный объем сжимаемого газа; - разность уровней в сравнительном и закрытом капиллярах; - конечный обем газа после сжатия; - диаметр капилляров. Решая выше записанное уравнение относительно и учитывая, что значительно меньше , получим

.

 

Из «Основ вакуумной техники»

Для измерения давлений ниже 1 Па обычные жидкостные вакуумметры мало пригодны из-за невысокой точности и громоздкости. Для измерения абсолютных давлений ниже 1 Па до Па нашли примение комприсионные манометры с предварительным сжатием газа.

От баллона 1 вниз идет припаянная к нему трубка 3, имеющая вверху ответвление 4, сообщающее измерительную часть вакуумметра с вакуумной системой. В свою очередь трубка 4 разветвляется, образуя сравнительный копилляр 5. ………

……….

Допустим, мы прекратили поднимание груши в момент, когда ртуть в измерительном капилляре заняла какой-то уровень (рис.). Уровень в сравнительном копилляре 5 будет выше уровня ртути в измерительном капилляре 2 на отрезок , так как над уровнем ртути в сравнительном копилляре давление будет меньше и равно измеряемому давлению .

Очевидно, что давление в сжатой измерительном капилляре порции газа будет измеряться суммой , а количество газа будет равно (. Так как количество газа, перекрытого в момент, соответствующий моменту III, остается неизменным, температура также не изменяется, тол можно, применив закон Болья-Мариотта, записать

.

Обычно компрессионные вакуумметры используют для измерения таких низких давлений, которые заметного влияния на разность уровней не оказывают, т.е. когда , потому можно записать , Па, где в миллиметрах.

Таким образом, измеряемое давление в вакуумной системе комприсионным вакуумметром сводится к такому уменьшению первоначального объема газа до объема , чтобы первоначальное, очень малое давление , которое нужно измерить, было увеличено до давления, измеряемого непосредственно по разности уровней ртути в измерительном и сравнительных капиллярах.

 

Тепловые вакуумметры

Принцип действия тепловых преобразователей основан на зависимости теплопередачи через разреженный газ от давления.
При низких давлениях, когда средняя длина свободного пути молекулы больше среднего расстояния между нагретым телом и стенками манометрического преобразователя, теплопропроводность газа пропорциональна давлению. При более высоких давлениях, когда средняя длина свободного пути молекул значительно меньше среднего расстояния между нагретым телом и стенками преобразователя, теплопроводность газа не зависит от давления. В области промежуточных давлений передача тепла увеличивается с ростом давления до постоянного значения.

Давление газа измеряют косвенным методом, т.е. измеряют какую-либо физическую величину, которая завилит от тепловой энергии, отводимой газом от чувствительного элемента вследствие теплопроводности газа. Вид зависимости этой физической величины от давления устанавливают экспериментально градуировкой вакуумметра по образцовому средству измерения.

Преобразователь давления теплового вакуумметра представляет собой баллон, внутри которого расположен нагреваемый электрическим током чувствительный элемент (обычно нить). По конструкции тепловые преобразователи подразделяются на термопарные и терморезисторные.

Существуют два способа измерения давления тепловыми вакуумметрами: при постоянной силе тока нагрева (накала) чувствительного элемента и при постоянной температуре нити. Первый способ обеспечивает большую чувствительность прибора при низком давлении, второй - расширяет диапазон измерений в сторону высокого давления.

Мерой давления при работе по методу постоянной температуры нити является сила тока нагрева, напряжение или мощность, подводимые к нити; при работе по методу постоянной силы тока - температура нити, которую определяют по ее сопротивлению (терморезисторные преобразователи).

При изменении давления начинает меняться теплоотвод и, следовательно, температура нити. Изменением тока накала температуру нити возвращают к исходному значению и судят о давлении по значению силы тока.

 

Ионизационные вакуумметры

 

Принцип действия ионизационных вакуумметров основан на зависимости ионного тока, возникшего в результате ионизации молекул разреженного газа, от измеряемого давления.

По способу ионизации газа ионизационные вакуумметры подразделяются на три типа: электронные ионизационные, в которых ионизация газа осуществляется электронами, ускоряемыми электрическим полем; радиоизотопные, где для ионизации газа применяют излучение радиоизотопных источников; магнитные электроразрядные, действие которых основано на зависимости тока электрического разряда в магнитном поле от измеряемого давления.

 

Электронные ионизационные вакуумметры.

Измерительный преобразователь давления в таком вакуумметре представляет собой электронную лампу с тремя (не менее) электродами: катодом, эмитирующим электроны; анодом, ускоряющим эти электроны до достижения энергии, значительно превышающей энергию ионизации газа; коллектором ионов, образовавшихся при ионизации.

Конструкция наиболее распространенного отечественного преобразователя приведена на рис. 5. В стеклянном баллоне преобразователя смонтирована трехэлектродная система, состоящая из коллектора ионов 1, имеющего форму цилиндра с электрическим вводом в верхней части баллона, анодной сетки 2, выполненной в видее двойной спирали с двумя выводами для обезгаживания путем пропускания электрического тока, и вольфрамового катода 3. На анодную сетку относительно катода подается напряжение +200 В, а на цилиндрический коллектор ионов -50 В.

Вольфрамовый катод преобразователя испускает электроны, которые движутся к аноду. Часть электронов пролетают через анодную сетку и попадают в пространство, заключенное между анодной сеткой и коллектором. Так как коллектор имеет отрицательный потенциал относительно катода, электроны не могут попасть на коллектор. В точке пространства с нулевым потенциалом электроны останавливаются и начинают движение в противоположном направлении - положительно заряженной анодной сетке. В результате у сетки непрерывно колеблются электроны, причем прежде, чем попасть на анод, электроны совершают в среднем до 5 колебаний. При столкновении электронов с молекулами газа происходит ионизация молекул. Образовавшиеся положительные ионы собираются на находящемся под отрицательным потенциалом коллекторе, создавая в его цепи ионный ток.

Как показал опыт, при достаточно низких давлениях (обычно ниже 0,1 Па) отношение ионного тока к электронному току прямо пропорционально давлению газов в манометрическом преобразователе: .

Это соотношение и лежит в основе работы электронного ионизационного преобразователя.

Множитель пропорциональности выражает чувствительность преобразователя: очевидно, чувствительность тем выше, чем больше отношение при данном давлении .

На рис. 6 приведена упрощенная принципиальная схема включения электронного ионизационного преобразователя.

В электрическую схему измерительного блока входят:

а) цепь катода 1, состоящая из источника питания и реостата 6 для регулировки температуры и, следовательно эмиссии электронов;

б) цепь сетки 2, состоящая из источника питания и прибора 5 для измерения электронного тока;

в) цепь коллектора 3, состоящая из источника питания и прибора 4 для измерения ионного тока.

Пределы давлений, которые могут быть измерены таким манометрическим преобразователем, составляют Па.

 

Радиоизотопный преобразователь

Для ионизации газа используется или - излучение радиоактивных изотопов. Особенно активно используется - излучение. Энергия - частиц (двухзарядных положительных ионов гелия), возникающих при радиоактивном распаде, составляет величину превышающую эВ. В связи с этим в радиоизотопном преобразователе не требуется накаленного катода и высокого напряжения, как в электронных и магнитных преобразователях.

Стабильность работы прибора обеспечивается независимостью радиоактивного распада от температуры окружающей среды и физико-химического воздействия находящихся в преобразователе газов. Благодаря этим свойствам и неограниченному сроку службы радиоизотопный преобразователь с точки зрения метрологии является одним из лучших приборов для измерения вакуума.

При взаимодействии с молекулами газов -частицы вызывают их ионизацию, причем количество образовавшихся положительных ионов пропорционально давлению.

Радиоизотопный преобразователь, схематично изображенный на рис. 7, состоит из выполненного в виде стержня коллектора 1, цилиндрического анода 2 и радиоизотопного источника 3. Вылетающие из радиоизотопного источника - частицы, соударяясь с молекулами остаточных газов, образуют положительные ионы, которые под действием разности потенциалов между анодом и коллектором (~ 50 В) направляются к коллектору, вызывая в его цепи ионный ток, пропорциональный давлению.

Диапазон рабочих давлений радиоизотопных преобразователей составляет Па.

 

Магнитные электроразрядные вакуумметры.

Способны измерять как достаточно высокие давления около Па, так и сверхнизкие давления, вплоть до Па и ниже.

Ионизация газа в этих вакуумметрах осуществляется не термоэлектронами, эмитируемыми накаленным катодом, а обеспечивается и поддерживается благодаря самостоятельному разряду между холодными электродами. Принцип работы магнитного электроразрядного вакуумметра можно понять из упрощенной схемы, изображенной на рис. 8.

В манометрическом преобразователе имеются всего два электрода: катод, которым является металлический корпус 1 прибора, и анод в виде металлического кольца 2. Вдоль оси анода создается магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом 4.

Через балластное ограничивающее сопротивление 3 на анод подается высокое положительное напряжение (2,5 - 3 кВ). При достаточно низком давлении между анодом и корпусом прибора возникает самостоятельный тлеющий разряд.