Методы измерения вакуума — вакуумметры
Методы измерения вакуума — вакуумметры
Как уже было сказано выше, единицей давления является паскаль. Следует заметить, что само понятие «давление газа» для вакуумной техники утратило свой физический смысл, так как почти нет таких технологических процессов в вакууме, которые определялись бы давлением газа, как усилие на единицу поверхности. Так уже при давлении в сосуде 10-1Па сила, с которой молекулы воздействуют на 1 см2 стенки сосуда, пренебрежимо мала.
Наиболее важной характеристикой газовой среды в вакуумной технике является плотность или молекулярная концентрация газа. Эта величина определяет теплоперенос, сорбционно-десорбционные процессы, воздействие газа на элементы электронных приборов и другие явления. Однако традиционно состояние газа оценивается давлением. Между давлением газаp и молекулярной концентрацией п существует связь: p-V = n ■ k—T
Приборы для измерения давления газа ниже атмосферного называются вакуумметрами. В условиях высокого вакуума показания практически всех приборов, применяемых для измерения давлений ниже 10-3 Па, пропорциональны не давлению, а концентрации молекул газа.
По принципу действия вакуумметры можно свести в следующие классы:
-
1) жидкостные вакуумметры, действие которых основано на уравновешивании измеряемого давления гидростатическим давлением столба жидкости (ртути или вакуумного масла). Диапазон измеряемых давлений 10 5-10 Па;
-
2) компрессионные вакуумметры, действие которых основано на законе изотермического сжатия газа и измерении его давления по высоте столба жидкости, уравновешивающего это давление. Диапазон измеряемых давлений — 10 3-10-2 Па;
-
3) деформационные вакуумметры, в которых измеряемое давление определяется по деформации упругого чувствительного элемента. Диапазон измеряемых давлений — 10 5-10-2 Па;
-
4) тепловые вакуумметры, использующие зависимость теплопроводности разреженного газа от давления. Диапазон измеряемых давлений — 10 2-10-1 Па;
-
5) ионизационные вакуумметры, в которых используются ионизация молекул газа. Диапазон измеряемых давлений — 10 -10-10 Па.
По методу измерения вакуумметры могут быть разделены на абсолютные и относительные.
Абсолютные вакуумметры измеряют непосредственно давление газа, т.е. силу, действующую на единицу поверхности измерительного элемента. Показания абсолютных приборов не зависят от рода газа. К вакуумметрам прямого действия относятся жидкостные, компрессионные и деформационные. Эти приборы перекрывают диапазон от 105 до 10 ’2 Па.
Относительные вакуумметры измеряют не само давление, а используют зависимость параметров некоторых физических процессов, протекающих в вакууме, от давления. Они нуждаются в градуировке. Вакуумметры измеряют общее давление газов, присутствующих в вакуумной системе.
К вакуумметрам косвенного действия относят
ся тепловые и ионизационные, которые перекрывают диапазон измеряемых давлений от атмосферного до 10 ’10 Па. Большинство вакуумметров состоит из двух элементов: манометрического преобразователя сигнала давления в электрический сигнал и измерительного блока.
В производственных условиях преимущественно используются вакуумметры косвенного действия, которые практически безынерционны, охватывают широкий диапазон давлений и просты в эксплуатации.
Принцип действия термопарных вакуумметров основан на зависимости теплопроводности разреженных газов от молекулярной концентрации (или давления). Передача теплоты происходит от тонкой металлической нити к баллону, находящемуся при комнатной температуре. Металлическая нить нагревается в вакууме путем пропускания электрического тока.
Из курса молекулярной физики известно, что в плотном газе (высокое давление) теплопроводность не зависит от давления.
При понижении давления уменьшается теплопроводность газа, соответственно, возрастает температура подогревателя и увеличивается термо-э.д.с. При низких давлениях, когда средняя длина свободно пробега молекул больше среднего расстояния между нагретым телом и стенками вакуумметра ( А^ d), теплопроводность газа пропорциональна молекулярной концентрации (давлению).
Преобразователь (рис. 23) представляет собой стеклянный или металлический корпус, в котором на двух вводах смонтирован подогрева
тель, на двух других вводах крепится термопара, изготовленная из хро-мель-копеля или хромель-алюмеля. Термопара соединена с подогревателем, который нагревается током, его можно регулировать реостатом и измерять миллиамперметром. Спай термопары, нагреваемый подогревателем, является источником термо-э.д.с., значение которой показывает милливольтметр.
Точность измерения давления термопарным вакуумметром существенно зависит от правильного подбора тока накала подогревателя. Калибровка термопарной лампы (установка тока подогревателя), подбирается таким образом, чтобы стрелка милливольтметра точно совпадала с последним делением шкалы. При этих условиях согласно градуировочной кривой термопарного манометрического преобразователя можно по показаниям милливольтметра определить давление в вакуумной системе.
Измерительное уравнение теплового преобразователя можно записать так:
Из уравнения (1.19) видно, что давление является функцией двух переменных: тока накала нити 1н и температуры нити ТН.
Преимуществом тепловых преобразователей является то, что они измеряют общее давление всех газов и паров, присутствующих в ваку-
умной системе, и обеспечивают непрерывность измерения давления. Диапазон рабочих давлений 5-103-10 -1 Па.
Существенным недостатком тепловых вакуумметров является изменение тока накала нити с течением времени, что требует периодической проверки тока накала. Недостатком также можно считать и их относительную инерционность, т.е. задержку отсчета во времени при быстром изменении давления. Существенное влияние на погрешность измерения тепловыми вакуумметрами оказывает колебание температуры окружающей среды.
Принцип действия электронных преобразователей основан на ионизации газа электронами и измерении ионного тока, по величине которого судят о давлении.
Ионизация молекул газа производится электронами, эмитируемыми термокатодом и ускоряемыми электрическим полем электрода, на который подается положительный потенциал относительно катода.
В стеклянном баллоне смонтирована трехэлектродная система, состоящая из коллектора ионов, анодной сетки и прямонакального катода. На анодную сетку подается напряжение +200 В относительно катода, а на цилиндрический коллектор -50 В. Анодная сетка выполнена из вольфрамовой проволоки в виде спирали. При прогреве преобразователя и его обезгаживании по спирали пропускается ток 3А. Вольфрамовый катод преобразователя испускает электроны, которые ускоряются электронным полем и движутся к анодной сетке.
носительно катода, электроны останавливаются и начинают движение обратно к анодной сетке. В результате у сетки колеблются электроны, причем, прежде чем попасть на нее, электроны совершают в среднем 5 колебаний. При столкновении электронов с молекулами газа происходит ионизация молекул. Образовавшиеся положительные ионы, попадая на коллектор, создают в его цепи электрический ток. Как показывает опыт, при достаточно низких давлениях (ниже 10-3 мм.рт.ст.) ионный ток коллектора прямо пропорционален давлению газа, т.е. p ~ 1коллектора. Таким образом, для измерения давления достаточно при заданном электронном токе измерить ионный ток и разделить на постоянную преобразователя.
Ионный ток можно охарактеризовать: I{ = K ■ Ie ■ p, где К — чувствительность манометрического преобразователя.
Отсюда
Чувствительность ионизационных вакуумметров зависит от свойств газа, его температуры, электрического режима и геометрии, то есть
Часть электронов пролетает в пространство между анодной сеткой и коллектором. Так как коллектор имеет отрицательный потенциал отУдельная ионизация зависит от рода газа. Поэтому вакуумметр должен градуироваться отдельно для каждого газа.
Основные недостатки термоэлектронных ионизационных вакуумметров связаны с применением в манометрических преобразователях горячего катода, являющего источником электронов. Горячий катод разрушается при резком повышении давления и имеет низкий срок службы при относительно высоких давлениях. Кроме того, наличие горячего катода ограничивает нижний предел измеряемых давлений. Например, ионизационный преобразователь ПМИ-2 измеряет в диапазоне давлений от 1 Па до 5-10-6 Па.
Одним из путей, позволяющим сдвинуть границу измерения в сторону более низких давлений, может быть увеличение чувствительности манометра. Для этого необходимо, чтобы электроны проходили в пространстве ионизации по возможности большие расстояния до момента их попадания на коллектор электронов. Тогда вероятность ионизации молекул газа этими электронами значительно возрастает, что приведет к увеличению чувствительности манометра. Наиболее простым способом увеличения длины пути электронов в пространстве ионизации является использование магнитного поля, воздействующего на электроны.
Рассмотрим расположение электродов, предложенное Пеннингом. Принцип действия магнитных преобразователей основан на зависимости тока самостоятельного газового разряда в скрещенных магнитном и электрическом полях от давления. Электродные системы, обеспечивающие поддержание самостоятельного газового разряда при высоком и сверхвысоком вакууме, бывают нескольких видов.
Манометр имеет катод, которым является корпус 1, и анод в виде металлического кольца 2. Вдоль оси анода создается постоянным магнитом 3 магнитное поле с индукцией 0,05-0,2 Тл. Через балластный резистор на анод подается высокое положительное напряжение порядка 2,5-3 кВ.
Разряд поддерживается между анодом и катодами, соединенными электрически и расположенными по обе стороны от анода. Равномерное магнитное поле, параллельное оси системы, препятствует немедленному уходу на анод электронов. Из-за большой длины пути электрона сильно повышается вероятность ионизации даже при низких давлениях газа. Образующиеся в результате ионизации молекул электроны движутся, как и первичные электроны, тоже по спиральным траекториям и в конце концов после совершения актов ионизации попадают на анод. Вторичные электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, также участвуют в поддержании разряда. Таким образом, благодаря магнитному полю и специальной конструкции электродов тлеющий разряд поддерживается даже тогда, когда средняя длина свободного пути электронов в газе во много раз превышает расстояние между анодом и катодом, что позволяет измерять низкие и сверхнизкие давления газа.
Данный вид вакуумметров позволяет измерять давления до 10-10 Па.
Недостатки: данные вакуумметры имеют меньшую точность измерения давления, нуждаются в периодической чистке.
Достоинства — простота конструкции и отсутствие горячего катода. Из-за этого вакуумметры могут быть включены при любом давлении.