ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Неотъемлемой частью любой вакуумной системы является аппаратура для измерения давления разрежённого газа. Область давления, используемая в современной вакуумной технике, 10⁵ – 10^-12 Па. Измерение давлений в таком широком диапазоне, естественно, не может быть обеспечено одним прибором. В практике измерения давления разрежённых газов применяются различные типы преобразователей, отличающиеся по принципу действия и классу точности.

Приборы для измерения общих давлений в вакуумной технике называются вакуумметрами и обычно состоят из двух частей — манометрического преобразователя и измерительной установки. По методу измерения вакуумметры могут быть разделены на абсолютные и относительные. Показания абсолютных приборов не зависят от вида газа и могут быть заранее рассчитаны.

Эти манометры измеряют давление, как силу ударов молекул о поверхность. При малых давлениях непосредственное измерение силы давления невозможно из-за её малости. В приборах для относительных измерений используют зависимость параметров некоторых физических процессов, протекающих в вакууме, от давления. Эти приборы нуждаются в градуировке по образцовым приборам. Вакуумметры измеряют давление газов, присутствующих в вакуумной системе. На рис. 3.1. показаны диапазоны рабочих давлений различных типов вакуумметров.

Абсолютные вакуумметры

Гидростатический U-образный вакуумметр, внешний вид которого показан на рис. 3.2, представляет собой стеклянную U‑образную трубку, заполненную ртутью или какой-либо другой жидкостью с низкой упругостью пара, например вакуумным маслом. Оба колена трубки соединены между собой трёхходовым стеклянным краном. В положении крана, изображённом на рисунке, оба колена сообщаются между собой. Правое колено соединяется со вспомогательным насосом, создающим разрежение 10^–1 –1 Па.

Рис. 3.1. Рабочие диапазон давлений, измеряемые вакуумметрами

В процессе измерения это давление принимается равным нулю. При повороте рукоятки крана на 180˚оба колена разобщаются между собой, а левое колено сообщается с сосудом, в котором необходимо измерить давление. Давление рассчитывается по формуле

                              ,                       (3.1)

где r — плотность рабочей жидкости; g — ускорение свободного падения для данной местности; h — разность уровней рабочей жидкости в обоих коленах вакуумметра.

Диапазон давлений, измеряемых ртутным вакуумметром 10² – 10⁵ Па (1–100 торр), масляным — 1–5×10³ Па (0,01–50 торр).

Компрессионный вакуумметр Мак-Леода схематично представлен на рис. 3.3. Компрессионным назван потому, что в нём осуществляется сжатие (компрессия) газа в запаянном капилляре. Основными элементами вакуумметра являются запаянный капилляр К₁ с сосудом V₁ , суммарный объём которых до точки a в процессе градуировки определяется с большой точностью, и сравнительный капилляр К₂, диаметр которого так же, как и запаянного капилляра, должен быть постоянен по всей длине и равен диаметру запаянного капилляра.

Рис. 3.2. U-образный манометр

Рис. 3.3. Компрессионный манометр

Чтобы произвести измерение, понижают уровень ртути в вакуумметре ниже точки а. При этом измерительный капилляр К₁ сообщается с системой, в которой необходимо измерить давление. При последующем повышении уровня ртути в вакуумметре порция газа, равная суммарному объёму измерительного капилляра К₁ и сосуда V₁, при давлении, равном давлению газа в системе, будет отсечена и сжата в запаянном капилляре. По закону Бойля–Мариотта произведение давления определённой порции газа на объём, им занимаемый, есть величина постоянная:

                     .                     (3.2)

Начальный объём V₁  известен, конечный объём V₂ нетрудно рассчитать по известному диаметру капилляра K_1, а давление P₂ определяется разностью уровней ртути h в измерительном K₁ и сравнительном К₂ капиллярах. Тогда по формуле (3.2.) легко рассчитывается искомое давление в вакуумной системе Р₁.

Деформационные вакуумметры в качестве чувствительного элемента имеют герметичную упругую перегородку, способную деформироваться под действием приложенной к ней разности давлений. Наибольшее распространение получили вакуумметры типа МВП, устройство которых схематично показано на рис. 3.4. Упругим чувствительным элементом является трубка эллиптического сечения, свёрнутая в спираль. Трубка под действием атмосферного давления при откачке внутренней полости скручивается за счёт разных радиусов кривизны, а следовательно, площадей наружной и внутренней поверхности трубки. Один конец трубки с помощью штуцера присоединяется к вакуумной системе, другой, запаянный, конец трубки через систему рычагов соединён со стрелкой прибора. Угол закручивания упругого элемента и соответственно угол поворота стрелки пропорциональны разности давлений внутри и снаружи упругого элемента.

Деформационный вакуумметр обладает целым рядом преимуществ: удобства в работе с вакуумметром, непосредственность отсчёта, безынерционность. Наряду с этим ему присущ существенный недостаток: зависимость показаний вакуумметра от барометрического давления. Область давления, измеряемых деформационным вакуумметром, — 5·10 ² – 10⁵ Па (~ 3–750 торр). Кроме описанного, известны и другие типы деформационных вакуумметров, например мембранные, которые выпускаются для различных диапазонов измеряемых давлений.

Рис. 3.4. Деформационный вакуумметр:

1 — труба эллиптического сечения;

2 — стрелка; 3 — зубчатый сектор;

4 — присоединительный штуцер.

Тепловые вакуумметры

Действие тепловых вакуумметров основано на зависимости теплопроводности газа от давления. Основными элементами любого теплоэлектрического манометрического преобразователя являются нить накала (с постоянной температурой и большой теплоемкостью) и корпус прибора. При постоянной электрической мощности, подведённой к нити Q_эл., температура нити зависит от давления. В стационарном состоянии при установившейся температуре нити имеет место баланс мощностей:

                 ,                 (3.3)

где Q_к — мощность теплоотвода по конструктивным элементам манометра; Q_м — мощность, отводимая от нити соударяющимися с ней молекулами; Q_л — мощность, отводимая лучеиспусканием.

Поскольку с ростом давления коэффициент теплопроводности газа увеличивается, то и увеличиваются Q_м. Следовательно, при Q_эл = const равновесная температура нити возрастает при понижении давления (если l₀>> d).Поэтому в тепловом манометре измеряется температура нити и результаты измерений градуируются в единицах давления.

На рис. 3.5, 3.6 представлены конструкции наиболее распространённых типов тепловых манометров и схемы их включения. Преобразователи в зависимости от способа измерения температуры делятся на термопарные и преобразователи сопротивления.

a)	б)

Рис. 3.5. Манометрический преобразователь сопротивления ПМТ-6:

а) конструкция; б) схема измерения

1 — корпус; 2 — нить накала

Корпус преобразователя ПМТ-6 (рис. 3.5а) изготавливается из нержавеющей стали, нить накала — из вольфрамовой проволоки диаметром 10 мкм и длиной 80 мм. Манометр работает в режиме постоянной температуры нити, равной 220 ºС. При этом сопротивление нити составляет 116,5 Ом. Манометр включен в одно из плеч моста (рис. 3.5б). Изменение сигнала, свидетельствующее об изменении давления, регистрируется стрелочным прибором. При изменении давления от 10^–2 до 30 торр ток накала нити изменяется от 4 до 52 мА, а напряжение от 0,5 до 6 В.

В диапазоне давлений от 1 до 10^-3 торр наиболее широко применяются термопарные манометры (рис. 3.6).

Нить накала в этом манометре выполняет только функцию источника тепла. Лампа работает в режиме постоянного тока накала, который регулируется перестройкой балластного резистора. Давление оценивается по ЭДС. термопары (рис. 3.7). Ток накала составляет 110–135 мА и подбирается таким образом, чтобы стрелка милливольтметра точно совпадала с сотым делением шкалы.

а)	б)

Рис 3.6. Термопарный манометрический преобразователь ПМТ-2:

а) конструкция; б) схема измерения.

1 — корпус; 2 — нить накала; 3 — термопара; 4 — ввод питания

При давлении ниже 10^–3 торр показания манометра достигают асимптотического предела 10 мВ (100 делений). При этих давлениях теплоотвод по газу пренебрежимо мал, и вся подводимая мощность расходуется на излучение (~ 63%) и теплоотвод по вводам (~ 37%).

Рис. 3.7. Градуировочная кривая термопарного манометра ПМТ-2

Верхний предел термопарных манометров определяется двумя явлениями: 1) при высоком давлении нарушается условие , и теплопроводимость газа перестает зависеть от давления; 2) при высоком давлении интенсивный молекулярный теплоотвод сильно снижает температуру нити, уменьшает разность температур нити накала и корпуса и приводит к потере чувствительности.

При токе около 120 мА лампа ПМТ-2 имеет верхний предел по давлению примерно 10^–1торр. Для борьбы с потерей чувствительности при высоком давлении достаточно увеличить температуру нити, т.е. повысить ток накала. При токе 250–300 мА лампа ПМТ-2 может измерять давления в диапазоне 10^–1 –1 торр. Для этого диапазона точное значение тока накала подбирают при атмосферном давлении, т.е. производится привязка градуировочной кривой к правому верхнему асимптотическому пределу манометра. Датчики тепловых вакуумметров не боятся прорыва атмосферы и имеют практически неограниченный срок службы.