Основы вакуумных измерений

Ерюхин А.В.

Машиностроение, 1977 г.

Для измерения полных абсолютных давлений в вакуумных системах обычно применяют следующие методы:

1. Гидростатические. Измеряемое давление уравновешивается гидростатическим давлением столба жидкости (например, ртути), и затем измеряется высота столба жидкости с пойме пением для этого различных способов. Для измерения очень малых давлений применяется предварительное сжатие газа в известное число раз,

2. Механические, Измеряемое давление воздействует на какой-нибудь упругий элемент (мембрану, сильфон, трубку Бурдена), деформация которого служит критерием давления и измеряется оптическим или электрическим методом. При другом способе измерения, упругий элемент принудительно возвращается в исходное положение; в последнем случае критерием давления служит компенсирующая сипа или какая-нибудь другая величина, связанная с силой функциональной зависимостью, (например напряжение, сила тока).

3. Тепловые. Используется зависимость теплопроводности разреженного газа от его давления. Для этого нагреваемый электрическим током проводник помещается в трубку, вводимую в объект, в котором необходимо измерить давление, с соблюдением мер, обеспечивающих вакуумную плотность. В этом случае, молекулы газа осуществляют перенос тепла от проводника на стенки трубки. При постоянной силе тока накала критерием давления служит температура проводника (точнее, какая-нибудь другая величина, связанная с температурой функциональной зависимостью). При постоянной же температуре проводника значение давления определяется по силе тока накала или падению напряжения на проводнике.

4. Ионизационные. Ускоренными термоэлектронами или радиоактивными частицами производится ионизация газа, давление которого необходимо измерить. сила тока образующихся положительных ионов на коллектор, находящийся под отрицательным потенциалом относительно всех других электродов, в широких пределах пропорциональна давлению (точнее, концентрации молекул газа).

5. Магниторазрядные. Электродная система, находящаяся в магнитном поле и состоящая из холодного катода и анода, на который подано высокое напряжение, помещается в вакуумный объект, где необходимо измерить давление. Показателем давления (концентрации молекул) служит сила разрядного тока. В некоторых частных случаях удается достичь линейной зависимости силы разрядного тока от давления (концентрации молекул).

Средства, применяемые для намерения полных абсолютных давлений, называют манометрами или вакуумметрами абсолютного давления. В метрологии принято различать рабочие и образцовые средства измерений.

Все рабочие вакуумметры (манометры) и измерители парциальных давлений нуждаются в градуировке и периодической поверке по образцовой аппаратуре, воспроизводящей верное значение единицы давления.

Как правило, вакуумметры абсолютного давления состоят из двух основных частей: манометрических преобразователей и измерительных блоков. Для удобства в эксплуатации должна быть обеспечена взаимозаменяемость как блоков, так и преобразователей, поскольку часто возникает необходимость в их замене или применении одного измерительного блока с несколькими преобразователями и т. п. В связи с указанными обстоятельствами целесообразно иметь возможность проведения двух видов поверки:

- раздельной поверки манометрических преобразователей и измерительных блоков, обеспечивающей их полную взаимозаменяемость;

- комплектной поверки манометрического преобразователя вместе с данным измерительным блоком для тех случаев, когда взаимозаменяемость не нужна или не может быть обеспечена конструкцией преобразователя или блока.

Манометрические преобразователи при выпуске их большими партиями обычно не нуждаются в индивидуальной градуировке или поверке, так как их метрологические параметры обеспечиваются технологическим процессом серийного производства. Поэтому для таких преобразователей после того, как установлена типовая градуировочная кривая или постоянная бывает достаточно выборочных или периодических поверок. В то же время измерительные блоки для электрического питания манометрических преобразователей, представляющие собой сложные устройства, нуждаются в индивидуальной настройке и в индивидуальной поверке с определенной периодичностью. Поверка измерительных блоков не требует каких бы то ни было вакуумных устройств и может быть выполнена при помощи сравнительно несложного электротехнического оборудования и образцовых электроизмерительных приборов силами технического персонала средней квалификации. Градуировка и поверка, манометрических преобразователей (как и комплектная поверка вакуумметров или измерителей парциальных давлений) требует специального оборудования для получения высокого или сверхвысокого вакуума, образцовой вакуумметрической аппаратуры, указанной в поверочной схеме (см. рис. 8), высокой квалификации обслуживающего персонала, специальных помещений и т. п.

При поверке манометрических преобразователей применяются такие предварительно проверенные измерительные блоки, чтобы вносимыми ими погрешностями можно было пренебречь. В результате установленные при поверке погрешности относят только к погрешностям манометрических преобразователей. При эксплуатации преобразователя в комплекте с измерительным блоком погрешности собственно преобразователя и погрешности, вносимые блоком, суммируются,