Вакуумметры
Г.А. Ничипорович
Машиностроение, 1977 г.
3. ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ВАКУУММЕТРЫ
В деформационных вакуумметрах измеряемое давление или разность давлений определяется по деформации упругого чувствительного элемента, которая возникает под действием избыточного давления с одной стороны этого элемента. Приборами этого типа можно измерять давления в области от 10 до 10 -1 Па (760...10~4 мм рт, ст.). В качестве опорного используют как атмосферное давление, так и давление, которое меньше измеряемого во много раз и может быть приравнено к нулю. В первом случае измеряемое давление сравнивается о атмосферным и значение атмосферного давления в момент измерения должно быть известно. Во втором случае прибор имеет две камеры, отделенные друг от друга чувствительным элементом. Одна из камер соединяется о измеряемым объемом, а в другой поддерживается постоянное давление, меньшее измеряемого.
По типу упругого чувствительного элемента различают трубчатые, мембранные и сильфонные вакуумметры,
В вакуумметрах с трубчатым чувствительным элементом используется тонкостенная, изогнутая по дуге трубка эллиптического сечения, запаянная с одного конца (трубка Бурдона). При изменении давления внутри трубки изменяется радиус ее кривизны, что и фиксируется стрелой, приводимой в Движение механической передачей. Угол поворота стрелки пропорционален разности измеряемого давления внутри трубки и окружающего опорного давления. В приборах этого типа опорным давлением обычно является атмосферное. Шкалы этих приборов градуируются в относительных единицах вакуума, т. е. атмосферному давлению соответствует нулевое показание прибора.
РАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ ВАКУУММЕТР
В данном приборе используется радиометрический эффект. Между двумя пластинами, находящимися при разных температурах, возникают силы отталкивания. Эти силы вызваны тем, что молекулы газа, ударяющиеся о более горячую поверхность, отскакивают от нее, получив большую кинетическую энергию, чем молекулы ударяющиеся о более холодную поверхность. Появляющееся при этом отталкивание пластин пропорционально давлению газа, если расстояние между пластинами меньше средней длины свободного пути молекул газа.
Диапазон давлений, измеряемых радиометрическими вакуумметрами, составляет 1..ДСГ" Па (10 ...10-8-мм рт, ст.). Верхний предел измерений определяется давлением, при котором средняя длина свободного пути молекул сравнима с расстоянием между пластинами; нижний предел обусловлен соотношением между радиометрической силой и силой давления на холодную пластину инфракрасного излучения нагретой пластины.
Существует много конструктивных разновидностей радиометрического вакуумметра (Кнудсена, Вудро, Шредера, Хьюза и ДР.),
6. ТЕПЛОВЫЕ ВАКУУММЕТРЫ
Принцип действия тепловых вакуумметров основан на зависимости теплопроводности разреженных газов от давления, которая имеет место при молекулярном и молекулярновязкостном режимах.
Манометрический преобразователь теплового вакуумметра представляет собой баллон, внутри которого расположен нагреваемый электрическим током элемент. При изменении давления газа Р в баллоне изменяется теплоотвод от нагревательного элемента, что приводит к изменению его температуры.
Различают четыре типа тепловых вакуумметров: Термопарные сопротивления (Пирани), термисторные и приборы, основанные на линейном расширении металлов. Эти вакуумметры отличаются конструкцией нагревательного элемента манометрических преобразователей и способом измерения их температуры.
В термопарных манометрических преобразователях (рис.6) в качестве нагревательного элемента используется тонкая проволока 1, а ее температура измеряется с помощью прикрепленной к ней термопары 2.
В вакуумметрах сопротивления (типа Пирани) (рис.7) нагревательным элементом является тонкая проволока 1, натянутая по оси цилиндрического баллона 2, Температуру этой нити определяют по ее сопротивлению, которое является функцией температуры.
В термисторных вакуумметрах нагревательным элементом является полупроводниковый термистор с большим значением температурного коэффициента сопротивления.
В приборах, основанных на линейном расширении металлов, в качестве нагревательного элементу используют длинную нить или биметаллическую пластину. Температуру элемента определяют по изменению его линейных размеров или по углу изгиба.
7. ИОНИЗАЦИОННЫЕ ВАКУУММЕТРЫ
Работа ионизационных вакуумметров основана на ионизации молекул газа в объеме манометрического преобразователя и на измерении ионного тока, который является функцией давления. По способу ионизации эти вакуумметры разделяются на три типа.
1. Электронные ионизационные, в которых ионизация газа осуществляется потоком электронов, эмиттируемых накаленным катодом.
2. Магнитные электроразрядные, в которых под действием скрещенных магнитного и электрического полей поддерживается самостоятельный газовый разряд,
3. Радиоизотопные, в которых газ ионизируется ОС -излучением радиоактивных изотопов,
В дальнейшем примем следующие сокращенные названия этих приборов:
ВИ - электронные ионизационные вакуумметры, ПМИ - соответствующие им преобразователи; ВМ - магнитные электроразрядные вакуумметры, ПММ - их преобразователи; ВР - радиоизотопные вакуумметры, ПМР - их преобразователи.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ИОНИЗАЦИОННЫЕ
ВАКУУММЕТРЫ
Работу приборов этого типа достаточно хорошо можно проиллюстрировать схемой рис. 9. Электродная система манометрического преобразователя состоит из накаливаемого катода 3, анода 2, имеющего вид сетки, окружающей катод, и цилиндрического коллектора ионов 1.
МАГНИТНЫЕ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЕ ВАКУУММЕТРЫ
Действие магнитных электроразрядных вакуумметров основано на зависимости от давления тока самостоятельного раз- • ряда, который возникает в разряженном газе -в скрещенных магнитном и электрическом полях. Электродная система манометрического преобразователя состоит из катода К и анода А (рис. 13).
Существует несколько конструктивных вариантов прибора. В конструкции Пеннинга (рис. 13, ol) разрядный промежуток образуется двумя параллельными пластинами - катодами и расположенными между ними кольцевым или цилиндрическим анодом. В магнетронном и инверсно-магкетронном вакуумметрах манометрические преобразователи имеют конфигурацию электродов, сходную с магнетронной. Анод и катод представляют собой два соосных цилиндра. Если анодом является внешний цилиндр, то преобразователь называется магнетронным (рис, 13, & ), а если анодом является внутренний цилиндр - инвероно-магнетронным (рис, 13, ).
8. ВАКУУММЕТРЫ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ВАКУУМНЫ X СИСТЕМ
В связи с широкой автоматизацией вакуумных технологических процессов, особенно при производстве изделий электронной техники, в настоящее время широко разрабатывается необходимое оборудование. Роль вакуумметра в системе автоматизации особенно велика, так как во многих случаях давление является тем управляющим параметром, по которому строится система автоматизации. При этом вакуумметр должен обеспечить как малую автоматизацию, т.е. должен выдавать сигнал на внешние исполнительные устройства при достижении заданного давления, так и автоматизацию с использованием ЭВМ,
что позволит оптимизировать технологический процесс. Вакуумметры, выполняющие роль датчиков в автоматизированных вакуумных системах, должны удовлетворять следующим основным требованиям.
1. Обеспечивать измерения в широком диапазоне без переключений, т.е. иметь обзорные шкалы на весь диапазон измеряемых давлений.
2. Иметь аналоговый выходной сигнал на ЭВМ, изменение которого соответствуют всему измеряемому диапазону давлений.
3. Обеспечивать многоканальную блокировку во всем диапазоне измеряемых давлений.
4. Обладать воспроизводимостью характеристик от прибора к прибору.
5. Иметь высокую надежность, включающую в себя как большой срок службы, так и возможность длительной работы без каких-либо подстроек.
6. Быть простыми в эксплуатации.
Современное откачное оборудование позволяет проводить технологические процессы при достаточно низких давлениях, поэтому вакуумметры должны обеспечивать контроль давления в автоматизированных вакуумных системах от 10" ' до нескольких тысяч Па (от 10~^ до нескольких десятков мм рт. ст.). Для простоты эксплуатации и повышения надежности систем управления количество вакуумметров, перекрывающих весь этот диапазон, должно быть минимальным, т.е. необходимо применение
широкодиапазонных вакуумметров.
Перечисленным требованиям, с точки зрения надежности, широкодиапазонности и простоты эксплуатации, наиболее
полно удовлетворяют магнитные электроразрядные вакуумметры и вакуумметры сопротивления.
Параметрический ряд вакуумметров, выпускаемых промышленностью для автоматизированных вакуумных систем, включает в себя два широкодиапазонных вакуумметра, уже рассматривавшихся выше тепловой вакуумметр сопротивления ВТБ-I на диапазон давлений от и магнитный электроразрядный 3МБ-8 на диапазон давлений от. Эти вакуумметры обеспечивают автоматический контроль давления при взаимном перекрытии диапазонов измерения в области (10~3 мм рт. ст.).
Для обеспечения автоматизации каждый вакуумметр имеет аналоговый сигнал О ... 10 В, соответствующий всему диапазону измерения вакуумметра, а также два независимых канала блокировки. Каналы блокировки обеспечивают сигнализацию о достижении любого заданного значения давления в измеряемом диапазоне.
Измерительный прибор каждого вакуумметра, имеет оозорную шкалу на весь диапазон измеряемых давлений, В вакуумметре ВМБ-8 это достигается применением логарифмического усилителя для измерения разрядного тока преобразователя в диапазоне от 1O-9 до 2*1О~3 д.
Для автоматизации технологических процессов в системах с повышенным содержанием паров масел предназначен самоочищающийся магнитный электроразрядный вакуумметр ВМБ-10, обладающий аналогичными характеристиками.
Использование логарифмических усилителей, аналоговых выходных сигналов и блокировочных каналов практикуется и в других вакуумметрических приборах, что повышает их эксплуатационные возможности.