Устройства для измерения вакуума

Область давлений, используемая в современной вакуумной технике, находится в пределах 10⁵-10^-12 Па. Поскольку измере­ние давлений в таком широком диапазоне не может быть обеспе­чено одним прибором, то применяют различные типы вакууммет­ров, отличающиеся по принципу действия и классу точности. Средства для измерения и контроля вакуума классифицируют сле­дующим образом.

Манометр - прибор для измерения давления или разности давлений.

вакуумметр - манометр для измерения давления разрежен­ною газа или пара.

Абсолютный вакуумметр - вакуумметр, чувствительность которого одинакова для всех газов и может быть рассчитана по измеряемым физическим величинам.

Дифференциальный вакуумметр - вакуумметр для измере­ния разности давлений по обе стороны от разделительного чув­ствительного элемента.

Вакуумметр полного давления - вакуумметр для измерения суммарного давления, оказываемого всеми компонентами газовой смеси.

Масс-спектрометр - прибор для количественного и (или) качественного определения состава и структуры веществ, изуче­ния различных физико-химических процессов и явлений по масс-спектрам этих веществ.

U-образный вакуумметр - жидкостный вакуумметр, со­стоящий из сообщающихся сосудов, давление в которых опреде­ляют по одному или нескольким уровням жидкости.

Деформационный вакуумметр - вакуумметр полного давле­ния, действие которого основано на зависимости деформации чув­ствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления.

Мембранный вакуумметр - деформационный вакуумметр, в котором чувствительным элементом является мембрана или мембранная коробка.

Вязкостный вакуумметр - вакуумметр полною давления, действие которого основано на зависимости вязкости разреженного газа от скорости движения в нем твердого тела и измеряемого давления.

Тепловой вакуумметр - вакуумметр полного давления, действие которого основано на зависимости теплопроводности разреженного газа от давления.

Термомолекулярный вакуумметр - вакуумметр полного давления. действие которого основано на передаче чувствительному элементу суммарного импульса молекул газа, отражающихся от поверхностей с различными температурами.

Ионизационный вакуумметр - вакуумметр полного давления, действие которого основано на зависимости ионного тока, возникшего в газе в результате ионизации молекул разреженного газа, от давления.

Радиоизотопный ионизационный вакуумметр - ионизационный вакуумметр, в котором для ионизации газа применяют излучение радиоактивных источников.

Магнитный электроразрядный вакуумметр - ионизационный вакуумметр, действие которого основано на зависимости ионного тока электрического разряда в магнитном поле от измеряемого давления.

Электронный ионизационный вакуумметр - ионизационный вакуумметр, в преобразователе которого газ ионизируется электронами, ускоряемыми электрическим полем.

Радиочастотный масс-спектрометр - масс-спектрометр, в котором ионы разделяются в радиочастотном продольном электрическом поле, образованном последовательно расположенными сетчатыми электродами.

Диапазон измерений вакуумметра - область давлений, в который нормированы допускаемые погрешности измерений.

Чувствительность вакуумметра - отношение изменения сигнала на выходе вакуумметра к вызывающему его изменению давления.

Эквивалентное азотное давление - давление чистого азота, которое давало бы показание вакуумметра, равное показанию, вызванному воздействующим на него газом.

Вакуумметры обычно состоят из двух частей: преобразователя давления (ПД) и измерительного блока (ИБ). Преобразователь давления - устройство, герметично присоединяемое к вакуумной камере, воспринимающее непосредственно измеряемое давление и преобразующее его в другую физическую величину. Измерительный блок вакуумметра - устройство, обеспечивающее требуемый электрический режим работы ПД, усиление и измерение его выходного сигнала.

Вакуумметры классифицируют по принципу действия и методу измерения давления.

По методу измерения давления вакуумметры можно разделить на две группы: прямого и косвенного действия. К первой группе относят вакуумметры, измеряющие непосредственно давление как отношение силы к площади чувствительного элемента. Их показания не зависят от рода газа и могут быть рассчитаны заранее. Это жидкостные, компрессионные и деформационные вакуумметры, с помощью которых можно измерить давление от атмосферного до 10^-3 Па. Ко второй группе относят вакуумметры, принцип действия которых основан на использовании зависимости некоторых физических процессов о г давления газовой среды. При работе вакуумметра косвенного действия измеряется физическая величина, связанная с давлением определенной функциональной зависимостью, например, сила тока, напряжение, ЭДС, частота и др. Поэтому их показания зависят от рода газа. Это ионизационные, вязкостные, радиометрические и тепловые вакуумметры. Некоторые приборы этой группы позволяют измерять давление до 10^-12 Па. Метрические характеристики промышленных вакуумметров обычно приводят для воздуха или азота.

По принципу действия вакуумметры делят на деформационные, жидкостные, тепловые, ионизационные и др.

На рисунке 4.1 показаны диапазоны рабочих давлений, а в табл. 4.1 - характеристики различных типов вакуумметров.

Жидкостные вакуумметры

Принцип действия жидкостных вакуумметров основан на уравновешивании измеряемого давления или разности давлений столбом жидкости, т.е. измерение давления сводится к измерению линейной величины. Жидкостные вакуумметры подразделяют на U-образные и компрессионные.

U-образные вакуумметры - жидкостные вакуумметры, состоящие из сообщающихся сосудов, в которых измеряемое давление определяют по одному или нескольким уровням жидкости. Простейший вакуумметр представляет собой изогнутую в виде буквы U стеклянную трубку постоянною сечения диаметром не менее 7 мм, заполненную рабочей жидкостью. Один конец трубки соединяют с вакуумной системой, другой может быть открытым или запаянным. Давление в закрытом колене должно быть значительно меньше измеряемого. Для поддержания давления на этом уровне применяют периодическую или постоянную откачку. Измеряемое давление газа р, Па, определяют по формулам:

• для манометра с открытым коленом по формуле

P= P_атм- р_ж*g* Δh

• для манометра с закрытым коленом по формуле

P= р_ж*g* Δh

где P_атм - атмосферное давление, Па; р_ж - плотность рабочей жидкости при температуре измерения, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с²; Δh- разность уровней жидкости, м.

Диапазон измеряемых давлений зависит от свойств жидкости, геометрических размеров и способа определения уровня жидкости. В качестве рабочей выбирают жидкость с незначительным давлением насыщенного пара и малой способностью к растворению газов. Для измерения давлений, близких к атмосферному давлению, необходимо выбирать жидкости с большой плотностью (ртуть), а для измерения очень малых давлений -жидкости с минимальной плотностью (спирт, вода).

В промышленности наибольшее распространение получили укороченные двухтрубные вакуумметры типа MB, имеющие следующие диапазоны измеряемых давлений: MB 9,8 ((0-980 Па); MB 15,68 (0-1568 11а): MB 24,5 (0-2450 Па); MB 39,2 (0-3920 Па); MB 58.8 (0-5880 Па); MB 98,0 (0-9800 Па).

Компрессионный вакуумметр - жидкостный вакуумметр, в котором для измерения абсолютного давления разреженного газа этот газ предварительно сжимают. Принцип действия вакуумметра состоит в том, что находящийся в измерительном баллоне объемом V газ, давление р которою необходимо измерить, сжимается в измерительном капилляре до некоторого объема V\. Давление р₁ в измерительном капилляре уравновешивается давлением столба жидкости в сравнительном капилляре и давлением газа в вакуумной системе. Измеряемое давление можно определить по формуле

P=C*p*|h₀-h₁|*|h₂-h₁|*10^-3/(1-C*|h₀-h₁|),

где С=πd²/(4*V) - постоянная вакуумметра, мм^-1; d - внутренний диаметр измерительного капилляра, мм; h₀, - координата вершины запаянного конца капилляра, мм; h₁, и h₂ - соответственно, уровни рабочей жидкости в измерительном и сравнительном капиллярах, мм. В качестве рабочей жидкости чаще всего используют ртуть, так как она не смачивает стекло и плохо растворяет газы.

Компрессионные вакуумметры обычных конструкций позволяют измерять давление в диапазоне 10^-3- 4*10³ Па. Минимальная погрешность измерения составляет 1-3%. Обычно компрессионные вакуумметры применяют в качестве образцовых приборов для проверки вакуумметров других типов.

В технологическом вакуумном оборудовании жидкостные манометры находят ограниченное применение. Для приближенного измерения остаточного давления в интервале от атмосферного до I Па можно пользоваться механическими манометрами, которые позволяют судить о нахождении установки под вакуумом и определить скорость натекания после длительного перерыва в работе.

Деформационные вакуумметры

В деформационных вакуумметрах давление определяют по деформации упругого элемента под действием разности давлений. Их показания не зависят от рода газа. Такие вакуумметры различают по типу чувствительного элемента и способу измерения деформации.

По типу чувствительного элемента вакуумметры подразделяют на трубчатые, сильфонные и мембранные. Деформацию чувствительного элемента определяют механическими, оптическими или электрическими способами. В последнем случае для определения деформации применяют тензопреобразователи, индукционные, механотронные и другие датчики, преобразующие механическое перемещение чувствительного элемента в электрический сигнал (сила тока, напряжение, частота).

Трубчатый вакуумметр (рис. 4.2) - деформационный манометр. чувствительным элементом которого является запаянная с одного конца тонкостенная трубка эллиптического сечения (трубка Бурдона), изогнутая по дуге окружности в виде спирали.

Под действием разности давлений между наружным (атмосферным) давлением и внутри трубки меняется радиус ее кривизны, что приводит к перемещению запаянного конца трубки и повороту стрелочного указателя.

Измерительное уравнение связывает между собой перемещение Ah конца трубки и разность давлений (рат - р) соотношением

Δh = (р_атм-р) (А₁ - А₂)/с,

где р_атм - атмосферное давление; р - измеряемое давление в трубке;

А₁ и А₂ - соответственно площади наружной и внутренней поверхностей участка спиральной трубки; с - жесткость трубки.

Манометр измеряет давления в пределах 10⁵— 10³ Па. Измерение давлений ниже 10³ Па затруднено тем, что трубка при малой жесткости должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать атмосферное давление. Погрешность измерения равна 5% и ограничена упругостью трубки - медленным возвращением трубки в исходное положение после деформации.

Мембранный вакуумметр - деформационный манометр, в котором чувствительным элементом является упругая плоская или гофрированная мембраны (рис. 4.3). В измерительных приборах используют как одиночные мембраны, закрепленные по контуру в корпусе измерительного узла, так и мембранные коробки. Коробка состоит из двух мембран (с гофрировкой и краевым гофром), обычно одинаковых, соединенных сваркой, пайкой или завальцовкой по буртику (рис. 4.3,а). К одной из мембран через штуцер подводится измеряемое давление. Центр другой мембраны используется для передачи движения механизму прибора. В случае, когда требуется, чтобы объем полости внутри коробки был небольшим, мембраны соединяют с направлением гофров в одну сторону (рис. 4.3,6). Такая конструкция позволяет коробке выдерживать большие перегрузки от внешнего давления без нарушения прочности и метрологических характеристик. Для получения больших перемещений соединяют последовательно две-три мембранных коробки в блок (рис. 4.3,в).

В качестве примера на рис. 4.4 показан дифференциальный мембранный преобразователь. Внутри герметичной полости, образованной двумя мембранами, создается сравнительное давление р_ср. Если измеряемое давление р не равно р_ср, то происходит деформация мембраны и перемещение стрелки, пропорциональное разности давлений. Диапазон измерения мембранных преобразователей составляет от 10⁵ до 10^-1 Па.

Сильфонный вакуумметр - деформационный манометр, в котором в качестве чувствительного элемента используется сильфом, представляющий собой тонкостенную цилиндриче скую трубку с поперечной кольцевой гофрировкой (рис. 4.5). Используют два конструктивных варианта сильфонов: бесшовные сильфоны из тонкостенных цельнотянутых трубок (рис. 4.5,а) и сварные из плоских гофрированных кольцевых мембран (рис. 4.5,6).

Сварные сильфоны проще в изготовлении. Их изготовляют из материала с высокими упругими свойствами, поэтому они дешевле и имеют хорошие характеристики упругости. Однако большое количество сварных швов снижает надежность таких сильфонов. В вакуумной технике чаще применяют цельнотянутые сильфоны, которые серийно изготовляют из полутомпака Л80, коррозионностойкой стали IX18119 Г, дисперсионно-гвердеющих сплавов Н36ХТЮ и бериллиевой бронзы Бр.Б2 или БИТ. Бесшовные сильфоны, как правило, не рассчитывают и не разрабатывают, а подбирают наиболее подходящие по совокупности эксплуатационных характеристик из стандартных. Стандартные сильфоны изготовляют по следующему ряду размеров (основной параметр ряда - эффективная площадь): наружный диаметр d2 =4,5-160 мм, толщина δ = 0,08-0,25 мм, число волн n= 4-16. Стандартом определены размеры всех элементов енль-фона, в том числе d1 - внутренний диаметр, h - высота, г - радиус гофра.

Основные эксплуатационные свойства сильфонов: к - жесткость по осевой силе: λmах - максимальный рабочий ход;

максимальное рабочее давление. При необходимости получения большого значения Хтм при большом давлении ртах сильфоны делают многослойными (два, три и более слоев). Пели торец (дно) сильфона под действием давления перемешается, то в этом случае максимальное давление ршх определяется по наибольшему рабочему ходу:

p _λmах=k*A_эф/ λmах

где A_эф - эффективная площадь. Для большинства случаев применения сильфона A_эф можно подсчитывать по среднему диаметру:

A_эф=π/4*((d2+d1)/2)²

Эффективная площадь определяет значение осевой силы F, представляющей собой равнодействующую сил давления на дно сильфона: F = р* A_эф. Упругая характеристика сильфона по давлению (или осевой силе) практически линейна, но при сжатии жесткость меньше, чем при растяжении, а максимальный рабочий ход больше, чем при растяжении, поэтому обычно предусматривают работу сильфонов на сжатие.

Основное применение сильфоны нашли в качестве упругих герметичных разделителей рабочей среды и атмосферного воздуха и в качестве измерительных преобразователей давления (или разности давлений снаружи и внутри сильфона) в усилие или перемещение.

Тепловые вакуумметры

Принцип действия тепловых вакуумметров основан на зависимости теплопроводности разреженного газа от давления. Давление измеряют косвенным методом, т.е. измеряют физическую величину, которая зависит от тепловой энергии, отводимой газом от чувствительного элемента вследствие теплопроводности. Тепловые вакуумметры широко применяются для измерения давлений в диапазоне от атмосферного до 0.1 Па, так как они просты по конструкции, надежны в работе и удобны в эксплуатации.

Преобразователь давления теплового вакуумметра представляет собой тонкостенный корпус, внутри которого расположен нагреваемый электрическим током чувствительный элемент (обычно платиновая нить). По конструкции тепловые преобразователи подразделяют на термопарные и тсрморезисторные. Существуют два способа измерения давления тепловыми вакуумметрами: при постоянном токе нагревания (накала) чувствительного элемента и при постоянной те мне рагу ре нити. Первый способ обеспечивает большую чувствительность прибора при низких давлениях, второй - расширение диапазона измерений в сторону высоких давлений.

Тепловые вакуумметры измеряют полное давление газов и паров в диапазоне 10^-2— 10⁴ Па. Возможность измерения низких давлений ограничена влиянием побочного теплообмена, что обусловливает малое отношение мощности, отводимой от нити газом, к мощности, например, теплового излучения нити. Верхний предел измерений ограничен давлением, при котором теплопроводность газа не зависит от давления (длина свободного пути молекул становится меньше расстояния между нагретым элементом и стенкой).

Ионизационные вакуумметры

Методы измерения давления, основанные на измерении механических сил. разностей уровней жидкости и теплопроводности газов в области высокого вакуума не могут обеспечить достаточно точных измерений давления разреженного газа. В этом случае широко используются 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 разделяют на три типа: I) электронные ионизационные, в которых ионизация газа осуществляется электронами, ускоряемыми электрическим полем; 2) рад но изотопные, в которых для ионизации газа применяют излучение радиоизотопных источников; 3) магнитные электроразрядные, действие которых основано на зависимости тока электрического разряда в магнитном поле от измеряемого давления. Чувствительность ионизационных вакуумметров всех типов зависит от рода газа, давление которого измеряют.

Измерительный преобразователь давления электронного ионизационного вакуумметра представляет собой электронную лампу с тремя (и более) электродами: катодом, эмитирующим электроны; анодом, ускоряющим эти электроны до достижения энергии, значительно превышающей энергию ионизации газа; коллектором ионов, образовавшихся при ионизации.

В электронном ионизационном вакуумметре ионизация газа осуществляется электронным ударом. Электроны, эмитируемые накаленным катодом НК, движутся к цилиндрическому аноду А и ионизируют газ (рис. 4.6). Образовавшиеся ионы собираются на цилиндрическом коллекторе К. имеющем отрицательный потенциал относительно катода (25-100 В). Возникающий ионный I_и (мА) связан с давлением газа р (Па) следующей зависимостью:

I_и=I_тэ*К_ч*р

где l_т= 0,05-10 мА - ток термоэлектронной эмиссии; К_ч - коэффициент чувствительности, Па^-1.

Диапазон измерения составляет от 1 до 5*10^-6 Па. Верхний предел обусловлен сроком службы катода, отклонением от линейной зависимости ионного тока I_и от давления газа р (за счет рекомбинации ионов и электронов) и уменьшением средней длины свободного пробега молекул газа до величины, меньшей траектории электрона. Нижний предел измеряемых давлений связан с фотоэлектронным током с коллектора под действием рентгеновского излучения, возникающего при электронной бомбардировке анода.

Для измерения сверхвысокого вакуума применяются специальные конструкции ионизационных вакуумметров, в которых фотоэлектронный ток с коллектора значительно снижен. Наиболее распространен манометрический преобразователь Байяарда-Лльпсрта (рис. 4.7); в нем коллектор расположен по оси цилиндрической анодной сетки, а катод - вне этой сетки. В такой конструкции на коллектор попадает незначительная часть рентгеновского излучения, и поэтому нижний предел измеряемых давлений достигает 10^-8 Па.

Разработаны вакуумметры, в которых коллектор экранирован от рентгеновского излучения. В вакуумметре Грошковского тонкий проволочный коллектор расположен напротив отверстия в торце анодной сетки и защищен от рентгеновского излучения стеклянной трубкой (рис. 4.8).

Эффективность сбора ионов обеспечивается большим отрицательным потенциалом коллектора относительно катода (~ 350 В). Нижний предел измерений достигает 10^-11 Па.

Уменьшение нижнего предела может быть достигнуто увеличением длины пробега электронов, что обеспечивает возможность получения высокой чувствительности при малом электронном токе и, следовательно, при уменьшенном фоновом гоке. В орбитронном вакуумметре увеличение траектории достигается с иомошыо логарифмического электрического поля, создаваемого двумя концентрическими цилиндрами (внутренний - анод, внешний - катод). В ионизационном магнетронном вакуумметре удлинение траектории достигается с помощью магнитного поля. Нижний предел измеряемых давлений достигает 10^-11 Па.

Линейной характеристике вакуумметра соответствует уравнение

p = I_и / (I_тэ*К_ч) = С* I_и

где I_и- сила ионного тока на коллектор. А; I_тэ- сила электронного тока. А; К_ч - коэффициент чувствительности, Па^-1; С - постоянная вакуумметра (преобразователя), Па/А, значения которой определяют для данного газа экспериментально. С помощью ионизационных вакуумметров различных конструкций можно измерять давление в диапазоне от 300 до 10^-11 Па.

В радиоизотоппых вакуумметрах ионизация газа осуществляется частицами, излучаемыми радиоактивными изотопами. Преобразователь давления содержит источники α- или β-излучеиия, коллектор ионов и анод, что обеспечивает попадание на коллектор образовавшихся ионов. Эти вакуумметры имеют линейную характеристику и позволяют измерять давления в диапазоне от атмосферного до 10^-3 Па. Их достоинствами являются высокая стабильность и долговечность катода.

Простейший магнитный электроразрядный вакуумметр представляет собой двухэлектродную систему «анод-катод», расположенную в магнитном поле. При высоком напряжении между электродами возникает самостоятельный газовый разряд, который вызывает ионизацию газа. В общем случае зависимость измеряемого тока I_t, от давления p; имеет вид

I_t= К_ч * рⁿ,

где К_ч, - коэффициент чувствительности, А/Па; п - показатель степени, который в зависимости от типа преобразователя составляет 0,9-1,7.

Электроразрядные вакуумметры позволяют измерять давления в диапазоне 10^-12— 10² Па. Поскольку выделяемая в них тепловая энергия мала, то их можно применять в криогенных системах.