Вакуум — зто не пустота, как думаю многие. Абсолютной пустоты не бывает. В вакууме присутствуют молекулы газа, просто их значительно меньше, чем в воздухе при нормальном атмосферном давлении, Поэтому давление в этой среде понижено. Вакуум широко используется в технике и производстве, например, для вакуумной упаковки, вакуумной сушки продуктов, в сложных наукоемких технологиях, таких как производство полупроводниковых приборов или экранов современных телевизоров, в научных исследованиях. А значит, давление газов в вакууме тоже нужно измерять.
Для измерения давления в вакууме предназначены специальные приборы – вакуумметры. То есть, вакуумные манометры — приборы для измерения давления разряженных газов. Подробнее узнать о том, что такое вакуумметры, вы можете в нашем блоге о вакуумных системах и их составляющих.
Вакуумметры разделяют по принципу действия. Выделяют 6 основных типов вакуумметров:
.png)
ТИПЫ ВАКУУМЕТРОВ
Механические вакуумметры
По принципу действия эти вакуумметры похожи на обыкновенные манометры: внутри находится герметичная изогнутая трубка — трубка Бурдона (или сильфон, или мембранная коробка). Внутренняя полость трубки соединена с вакуумной системой. Когда в системе создается вакуум, возникает разность давлений снаружи и внутри трубки. Трубка деформируется, ее конец перемещается и отклоняет стрелку, тем сильнее, чем больше разрежение в трубке. Величину разрежения, то есть вакуумное давление, определяют по величине отклонения стрелки с помощью специального циферблата.
Кстати, некоторые манометры этого типа могут измерять как пониженное, так и повышенное давление (в последнем случае стрелка просто отклоняется в другую сторону). Такие приборы называются «мановакуумметры».
Существуют механические вакуумметры и мановакуумметры с электронной цифровой индикацией.
Механические вакуумметры измеряют относительно небольшие разрежения, поэтому используются, как правило, в «простых» технологиях, например в машинах для вакуумной упаковки, в медицинских приборах, вакуумных присосках и т.п.
Жидкостные вакуумметры
Простейший жидкостный вакуумметр представляет собой U-образную трубку, один из концов которой открыт в атмосферу, а другой подключен к вакуумной системе. Когда давление в системе понижается (т.е. создается вакуум), столб жидкости в соответствующей части трубки поднимается, а в противоположной опускается. Высота столба жидкости компенсирует разницу давлений, приложенных с разных сторон трубки. Изобретателем жидкостного вакуумметра считается Эванджелиста Торричелли — итальянский учёный, ученик Галилео Галилея. В наше время жидкостные вакуумметры находят применение в некоторых медицинских и учебных лабораториях.
А в специальных метрологических лабораториях используется более сложный жидкостный вакуумметр Мак-Леода. Но работает он на том же принципе — компенсации разности давлений за счет высоты столба жидкости.
Мембранные емкостные и тензорезистивные вакуумметры
Внутри этих вакуумметров есть мембрана, на которую с одной стороны действует атмосферное (или известное опорное) давление, а с другой – вакуумное давление. Из-за разницы этих давлений мембрана выгибается. В мембранно-емкостных вакуумметрах мембрана представляет собой обкладку конденсатора, вторая обкладка которого неподвижна. При изгибе мембраны емкость конденсатора изменяется. По величине емкости можно судить о давлении в вакуумной камере. В тензорезистивных вакуумметрах на мембрану устанавливается резистор, сопротивление которого изменяется при деформации мембраны. Давление определяют по величине сопротивления резистора, которую преобразуют в электрический сигнал.
Мембранные вакуумметры обладают минимальной погрешностью измерений давления (около 2%), поэтому используются во многих областях науки и техники для измерения давления в диапазоне низкого и среднего вакуума, т.е от 10-1 до 1000 гПа, а также как эталонные вакуумметры для калибровки других измерительных приборов.
Тепловые терморезистивные и термопарные вакуумметры
Принцип действия тепловых вакуумметров основан на зависимости теплоотвода в газе от давления этого газа.
В терморезистивных вакуумметрах (их еще называют вакуумметрами Пирани — по фамилии изобретателя) используется тот факт, что сопротивление металлического провода зависит от температуры. Провод разогревают электрическим током до определенной температуры, о которой судят по сопротивлению провода. При этом газ, содержащийся в колбе датчика, отводит тепло от нагретого провода к холодной стенке колбы. Чем интенсивнее теплоотвод, тем больший ток нужно подвести к проводу, чтобы разогреть его до заданной температуры. А теплоотвод тем сильнее, чем выше давления газа. Таким образом, по величине подводимого тока определяют давление.
В термопарных датчиках провод разогревает постоянным током, а от провода нагревается соединенная с ним термопара. Получается, что электрический сигнал на холодных концах термопары зависит от температуры провода, которая, в свою очередь, зависит от интенсивности теплоотвода, т.е. от давления газа. Таким образом, по значению напряжения на термопаре определяют давление.
Тепловые датчики обладают относительно высокой погрешность (10-15%, у лучших образцов ~5%), но в силу простоты конструкции и низкой стоимости широко применяются во всех отраслях промышленности для измерения давления в диапазоне низкого и среднего вакуума, а иногда — и до атмосферного давления.
Ионизационные вакуумметры
В ионизационных вакуумметрах используется зависимость ионного тока в газе от давления этого газа. Ионы образуются путем ионизации молекул газа. При прочих равных условиях, чем больше газа находится в объеме датчика, т.е. чем выше давление газа, тем больше его молекул ионизируется и участвует в переносе электрического тока. Таким образом, по величине ионного тока определяют давление газа.
Ионизируют газ разными способами.
В электронных ионизационных датчиках (иначе — датчиках с горячим катодом) имеется вольфрамовая или платиновая катодная нить, которую нагревают до высоких температур. При этом из нити вылетают электроны, которые ускоряются в поле анода и ионизируют газ.
Эти датчики могут измерять давления в диапазоне от 1 Па до 10-11 Па, и даже до 10-14 Па (экстракторные датчики). Такой вакуум в природе встречается только в дальнем космосе. Погрешность измерений у лучших образцов датчиков этого типа составляет ~15%. У этих датчиков есть один существенный недостаток: нагретая нить быстро перегорает при проникновении в датчик воздуха.
Применяются эти датчики во всех областях, где необходимо измерение сверхвысокого вакуума: в научных приборах, установках имитации космического пространства и другом современном высокотехнологичном оборудовании.
2. В магнитных электроразрядных преобразователях (другое название — датчики с холодным катодом) ионизация газа происходит также с помощью электронов, но в магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом. Эффективность ионизации в магнитном поле очень высокая, поэтому горячая нить не нужна. Эти датчики не боятся проникновения воздуха, но диапазон измерений у них несколько уже: от 1 Па до 10-7 Па. Погрешность также более высокая: 30-50%.
Эти датчики широко применяются в технологическом оборудовании полупроводниковой, металлургической, оптической промышленности: установках вакуумного напыления, вакуумной плавки, выращивания кристаллов и т.п.
3. В радиоизотопных ионизационных преобразователях (альфатронах) ионизация газа достигается за счет радиоактивного излучения, испускаемого активным изотопом. Эти датчики работают в диапазоне от атмосферного давления до 10-2 Па, и отличаются высокой точностью и долговечностью, но находят ограниченное применение из-за радиационной опасности.
Комбинированные вакуумметры
В одном вакуумметре могут сочетаться два датчика давления. Такие вакуумметры называют комбинированными.
Например, в одном приборе могут совместно работать терморезистивный вакуумметр Пирани и ионизационный датчик. Такой датчик обладает широким измерительным диапазоном от атмосферного давления до сверхвысокого вакуума.
Пользуются спросом также комбинированные вакуумметры, состоящие из терморезистивного вакуумметра Пирани и мембранно-емкостного вакуумметра. Их отличает повышенная точность измерений в диапазоне давлений, близких к атмосферному.
Вакуумметры парциального давления
Эти вакуумметры измеряют парциальные давления, т.е. давления отдельных газов, составляющих смешанную атмосферу вакуумной камеры. Такой вакуумметр представляет собой квадрупольный масс-спектрометр — прибор, способный разделять ионизированные молекулы газов в зависимости от их массы и заряда (точнее, от отношения заряда к массе).
Газ, составляющий атмосферу вакуумной камеры, ионизируется на входе в такой вакуумметр, ионы ускоряются в электрическом поле, после чего специальное устройство — квадруполь — из общего потока выделяет ионы, обладающие определенным отношением заряда к массе, а высокочувствительный измерительный преобразователь регистрирует создаваемый ими ток.
Компьютерная программа, управляя настройками масс-спектрометра, последовательно проверяет все возможные соотношения зарядов к массам и регистрирует значения тока, соответствующие присутствующим в атмосфере газам.
По измеренным значениям тока определяется процентное содержание всех компонентов в атмосфере вакуумной камеры. После обнаружения всех компонентов и вычисления их доли в составе атмосферы рассчитывается парциальное давление каждого из компонентов.
Заключение
Выбор вакуумметра определяется требуемым диапазоном измерений и условиям его использования. Каждый тип вакуумметров имеет свои преимущества и недостатки. Перед приобретением устройства Покупатель вакуумметра должен определиться также с ценой датчика и желаемой точностью измерений. При сложностях в выборе стоит обратится за помощью к специалистам.
