ИЗМЕРЕНИЕ ВАКУУМА

2.1. Классификация вакуумметров.

Приборы для измерения давления газа ниже атмосферного (ва­куумметры), как правило, состоят из двух элементов: манометрического преобразования сигнала давления в электрический сигнал и измерительного блока.

По принципу действия вакуумметры делятся на следующие классы:

1. Жидкостные V – образные;

2. Компрессионные (вакуумметр Мак-Леода), действие которых основано на применении закона Бойля — Мариотта. Для измерения давления газ подвергается предварительно сжатию (компрессии).

3. Деформационные (величину давления определяют по деформации мембраны, сильфона и т.п.);

4. Тепловые, использующие зависимость теплопроводности газа от давления (подразделяются на термопарные вакуумметры и вакуумметры сопротивления);

5. Ионизационные, принцип действия которых основан на зависимости электрических характеристик разряженного газа от давления.

Жидкостные, компрессионные и деформационные вакуумметры от­носятся к приборам прямого действия. Вакуумметры косвенного дей­ствия измеряют не само давление, а некоторую его функцию. Отсчет давления такими вакуумметрами зависит от состава газа и его тем­пературы.

Рассмотрим подробнее принцип действия тепловых и ионизаци­онных вакуумметров, наиболее широко применяемых в современных вакуумных системах.

2.2. Тепловой вакуумметр сопротивления.

Манометрический преобразователь сопротивления представляет собой лампу, в которой натянута вольфрамовая нить накала. Измерительной частью вакуумметра является мост, с помощью которого контролируется сопротивление нити накала. Измерение дав­ления производят при постоянной температуре нити накала маномет­ра. При изменении давления газа начинает изменяться теплоотвод от нити накала по за­кону (1) и, следовательно, температура вольфрамовой нити.

(1)

где: - мощность, выделяемая нитью:

- мощность, отводимая к стенкам лампы через газ, окружающий нить.

- мощность, рассеиваемая нитью путем излучения по закону Стефана – Больцмана,

- мощность, отводимая через подвеску нити и электри­ческие вводы.

Измерением тока J накала температуру нити возвращают к исход­ному состоянию. Информацию о давлении газа получают используя показания амперметра в цепи накала и градуировочную кривую, рис.7.

2.3. Термопарный вакуумметр.

Манометрический преобразователь представляет собой стеклян­ную или металлическую лампу (рис.8), в которой на специальных вводах смонтированы платиновый или никелевый подогреватель и приваренная к нему термопара (хромель – копель или хромель – алюмель). Измерение давления производят при постоянном токе Jчерез подогреватель.

Рис.8. Схема измерительного блока термопарного манометрического преобразователя и градуировочная кривая. Измеряют термо-ЭДС (mV) и по графику определяют давление газа в откачиваемом объеме.

При понижений давления в вакуумном преобразователе теплопроводность газа уменьшается, что приводит к повышению темпера­туры нагревателя и, следовательно, увеличению термо-э.д.с. Для измерения разряжения газа в откачиваемом объеме измеряют термо-э.д.с и по градуировочному графику определяют величину давления.

Точность измерения давления зависит от правильности подбора тока накала J. Для определения оптимальной величины J создают в манометрическом преобразователе вакуум не хуже 10^-2 Па. После этого подбирают ток J подогревателя таким, чтобы стрелка мил­ливольтметра в цепи термопары отклонилась вправо до последнего деления шкалы.

2.4. Электронный ионизационный вакуумметр.

Манометрический преобразователь этого типа выполнен в виде стеклянной лампы, в которой смонтированы катод прямого накала, анодная сетка и коллектор ионов, рис.6. На анодную сетку подается напряжение +200 В, на коллектор ионов -50 В. Анодная сетка выполнена в виде спирали из вольфрама. При включении преобразователя для его обезгаживания по спирали анодной сетки кратковременно пропускают ток ~3 А, нагревают ее до ~1000°С.

Рис.9. Схема измерительного блока ионизационного манометрического преобразователя. Ионный ток в цепи нить накала – коллектор ионов пропорционален давлению газа в откачиваемом объеме.

Принцип работы преобразователя основан на ионизации молекул газа внутри лампы потоком электронов. Информацию о давлении газа получают по величине ионного тока.

Вольфрамовый катод испускает поток электронов, который под действием электрического поля движется к анодной сетке. Большая часть электронов пролетает сквозь анодную спираль и тормозится в пространстве между сеткой и коллектором. Затем электроны начинают движение в противоположном направлении. В результате, прежде чем попасть на анод, электроны совершают в среднем до 5 колебаний около анодной сетки (путь электронов от катода к аноду резко увеличивается, следовательно, возрастает вероятность ионизации молекул газа). При столкновении электронов с молекулами газа происходит их иони­зация, образующиеся ионы движутся к отрицательно заря­женному коллектору ионов и создают в его цепи ионный ток.

При давлениях ниже 0,1 Па отношение ионного тока J_и к элек­тронному J_э прямо пропорционально давлению газов Р_изм:

Это уравнение называют уравнением электронного преобразователя.

Для получения однозначной зависимости ионного тока от давления газа электронный ток преобразователя поддерживают постоянным, тогда:

,

где - постоянная электронного ионизационного преобразователя.

Верхний предел давлений, измеряемых электронным ионизационным вакуумметром, ограничен мальм сроком службы вольфрамового термокатода в присутствии химически активных газов и нелинейностью зависимости ионного тока в цепи коллектора от давления газа. Обычно ионизационный вакуумметр включают при давлении газа меньше 0,1 Па. Нижний предел давлений определяется фоновым током (ток фотоэлектронной эмиссии коллектора и ток ионно-электронной десорбции анода), не зависящим от давления и может достигать 10^-8 Па. При работе с разными газами чувствительность преобразователя отличается, т. к. эффективность ионизации зависит от рода газа.

2.5. Магнитный электроразрядный датчик вакуума.

Магнитный электроразрядный преобразователь не содержит в конституции нагреваемых деталей и может включаться при любом давлении в вакуумной системе. Ионизация газа в таком вакуумметре осуществляется благодаря самостоятельному разряду между холодными катодом и анодом. Катодом является корпус преобразователя, рис.10. Анод выполнен в виде металлического кольца. Вдоль оси анода создают магнитное поле с индукцией 0,05 – 0,2 Тл. Через сопротивление нагрузки на анод подают высокое (2,5 - 3 кВ) напряжение. При ухудшении вакуума (давлении ~10² Па, величина которого устанавливается при настройке датчика) между анодом и катодом возникает самостоятельный тлеющий разряд, напряжение на сопротивлении нагрузки (R нагр) резко возрастает, срабатывает защитное устройство.

В силу простоты эксплуатации и большой устойчивости в работе магнитные электроразрядные датчики вакуума широко применяются для управления работой сложных устройств, включающих вакуумную систему.

Рис.10. Магнитный электроразрядный датчик вакуума.