Принципы измерения вакуума
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 50Х 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:
Рекомендуемые материалыFREE Маран Программная инженерия Техническое задание КМ-3. Типовое задание к теме прямые измерения. Контрольная работа (ИЗ1) - любой вариант! КМ-2. Измерения электрических физических величин. Тестирование - 75% -71% Д-18 Вариант 18 - ДЗ №2 - Расчет электрической цепи переменного тока 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 РИЗМ = 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.
Бесплатная лекция: "14 Зажигательные вещества и приемы их тушения" также доступна.
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 РИЗМ = 10-10 –10 Па.
