вакуумметры

ВАКУУММЕТРЫ (от вакуум и греч. metreo — измеряю)

служат для измерения давления газов ниже атмосферного (см. вакуум). Каждый из рассмотренных ниже типов В. рассчитан на измерение в определенной области давлений (рис. 1).

_{Рис. 1. Диапазон измерения давлений разл. вакуумметрами.}

Области применения в химии и хим. технологии: жидкостные — обычно в лаб. практике и для поверки В. др. типов; деформационные, вязкостные, тепловые, ионизационные — в системах управления вакуумированием непосредственно в производств. условиях; ионизационные (в т. ч. радиоизотопные) — для регулирования давления в криогенных системах, контроля качества готовой продукции, в производстве особо чистых веществ и т. д.

Жидкостные (гидростатические) В. В одном из колен U-образной трубки (рис. 2) газ находится под измеряемым давлением р_и, в другом — под известным (т. наз. опорным) р_оп. Разность давлений уравновешивается столбом жидкости высотой h и плотностью d:

где-ускорение своб. падения. Обычно р_ир_оп. Применяемые жидкости (ртуть или вакуумные масла) имеют при рабочей температуре малое парциальное давление пара и химически нейтральны по отношению к газам и материалу трубки. Жидкостные В. могут быть с открытым (как на рис. 2) или закрытым коленом. В последнем случае р_оп0 и, следовательно, измеряется абс. давление газа. Достоинства жидкостных В.: простота конструкции, наглядность измерений. Недостатки: проникновение паров жидкости в вакуумную систему, небольшой диапазон определяемых давлений, большие габариты, недостаточная прочность конструкции, трудность автоматизации измерений и записи отсчетов. Погрешность до 10 Па.

_{Рис. 1. Жидкостный вакуумметр с открытым коленом.}

Деформационные В. Измеряемое давление воздействует на упругий элемент (мембрану, сильфон, спиральную трубку), деформация которого пропорциональна давлению и определяется оптич. или электрич. методом, либо непосредственно превращ. с помощью мех. передачи в показания стрелки прибора. Упругий элемент может также принудительно возвращаться в исходное положение посредством электрич. или пневматич. источников силы. В этом случае критерием давления служит компенсирующая сила или к.-л. др. величина, связанная с этой силой (напр., напряжение, ток, пневматич. давление). В мембранных В. (рис. 3)

_{Рис. 3. Мембранный вакуумметр: 1 — упругая мембрана; 2 — неподвижная пластина; 3 — изолятор.}

разрежение определяют по изменению емкости конденсатора, образованного мембраной и неподвижной пластиной. Достоинства деформационных В.: простота и надежность конструкции, недостаток: небольшой диапазон измерений. Погрешность до 0,4%.

Компрессионные В. (В. Мак-Леода). Прибор состоит из баллона объемом V, двух капилляров одинакового диаметра d, один из которых запаян, и трубки, соединяющей В. с системой, где измеряется давление (рис. 4). Снизу вводится жидкость (обычно ртуть), которая отсекает в объеме V газ при измеряемом давлении р_и и затем сжимает его до давления p_lр_и в малом объеме запаянного капилляра , где h — высота части капилляра, не заполненного жидкостью. Давление р₁ определяют по разности уровней столбов жидкости в запаянном и открытом капиллярах. По закону Бойля — Мариотта р_и = p₁V₁/V, т. е. давление можно найти, если известны d и V. Благодаря небольшой погрешности (1–2%) компрессионные В. используют как образцовые при градуировке В. других типов.

_{Рис. 4. Вакуумметр Мак-Леода.}

Вязкостные В. Действие основано на зависимости вязкости разреженного газа от давления. В демпферном В. мера давления — время затухания колебаний в газе кварцевых нитей, закрепленных с одного или двух концов. В В. с вращающимися элементами (диски, коаксиальные цилиндры) момент силы от быстро движущегося элемента передается через газ к др. элементу, подвешенному на чувствительной подвеске. Мера давления — угол поворота неподвижного элемента. Вязкостные В. обладают высокой чувствительностью. Погрешность до 0,1%.

Тепловые В. Герметичные баллоны, внутри которых расположен нагреваемый электрич. током элемент. При изменении давления газа в баллоне изменяется теплоотвод от нагреват. элемента, что приводит к изменению его температуры. Нагреват. элементом может служить тонкая металлич. проволока, температуру которой измеряют с помощью термопары или по электрич. сопротивлению, полупроводниковый термистор с большим температурным коэф. сопротивления, а также длинная металлич. нить или биметаллич. пластина, температуру которых находят по изменению линейных размеров либо по углу изгиба. Тепловые В. позволяют определять низкие абс. давления. Их недостатки: зависимость показаний от состава газа и температуры окружающей среды, большая инерционность. Погрешность 10–40%.

Ионизационные В. Действие основано на ионизации молекул газа и измерении ионного тока, который является функцией давления. В электронных В. ионизация осуществляется потоком электронов, испускаемых накаленным катодом. Такой В. снабжен еще двумя электродами — анодом и коллектором (рис. 5). Анод — сетка, создающая электрич. поле, которое ускоряет электроны. Коллектор имеет отрицат. потенциал относительно катода и собирает образующиеся в газе положит. ионы. Ионный ток в цепи коллектора служит мерой давления газа. Диапазон измерений (10⁻⁵ −1 Па) ограничен: при высоких давлениях — малым сроком службы и нарушением линейности градуировочной характеристики из-за возрастающей вероятности объемной рекомбинации ионов и увеличения тока вторичных ионов, также участвующих в ионизации; при низких давлениях — остаточным фоновым током коллектора, который не зависит от давления.

Для измерения сверхвысокого вакуума применяют В., где фоновый ток коллектора значительно снижен. С помощью т. наз. лампы Байярда-Альперта (рис. 6) можно определять давление до 10⁻⁸ Па. В этом В. катод расположен вне анодной сетки, а коллектор (тонкая проволока) — внутри нее. Модулируя ионный ток в лампе посредством дополнит. электрода (тонкий стержень между анодом и коллектором), диапазон измерений удается расширить до 10⁻⁹ Па.

_{Рис. 5. Ионизационный вакуумметр: 1 — катод; 2 — анод; 3 — коллектор. Рис. 6. Лампа Байярда-Альперта: 1 — катод; 2 — анод; 3 — коллектор. Рис. 7. Вакуумметр Лафферти: 1 — катод; 2 — анод; 3 — коллектор; 4 — экран; 5 — магнит.}

В. Лафферти работает в магн. поле напряженностью Н (рис. 7). Это позволяет удлинить пути электронов в рабочем пространстве и обеспечить высокую эффективность ионизации при очень малом электронном токе. Ниж. предел измерений — 10⁻¹¹ Па.

В ионизационных радиоизотопных В. для ионизации газа используют гл. обр. α-излучение. Особенность таких В. в отличие от электронных — отсутствие электрода, ускоряющегочастицы, энергия которых при радиоактивном распаде очень велика. Достоинство: строго линейная зависимость тока ионизации от давления, недостаток: не очень высокая чувствительность.

Погрешность нерадиоизотопных ионизационных В. 30–50%, радиоизотопных до 20%.

Магнитные электроразрядные В. Их действие основано на зависимости от давления газа тока самостоят. разряда, который возникает в разреженном газе в скрещенных магнитном (напряженностью Н) и электрич. полях. Этими В. можно измерять сверхвысокий вакуум (до 10⁻¹² Па). Электродная система прибора состоит из катода и анода (рис. 8).

_{Рис. 8. Магнитные электроразрядные преобразователи: а-манометр Пеннинга; б-магнетронный; в-инверсно-магнетронный; 1 — катод; 2 — анод.}

Торцы системы закрыты дисками, соединенными с катодом для предотвращения выхода заряженных частиц в осевом направлении. На анод подается напряжение, равное нескольким кВ, катод соединяется с усилителями постоянного тока и находится под нулевым потенциалом. Электроды помещаются в осевое магн. поле. В результате действия электрич. и магн. сил образующиеся своб. электроны движутся по замкнутым траекториям в пространстве между катодом и анодом, попадая на анод только вследствие столкновения с молекулами газа. Образовавшиеся при столкновениях ионы, траектории которых слабо искривляются магн. полем, движутся к аноду, а электроны в свою очередь начинают вращаться в пространстве катод — анод, вызывая ионизацию; возникает газовый разряд. По величине разрядного тока можно судить о разрежении.

Электроразрядные В. в отличие от ионизационных магнитных не имеют накаливаемого катода (это удобно для измерения разрежения, напр., в криогенных системах) и обладают большей чувствительностью. Недостатки: медленное возникновение самостоят. газового разряда при низких давлениях, необходимость очистки электродов при работе прибора в вакуумных установках, которые содержат пары масел. Ионизационные и магн. электроразрядные В. часто подключают к одной вакуумной системе, что позволяет последовательно включать в работу тот или иной прибор и управлять вакуумированием. Погрешность магн. электроразрядных В.-60% и более.

^{Лит.: Ничипорович Г. А., Вакуумметры, М., 1977; Ерюхин А. В., Основы вакуумных измерений, М., 1977.}

_{А. Н. Волдорин}