Вакуумметр

Вакуумме'тр (от вакуум и ...метр ), вакуумный манометр, прибор для измерения давления разреженных газов. Принцип действия, описание устройства и назначения различных В. см. в ст. Вакуумметрия .

Вакуумметрия

Вакуумме'трия (от вакуум и ...метрия ), совокупность методов измерения давления разреженных газов. Универсального метода измерений вакуума не существует. При измерении давления основываются на различных физических закономерностях, прямо или косвенно связанных с давлением или плотностью газа. Единица давления в Международной системе единиц (СИ) — ньютон на квадратный метр (н /м ² ). В вакуумной технике применяется также внесистемная единица мм рт. ст. 1 мм рт. cт. = 133,322 н /м ² . Измеряют вакуум вакуумметрами, каждый из которых имеет свой диапазон измерения давлений (рис. 1 ). По устройству вакуумметры разделяются на жидкостные, механические (деформационные, мембранные и др.), компрессионные (например, вакуумметр Мак-Леода), тепловые (термопарный и теплоэлектрический), ионизационные, магнитные, электроразрядные, вязкостные, радиометрические. Этими вакуумметрами измеряют полное давление.

  При оценке вакуума, помимо полного давления, часто необходимо измерять парциальные давления компонентов газа. Для этого пользуются некоторыми типами масс-спектрометров и специальными измерителями. В отличие от аналитических масс-спектрометров, измерители парциальных давлений не имеют собственной вакуумной системы и устанавливаются непосредственно на откачиваемых объёмах. Диапазон измерений парциальных давлений 10³ —10^-10 н /м ² (10— 10^-12 мм рт. ст. ).

  В жидкостном (гидростатическом) вакуумметре (рис. 2 ) газ давит на жидкость, находящуюся в U-oбразной трубке. В одном из колен находится газ при измеряемом давлении р _в , а в другом — при известном (опорном) давлении р _к . Если плотность жидкости r, то разность давления в коленах уравновесится столбом жидкости высотой h :

  р _в — p _k = g rh ,

  где g — ускорение свободного падения; обычно p _k « р _в . Применяемые жидкости (ртуть или вакуумные масла ) имеют малое парциальное давление пара при рабочей температуре и химически нейтральны по отношению к газам и материалу трубки. Жидкостные вакуумметры бывают с закрытым и открытым коленом, колокольные и др. Недостатки жидкостных вакуумметров: проникновение паров жидкости в вакуумную систему, небольшой диапазон измерения давлений с нижним пределом до 10^-1 н /м ² (10^-3 мм рт. ст .).

  В механическом вакуумметре газ давит на чувствительный элемент (спиральную трубку, сильфон, мембрану). Например, в мембранном вакуумметре (рис. 3 ) мембрана герметически отделяет вакуумную систему от объёма, в котором поддерживается постоянное опорное давление, обычно в 100—1000 раз меньше измеряемого. Деформация мембраны передаётся стрелке, передвигающейся по шкале. При измерении малых давлений для повышения чувствительности мембрану соединяют с электрическим датчиком. Механический вакуумметр обычно позволяет измерять давления до 10² н /м ² (1 мм рт. ст. ).

  Компрессионным вакуумметром (рис. 4 ) можно измерять более низкие давления 10^-3 н /м ² (10^-5 мм рт. ст. ). Действие такого вакуумметра основано на Бойля — Мариотта законе . Основные части прибора: баллон объёмом V, два капилляра одинакового диаметра d , один из которых запаян, и трубка, соединяющая прибор с системой, в которой измеряется давление; снизу вводится жидкость (в большинстве случаев ртуть), которая отсекает в объёме V газ при измеряемом давлении р и затем сжимает его до давления p ₁ ³ р в малом объёме запаянного капилляра

 

  где h — высота части капилляра, не заполненная жидкостью. Давление p ₁ определяется по разности уровней столбиков жидкости в запаянном и открытом капиллярах. По закону Бойля — Мариотта p = p ₁ V ₁ /V , таким образом измеряемое давление можно определить, если известны d и V .

  Показания жидкостных, механических и компрессионных вакуумметров не зависят от природы газа.

  Для измерения вакуума до 10^-2 н /м ² (10^-4 мм рт. ст. ) можно применять также и тепловой вакуумметр, принцип действия которого основан на зависимости теплопроводности разреженных газов от давления. Датчиком прибора служит герметичный баллон с проволокой, нагреваемой электрическим током. При изменении давления в системе изменяется отвод тепла от нити датчика и, следовательно, её температура (при постоянной мощности). Различают термопарные вакуумметры, температура нити которых измеряется присоединённой к ней термопарой, и теплоэлектрические вакуумметры сопротивления, температуру нити которых определяют по её электрическому сопротивлению.

  В ионизационном вакуумметре газ ионизуется каким-либо источником постоянного ионизующего излучения. Интенсивность ионизации газа зависит от давления. В электронных ионизационных вакуумметрах ионизация производится потоком электронов. Обычно такой вакуумметр имеет три электрода (рис. 5 ): катод К , анод А , создающие электрическое поле, которое ускоряет электроны и сообщает им энергию, необходимую для ионизации; отрицательный коллектор Кол , собирающий образующиеся в газе положит, ионы. Сила ионного тока в цепи коллектора служит мерой давления газа. Ионизационными вакуумметрами можно измерять вакуум в широких пределах (см. рис. 1 ). Сверхвысоковакуумным ионизационным вакуумметром, так называемой лампой Байярда-Альперта (рис. 6 ), можно измерять давления в широких пределах. Этот вакуумметр имеет катод, находящийся снаружи, и коллектор, которым служит тонкая проволока, помещенная внутри анодной сетки. Таким вакуумметром можно измерять давления до 10^-8 н /м ² (10^-10 мм рт. ст. ). Ионизационный вакуумметр Лафферги (рис. 7 ) работает в магнитном поле. Это позволяет удлинить пути электронов в рабочем пространстве и обеспечить высокую эффективность ионизации при очень малом электронном токе. Нижний предел измерений такого вакуумметра — 10^-11 н /м ² (10^-13 мм рт. ст. ). Для измерения давлений до 10^-5 н /м ² (10^-7 мм рт. ст. ) применяют ионизационный радиоизотопный вакуумметр (альфатрон ), в котором ионизация газа осуществляется a-частицами.

  В магнитном электроразрядном вакуумметре использована зависимость тока электрического разряда в магнитном поле от концентрации газа, а следовательно, и от его давления. Этими вакуумметрами также можно измерять сверхвысокий вакуум до 10^-12 н /м ² (10^-14 мм рт. cm. ). Вакуумметр (рис. 8 ) состоит из преобразователя, имеющего 2 плоскопараллельные катодные пластины К и помещенный между ними кольцевой анод А , плоскость которого параллельна пластинам. Трубка расположена в магнитном поле постоянного магнита с напряжённостью Н = 32 ка /м (400 э ); направление поля перпендикулярно пластинам. Между электродами приложено напряжение U = 2—3 кв через сопротивление R = 1 Мом . Сила разрядного тока служит мерой давления и измеряется гальванометром Г. Совместное действие электрического и магнитного полей многократно удлиняет траектории электронов и увеличивает вероятность ионизации газа. Это приводит к возникновению и существованию самостоятельного разряда при очень низких давлениях. Первыми электроразрядными вакуумметрами измеряли давления до 10^-2 н /м ² (10^-4 мм pт . ст .), а современными электроразрядными вакуумметрами (в том числе выпускаемыми в СССР) — до 10^-12 н /м ² (10^-14 мм рт . ст .).