Теоретические сведения

Все манометры можно разделить на два типа. Манометры абсолютного типа измеряют непосредственное давления как силу ударов молекул о поверхность. Такими манометрами являются гидростатические, компрессионные и деформа­ционное. Гидростатический (жидкостный) манометр пред­ставляет собой U-образную трубку с жидкостью. Один конец трубки соединен с измеряемым давлением р_изм. Другой - с эталонным давлением р_а, равным атмосфере (если этот конец открыт), или условному нулю (если он закрыт). Измерение вакуума производят по h - разности уровней жидкости (часто ртути) в двух коленах. При открытом конце р_изм = р_а-h; при закрытом р_изм= р + р_упр, где р_упр- давление паров рабочей жидкости. Чаще всего р_упр<< h и р_изм » h. Компрессионные манометры измеряют низкие давления также по высоте уровня ртути. При давлении ниже 26 Па гидростатическими мано­метрами давление измерять уже невозможно. Но если газ, низкое давление которого требуется измерить, заключить в известный объем V , после чего в достаточной степени сжать его (при постоянной температуре - изотермическое сжатие), то полученное таким путем повышенное давление становится возможным измерить способом U-образного манометра. Зная степень сжатия (объем сжатого газа - V_к) и измеренное повышенное давление р_к можно по закону Бойля-Мариотта

( pV= const;T=const) определить искомое давление р=(V_кр_к)/V.

В деформационных манометрах упругий элемент, связан с индикатором, деформируется под действием разницы измеряемого и эталонного давлений.

В манометрах косвенного типа измеряется физическая величина, связанная с давлением газа, которая преобразуется в электрический сигнал, поэтому датчики этих манометров называют преобразователями. Действие тепловых манометров основано на зависимости теплопроводности газа от его давления. В ионизационных манометрах осуществляется ионизация газа и измеряется величина ионного тока, зависящая от давления. В магниторазрядных манометрах используется самостоятельный электрический разряд в газе в магнитном поле при наложении высокого напряжения, при этом величина J_p разрядного тока также зависит от степени разряжения газа. Диапазоны работы вакуумметров перечисленных выше типов показаны на рис. 3.1.

В вакуумной технике наибольшее: распространение получили тепловые и ионизационные манометры, поэтому остановимся на них подробнее. Оба этих типа манометров состоят из чувствительного элемента, который соединяется с рабочим объемом и выдает электрический сигнал, пропор-

Рис. 3.1. Диапазоны работы вакууметров

____ промышленные приборы; - - - опытные образцы

циональный измеряемому вакууму вторичного (измеритель­ного) прибора.

Тепловые вакуумметры. Принцип их работы основан на зависимости теплопередачи через разряженный газ от давления. Теплопередача осуществляется от нагреваемой в вакууме тонкой нити к стенкам баллона датчика, как показано на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Схема теплового манометра   1 – трубка для присоединения к вакуумной системе; 2 – баллон датчика; 3 – нагреваемая нить

Уравнение теплового баланса такого манометра можно представить как

J ,.Bт, (3.1)

где Jн - сила электрического тока, проходящего через нагре­ваемую нить, A;

R_н - сопротивление нити при температуре T_б, Ом;

Т_н -температура нити, К;

T_б - температура баллона, К;

- температурный коэффициент сопротивления матери­ала нити, 1/К;

Q_к - тепло, отводимое газом за счет конвекции, Вт;

Q_т.- тепло, отводимое газом за счет теплопроводности, Вт;

Q_и - тепло, отводимое излучением, Вт;

Q_н- тепло, отводимое газом за счет теплопроводности, Вт;

Два последних вида тепловых потерь не зависят от давления. Поэтому тепловой манометр должен быть скон­струирован так, чтобы в диапазоне измерений Q_к или Q_т в зависимости от давления, составляло заметную долю от общих тепловых потерь нити и следовательно, его можно было измерить.

Большинство выпускаемых типов вакууметров позволяет измерять вакуум в датчике на основе зависимости тепло­проводности газа от давления:

Q Вт (3.2)

где S .— площадь поверхности нити, м ;

р - давление в колбе датчика, Па;

К_т - коэффициент теплопроводности газа в высоком вакууме, Вт*м^-2*К^-1*Па^-1.

В этом случае (без учета конвекции) Q_к уравнение теплового баланса (3.1) может быть записано:

J

, Вт, (3.3)

где l – длина нити, м;

r — радиус нити, м;

σ = 5,67*10^-8 Вт м К - коэффициент Стефана-Больцмана,

b – коэффициент теплопроводности по сечению нити,

Вт*м^-1 *К

Изменение теплопроводности Q_т (и суммарного тепло отвода) от нагреваемой нити вызывает изменение ее температуры Т_н , а, следовательно, и протекающего по нему тока, по которому можно судить об изменении давления.

Чувствительность теплового манометра зависит от рода газа, заполняющего баллон датчика. Обычно прибор градуируется по воздуху, а пересчет не давление другого газа p_r производится по формуле:

.

Значения коэффициента для тепловых манометров следующие:

воздух - 1,0; Н₂ - 0,67, Не- 1,12; Ne- 1,31; СН - 0,61; Аr -1,65; CO - 0,94.

Нижний предел измеряемых тепловым манометром давлений зависит от соотношения постоянных составляющих Q_и и Q_н в (3.1) и (3.3). Они не зависят от давления и тепла Q_т, отводимого за счет теплопроводности газа. При Q_т << Q_и+ Q_н температура нити практически становится постоянной и перестает зависеть от давления. Для понижения предельного измеряемого давления необходимо ослабить побочные процессы теплоотвода. Для уменьшения Q_н нить должна иметь большее сопротивление тепловому потоку - быть более тонкой. Для уменьшения Q_и нужно снизить температуру нити, так как по закону Стефана-Больцмана Q_и пропорционально Т . Однако уменьшение DТ = Т_н - Т_б снижает чувствительность;

Т_н = 300+400°С.

Верхний предел измеряемого давления определяется двумя факторами:

1) При переходе от высокого к низкому вакууму изме­няется характер теплопроводности газа Q_т, которая перестает зависеть от давления. Зависящей от давления остается лишь конвективная составляющая отводимого тепла;

Q , Вт, (3.4)

где a - коэффициент, определяемый свойствами и температурой газа, формой и площадью поверхности нагревателя.

2) При высоком давлении большая теплопроводность газа сильно снижает температуру нити Т_н и уменьшает разность температур DТ, что приводит к потере чувствительности. При токе 200 - 300 мА тепловой преобразователь - лампа ЛТ-2 измеряет давление в пределах от 133 до 13 Па.

Из молекулярно-кинетической теории следует, что тепло­проводность газа Q_т при низком вакууме не зависит от давления.

Рис. 3.3. Распределение температур в баллоне датчика при низком вакууме

Поэтому, если выполня­ется условие λ/d<1, где λ – длина свободного про­бега молекул; d – диа­метр колбы датчика, то тепловой манометр не позволяет использовать зависимость (3.2) для из­мерения давления. Рас­ширить диапазон работы теплового датчика мож­но, если и при низком вакууме создать условия теплоотвода характер­ные для высокого ваку­ума. Для этого необ­ходимо (рис. 3.3). чтобы на расстоянии l<<l температура теплопро­водящей колбы была постоянна и не зависела

от Тк. Это можно сде­лать, если нить с рассто-

яния l видна под достаточно малым углом w и не оказывает существенного влияния на температуру молекул, находящихся вокруг нити на расстоянии l и играющих роль теплоотводящей колбы. Так, при толщине нити 2r =10 мкм и l = r = 2¸5 мкм имеем верхний предел, достигаемый тепловым манометром, равный от 1,3*10³ до 4*10³ Па.

При использовании конвективного теплоотвода для измерения давления, согласно уравнению (3.4) (при более высокой температуре нити накала) возможно измерение давления тепловыми манометрами в диапазоне от 10⁵ до 1,3*10³ Па, но с большей погрешностью.

Рис. 3.4. Манометр сопротивления 1 – нагреваемая нить; 2 – баллон; 3 – электрические вводы; 4 - присоединительная трубка

По способу измерения тепловые манометры делятся на два типа: манометры сопротивления и термопарные манометры.

В манометрах сопротивления (рис. 3.4.) (манометр Пирани) используется зависимость сопротивления нити от температуры Т_н. Здесь нить манометра выполняет две функции: источника тепла и измерителя температуры. Промышленность выпускает вакууметр сопротивления ВСБ-1 с датчиком МТ-6.

В термопарных манометрах (рис. 3.5) нить служит только источником тепла. Для измерения температуры применяется термопара. Промышленность выпускает термопарные вакууметры ВТ-2 и ВТ-3, а также совмещенные в одном корпусе с ионизационными вакууметры ВИТ-1, ВИТ-2, ВИТ-3.

Вакууметр ВИТ-3 работает с датчиком ПМТ-2 или

ПМТ-4М. Нить нагревателя в них изготовлена из платины, термопара – хромель-капеля. Пределы измерения ПМТ-2 от 670 до 0,13 Па.

Градуировочные кривые датчика ПМТ-2 по воздуху приведены на рис. 3.6. Введено два диапазона измерений. При

Рис. 3.5. Термопарный манометр 1 – нагреваемая нить; 2 – баллон; 3 – электрические вводы; 4 – присоединительная трубка; 5 - термопара

определении давления в диапазоне от 6,б*102 до 66 Па (кривая I) измерения производятся при посто­янной (рабочей) ЭДС термопары в следующей последовательности. До при­соединения преобра­зователя к вакуумной системе, не вскрывая его, включить в измерительную схему манометра и определить рабочую вели­чину тока накала подо­гревателя, при котором ЭДС термопары равна 10 мВ. При измерении ваку­ума в диапазоне от 66 до 1*10-1 Па необходимо уста­новить найденную рабочую величину тока накала подогревателя, замерить соответствующее значение ЭДС термоэлемента и по

градуировочной кривой 2 (рис. 3.6) определить давление.

При работе датчика в диапазоне от 6,6*10² до 66 Па измерение вакуума осуществляется при постоянном токе накала. Для этого нужно обрезать конец трубки датчика, содержащей газопоглотитель, установить преобразователь вертикально, обязательно цоколем вверх, и при токе подогревателя 600 мА определить рабочее значение ЭДС термоэлемента. При измерении вакуума необходимо установить рабочее значение ЭДС термопары и по градуировочной кривой (рис. 3.6) определить давление

Рис. 3.6. Градуировочная кривая термопарного преобразователяПМТ-2

Ионизационные манометры. Принцип действия ионизационных манометров основан на зависимости скорости ионизации газа от давления. В датчике любого ионизационного манометра есть две системы: для ионизации остаточного газа и для отбора ионов. В установившемся режиме манометра скорость ионизации равна скорости отбора ионов, о которой судят по ионному току. Из молекулярно-кинетической теории газов следует, что скорость образования ионов в манометре пропорциональна давлению и эффективности ионизации. Taк, число образованных ионов

N = p n_e e l, (3.5)

а ионный ток

J_и = р J_e el, А, (3.6)

где р – давление, Па

; n_e – количество электронов;

J_e - электронный ток, А;

e. -эффективность ионизации, м^-1Па^-1;

l - длина траектории электрона, м.

Таким образом, измеряя ионный ток, можно судить о значении давления. Для того, чтобы существовала линейная зависимость между давлением газа и ионным током, требуется, чтобы:

1) интенсивность источника ионизирующего излучения была постоянной. В приборе ВИТ-3 имеется стабилизатор тока эмиссии. При работе с датчиком ПМИ-2 или ЛМ-3-2 стаби­лизированный ток электронной эмиссии равен 0,5 мА, а при работе с преобразователем МИ-10-2 он равен 0,1 мА;

2) длина свободного пробега ионов (и ионизирующих частиц) должна быть больше расстояния между электродами, чтобы избежать рекомбинации ионов или двух- либо трехкратной ионизации, нарушающей линейность выражений (3.5) и (3.6).

В зависимости от вида источника ионизации иониза­ционные манометры делятся на:

1) термоэлектронные, где для ионизации газа использу­ются термоэлектроны (наиболее распространенный тип датчи­ков, к которым относятся датчики ПМИ-2, ЛМ-3-2 и МИ-10-2);

2) магнитноразрядные, где для ионизации используется явление автоэлектронной эмиссии;

3) радиоизотопные, где ионизация происходит за счет a или g - излучения радиоактивных изотопов.

Как видно из формул (3.5), (3.6) важным фактором, влияющим на чувствительность прибора, является эффектив­ность ионизации газа. Она равна числу ионов, образующихся на 1 см пути частицы при давлении 1,3*10² Па. Минимальная энергия электрона, необходимая для ионизации большинства газов, составляет от 12 до 25 эВ, но максимальной эффективности можно достичь примерно при 100 эВ. Другим фактором, увеличивавшим ионизацию, является увеличение пути свободного пробега электронов. Пределы измерения датчика ПМИ-2 от 0,13 до 1,3*10^-5Па.

Конструкция и схема включения термоэлектронного преобразователя ПМИ-2 показаны на рис. 3.7.

Рис. 3.7 Схема включения термоэлектронного манометра и его конструкция   1 – катод; 2 – сетка –анод; 3 – коллектор ионов; 4 – прибор для регистрации ионного тока; 5 – прибор для контроля электронного тока

Преобразователь представляет собой трехэлектродную лампу, смонтированную в стеклянной колбе. Вольфрамовый катод 1, расположенный по оси прибора, а анод 2, выполненный в виде спирали, выведены на ножку преобразователя. Коллектор 3, выполненный в виде цилиндра, окружающего анод, выведен в верхнюю часть колбы для уменьшения тока утечки. Раскаленный катод эмитирует электроны, которые ускоряются полем положительно заряженного анода и в большинстве случаев пролетают мимо сетки - анода. Затем они отталкиваются отрицательно заряженным коллектором обратно и так колеблются у сетки, прежде чей попасть на нее, ионизируют при этом газ. Образующиеся положительные ионы уходят на отрицательно заряженный коллектор. Чувствительность термоэлектронного манометра определяется выражением

J_и/J_с = Kр или р = СJ_и,

где К— чувствительность термоэлектронного манометра, Па ^-1;

С - постоянная термоэлектронного манометра (т.к. при измерении вакуума J_с = const) Па*А^-1.

Постоянная преобразователя С для воздуха приводится в паспорте преобразователя. Для ПМИ-2 при токе эмиссии J_с =

= 0,5 мА С = 87 Па* А^-1. Однако при помощи ионизационных преобразователей можно измерять давление любых газов и их смесей при условии, что они не вступают в химическую реакцию с конструкционными материала­ми преобразователя. Относительная чувствительность ионизационных преобразова­телей ПМИ-2 по некоторым газам приводится в таблице.

Таблица 1