Lektsii_Fv-10 (Лекции по физике вакуума)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНАТитулКурс лекций:ФИЗИКА ВАКУУМАМихайлов Валерий ПавловичЛекция № 10Принципы измерения давления вакуумаДавление, создаваемое современными вакуумнымисистемами варьируется в диапазоне от 105 Па до 10-10 Па,поэтому технически невозможно создать манометр, работающийв столь широком диапазоне давлений.К настоящему времени конструкторами разработанбольшой набор конструкций манометров в совокупностиперекрывающий весь диапазон указанных давлений.Типы манометровОбычно манометры снабжены блоком управления,позволяющим преобразовывать давление в электрический сигналдля управления автоматикой вакуумной системы.Кратко рассмотрим основные типы широко используемыхманометров.1.

Гидростатические V – образные манометры позволяютизмерять давление от атмосферного до 102 Па и состоят изоткачанной V – образной трубки, частично заполненной ртутьюили вакуумным маслом и соединенной с вакуумной системой.Преимущества манометров – прямое измерение давления,независимость от вида газа.2. Деформационные манометры.Принцип работы основан на изменяющейся (в зависимостиот давления) деформации упругого элемента – трубки Бурдонаили металлической мембраны.Использование металлической мембраны всочетании синдуктивными или емкостным датчиком точных перемещенийпозволяет измерять давления в области РИЗМ = 105 –101 Па.3 . Ком п р ес с и о н н ы й м а н ом ет р – п р ед с т а вл я е тусовершенствованную разновидность гидростатического V –образного манометра.

Газ сжимается в манометре в известноечисло раз, что позволяет с помощью прямого метода измерятьдавления до 10-3 Па.Достоинства:1) прямые измерения давления, что позволяет использоватьего в качестве образцового для калибровки манометров другихтипов;2) широкий диапазон измеряемых давлений,распространяющийся на область высокого вакуумаНедостатки: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 связитеплопроводности газа с давлением. В зависимости от способаизмерения температуры нагреваемой нити делятся на два типа:1)Манометры сопротивления измеряют изменениетемпературы 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 наиболеедешевую и простую разновидность теплового манометра, вкотором температура нагретой нити измеряется с помощьютермопары.

Работает в диапазоне давлений 102 – 10-1 Па.5. Ионизационный манометрПринцип работы основан на ионизации газа в объемедатчика потоком электронов, который строго стабилизирован(обычно 0,5 мА). Тогда количество образованных (за счетэлектронной бомбардировки молекул) ионов будет зависетьот давления (точнее от объемной концентрации газа). Впростейшей модификации может измерять давление вдиапазоне 10 -1 – 10 -5 Па. В усовершенствованноймодификации (датчик Альперта), в которой устраненапричина, вызывающая заметный фототок, может измерятьдавление в диапазоне 10-1 – 10-9 Па.6.

Магниторазрядный манометр (манометр Пенинга)Манометр Пенинга или так называемый манометр схолодным катодом. Принцип действия как и у ионизационногоманометра основан на ионизации газа. Для расширениядиапазона измеряемых давлений и возможности использованияхолодного катода в манометре использована системаскрещенных магнитного и электрического полей.

Магнитноеполе закручивает траекторию электронов по спирали,увеличивает вероятность ионизации молекул газаэлектронами. Диапазон измеряемых давлений составляет 10 –10-7 Па.7. Инверсно - магнетронный манометр так же как им а г н и то р а з р я д н ы й и с п ол ь зуе т сх ем у с к р е щ е н н ы хэлектрического и магнитного полей.

В отличие отмагниторазрядного конструкция системы “анод – катоды”позволяет создать практически стационарную орбиту дляпоявляющихся в результате ионизации вторичных электронов.Конструкция предусматривает также разделение фонового иионного (измеряемого) токов, что позволяет расширитьдиапазон измеряемых давлений в области сверхвысокоговакуума и обеспечить работу в диапазоне РИЗМ = 10-10 –10 Па.Механические (деформационные) манометрыНаиболее распространенный тип деформационныхманометров представляет собой трубку Бурдона, соединеннуюс откачиваемым сосудом.При давлении около 0.1 Торр (10 Па) манометр практическине реагирует на изменение давления (”0” шкалы манометра),максимум соответствует 105 Па (атмосфере).Для расчета упругой характеристики прибора выразимвнешние приведенные силы, действующие на стенки трубкиБурдона с наружной и внутренней стороны архимедовой спиралии обозначенные как F1 и F2, через соответствующие площади:F1 = ( Pe − Pm )S1гдеF2 = ( Pe − Pm )S2Pe- внешнее (атмосферное ) давление, ПаPm - измеряемое давление, ПаS1 ,S2 - площади трубки Бурдона, видимые с наружнойи внутренней стороны архимедовой спирали, соответственно, м2.Уравнения равновесия для упругой трубки Бурдона,нагруженной разностью давлений (P e - P m ) может бытьпредставлено:F1 = F2 + cxгде с – коэффициент, характеризующий жесткость (упругостьсистемы);х – перемещение конца трубки Бурдона (шарнира 6).Тогда(Pe – Pm )S1 = (Pe – Pm )S2 + cxоткуда выражение для измеряемого давления:cxPm = Pe −S1 − S 2Компрессионные манометрыПринцип работы манометра заключается в том, что в колбуманометра забирается известный постоянный объем газа,который сжимается в известное число раз, а затем измеряетсядавление уменьшенной в объеме (сжатой) порции взятого газа.Используется известное соотношение закона Бойля –Мариотта:PmV1 = P2V2,где:Pm - измеряемое давление в системе;V1 - объем (колбы) забираемой порции газа;P2 - измеряемое манометром давление;V2 - объем порции газа после сжатия в манометре.Схема компрессионного манометра1 – трубка для присоединения квакуумной (исследуемой)системе;2 – “сравнительный” капилляр;3 – ’’измерительный’’ капилляр;4 – соединительная трубка;5 – колба (объем V1) для заборапорции газа;6 – р е з е р ву а р с р а б оч е йжидкостью (ртутью);7 – поршень.Исходное положение уровня ртути соответствует метке I,при этом колба 5 оказывается наполненной газом, давлениекоторого (Pm) мы должны измерить.

Затем мы плавно поднимаемуровень ртути. Объем V1 колбы 5 оказывается отрезанным отизмерительной системы, когда уровень ртути достигает отметкиII. Продолжая поднимать уровень, устанавливаем его на отметкеIII (в “измерительном” капилляре), при этом степень сжатия газаn:n = V1/V2гдеV2 =πd42C⋅lм3dC – диаметр капилляра, м;l – расстояние от уровня III до вершины измерительногокапилляра, м.В сравнительном капилляре уровень ртути (уровень IV)выше, т.к на него не действует давление сжатой порции газа, адействует лишь давление Pm , которым в грубых расчетах можнопренебречь. В этом случае можно выразить давление сжатойпорции газа:P2 Торр (мм рт.

ст. ) = h · 133 Па,гдеh - разность уровней ртути в измерительном исравнительном капиллярах.Используя исходное уровнение Бойля – Мариотта:Pm ⋅ V1 = P2π dC24π dC2 , Па⋅ l = h ⋅ 133 ⋅⋅l4откуда выражаем измеряемое давление:Pm = 133h ⋅π dC24V1⋅ l = c1 ⋅ h , Пагде с1 - постоянная компрессионного манометра приизмерении методом линейной шкалы.Огромным преимуществом компрессионного манометраперед другими типами высоковакуумных манометров являетсявозможность прямым методом измерять давление газов вдиапазоне 100 – 10-3 Па, поэтому его используют в качествеэталона при градуировке других типов манометров (косвенногоизмерения).Главным недостатком является невозможность правильногоизмерения давления конденсирующихся компонентов газовыхсмесей, т.

к. они могут конденсироваться при сжатии.Недостатком является также длительность операцииизмерения и невозможность ее электронного мониторинга.Гидростатические (жидкостные) манометрыа) манометр с открытым коленом (показания приборазависят от атмосферного давления):pe – pm = ρ g h,гдеpe – атмосферное давление;pm –ρ–измеряемое давление;плотность жидкости (ртути или масла);g – ускорение земного притяжения;h–высота столба жидкости (погрешность измерения ~0,1мм).pm = 105 … 102 Па - для ртути;pm = 105 … 101 Па - длямасла;Преимущества гидростатических масляных манометров:• более высокая чувствительность, т.к. плотность маслапримерно в 15 меньше, чем у ртути;• безопасность при измерениях.Недостатки гидростатических масляных манометров:• хорошо растворяет газ, поэтому перед работой требуетсятщательное обезгаживание масла;• большие габариты манометра.б) манометр с закрытым коленом (показания не зависят отатмосферного давления):pm = ρ g h,гдеpmρ––измеряемое давление;плотность жидкости (ртути или масла для);g – ускорение земного притяжения;h–высота столба жидкости (погрешность измерения ~0,1мм).pm = 105 … 102 Па - для ртути (Pнас=3⋅10-1Па);pm = 105 … 101 Па - для масла (для ВМ-1 Pнас=10-6Па).Погрешность градуировки механических игидростатических манометровМеханические и гидростатические манометры – приборыдля прямого измерения давления.

Они используются дляградуировки всех других приборов как образцовые манометры.Другие типы манометров: тепловые, электронные,магниторазрядные, радиоизотопные – являются манометрами длякосвенного измерения давления.Образцовые манометры, используемые в качестве исходныхдля градуировки всех других приборов называются образцовымиманометрами первого разряда (погрешность градуировки неболее 1 … 5 %).Манометры, используемые в качестве образцовых ипредварительно проградуированные по образцовым манометрампервого разряда называются образцовыми манометрамивторого разряда (погрешность градуировки не более 10…15%).Тепловые манометрыПринцип действия тепловых манометров основан назависимости теплопередачи через разреженный газ отдавления.Теплопередача осуществляется от нагреваемой в вакууметонкой нити к стенкам баллона датчика.1 - трубка для присоединенияк вакуумной системе2 - тонкая нагреваемая нить3 - держатель нити4 - газ5 - баллон датчикаУравнение теплового баланса такого манометра можнопредставить в виде:IН 2 R = QK +QT +QИ +QМгде IH – ток, проходящий через нагреваемую нить, А;R - сопротивление нити, Ом;QK - тепло, отводимое газом за счет конвекции, Вт;QТ - тепло, отводимое газом за счет теплопроводности, Вт;QИ - тепло, отводимое излучением, Вт;QM - тепло, отводимое материалом нити за счеттеплопроводности, Вт.Потери QИ и QМ не зависят от давления.

Манометрдолжен быть сконструирован так, чтобы в диапазоне рабочихдавлений изменение QK и QTв зависимости от давлениясоставляло заметную долю от общих тепловых потерь нити,и, следовательно, его можно было измерить.Большинство выпускаемых типов вакуумметров позволяетизмерять вакуум в датчике на о снове зависимо ститеплопроводности газа от давления:QT = KS (TH − Tδ ) Pгде S - площадь поверхности нити, м2;TH - температура нити, град;Tб - температура баллона, град;P - давление в колбе датчика, Па;K - коэффициент теплопроводности газа в высоком вакууме.В этом случае (без учета конвекции QK) уравнениетеплового баланса:2Н4Н4Б2I R = 2πrlK (TН − Т Б ) P + 2πrlσ (T − Т ) + πr b(TН − Т Б )гдеl - длина нити;r - радиус нити;σ - коэффициент Стефана – Больцмана;b - коэффициент теплопроводности по сечению нити.Изменение теплопроводно сти Q T (и суммарноготеплоотвода) от нагреваемой нити вызывает изменение еетемпературы, по которому можно косвенно судить об изменениидавления.