главная > справочник > химическая энциклопедия:

Вакуумметр

Вакуумметры (от вакууми греч. metreo - измеряю), служат для измерения давления газов ниже атмосферного. Каждый из рассмотренных ниже типов вакуумметров рассчитан на измерение в определенной области давлений (рис. 1).

Рис. 1. Диапазон измерения давлений различных вакуумметрами.

Области применения в химии и химические технологии: жидкостные - обычно в лабораторной практике и для поверки вакуумметров других типов; деформационные, вязкостные, тепловые, ионизационные - в системах управления вакуумированием непосредственно в производственных условиях; ионизационные (в том числе радиоизотопные) - для регулирования давления в криогенных системах, контроля качества готовой продукции, в производстве особо чистых веществ и т.д.

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

где -ускорение свободного падения. Обычно р_и р_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 вакуумметры могут быть с открытым (как на рис. 2) или закрытым коленом. В последнем случае р_оп 0 и, следовательно, измеряется абсолютным давление газа. Достоинства жидкостных вакуумметров: 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 вакуумметры Измеряемое давление воздействует на упругий элемент (мембрану, сильфон, спиральную трубку), деформация которого пропорциональна давлению и определяется оптическим или электрическим методом, либо непосредственно превращается с помощью механической передачи в показания стрелки прибора. Упругий элемент может также принудительно возвращаться в исходное положение посредством электрических или пневматических 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 вакуумметры (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 вакуумметров: простота и надежность конструкции, недостаток: небольшой диапазон измерений. Погрешность до 0,4%.

Компрессионные вакуумметры (вакуумметры Мак-Леода). Прибор состоит из баллона объемом V, двух капилляров одинакового диаметра d, один из которых запаян, и трубки, соединяющей вакуумметры с системой, где измеряется давление (рис. 4). Снизу вводится жидкость (обычно ртуть), которая отсекает в объеме Vгаз при измеряемом давлении р_и и затем сжимает его до давления p_l р_ив 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 вакуумметры используют как образцовые при градуировке вакуумметры других типов.

Рис. 4. Вакуумметр Мак-Леода.

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

Тепловые вакуумметры Герметичные баллоны, внутри которых расположен нагреваемый электрическим током элемент. При изменении давления газа в баллоне изменяется теплоотвод от нагревательного элемента, что приводит к изменению его температуры. Нагревательным элементом может служить тонкая металлическая проволока, температуру которой измеряют с помощью термопары или по электрическому сопротивлению, полупроводниковый термистор с большим температурным коэффициентом сопротивления, а также длинная металлическая нить или биметаллическая пластина, температуру которых находят по изменению линейных размеров либо по углу изгиба. Тепловые вакуумметры позволяют определять низкие абсолютного давления. Их недостатки: зависимость показаний от состава газа и температуры окружающей среды, большая инерционность. Погрешность 10-40%.

Ионизационные вакуумметры Действие основано на ионизации молекул газа и измерении ионного тока, который является функцией давления. В электронных вакуумметры ионизация осуществляется потоком электронов, испускаемых накаленным катодом. Такой вакуумметры снабжен еще двумя электродами - анодом и коллектором (рис. 5). Анод - сетка, создающая электрическое поле, которое ускоряет электроны. Коллектор имеет отрицательный потенциал относительно катода и собирает образующиеся в газе положительные 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 вакуумметры, где фоновый ток коллектора значительно снижен. С помощью так называемой лампы Байярда-Альперта (рис. 6) можно определять давление до 10^-8 Па. В этом вакуумметры катод расположен вне анодной сетки, а коллектор (тонкая проволока) - внутри нее. Модулируя ионный ток в лампе посредством дополнительного 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.

Вакуумметры 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. Нижний предел измерений - 10^-11 Па.

В ионизационных радиоизотопных вакуумметры для ионизации газа используют главным образом излучение. Особенность таких вакуумметры в отличие от электронных - отсутствие электрода, ускоряющего частицы, энергия которых при радиоактивном распаде очень велика. Достоинство: строго линейная зависимость тока ионизации от давления, недостаток: не очень высокая чувствительность.

Погрешность нерадиоизотопных ионизационных вакуумметры 30-50%, радиоизотопных до 20%.

Магнитные электроразрядные вакуумметры Их действие основано на зависимости от давления газа тока самостоятельного разряда, который возникает в разреженном газе в скрещенных магнитном (напряженностью Н) и электрических полях. Этими вакуумметры 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 магнитное поле. В результате действия электрических и магнитных сил образующиеся свободные 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 магнитным 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 вакуумметры в отличие от ионизационных магнитных не имеют накаливаемого катода (это удобно для измерения разрежения, например, в криогенных системах) и обладают большей чувствительностью. Недостатки: медленное возникновение самостоятельного газового разряда при низких давлениях, необходимость очистки электродов при работе прибора в вакуумных установках, которые содержат пары масел. Ионизационные и магнитные электроразрядные вакуумметры часто подключают к одной вакуумной системе, что позволяет последовательно включать в работу тот или иной прибор и управлять вакуумированием. Погрешность магнитных электроразрядных вакуумметры - 60% и более.

Лит.: Ничипорович Г. А., Вакуумметры, М., 1977; Ерюхин А. В., Основы вакуумных измерений, М., 1977. © А. Н. Волдорин.