Устройство и эксплуатация вакуумных приборов часть 4
Раздел 4. ИЗМЕРЕНИЕ НИЗКИХ ДАВЛЕНИЙ. Вакуумметры. Типы, область применения.
Приборы для измерения давлений ниже атмосферного называются вакуумметрами. Вакуумная техника охватывает весьма широкий диапазон давлений, при которых эксплуатируются оборудование и приборы, - от атмосферного до 10-12 Па. Измерение давлений каким-либо одним вакуумметром в таком огромном диапазоне невозможно. Поэтому разработано и эксплуатируется большое количество вакуумметров, различающихся по принципу действия: жидкостные, компрессионные, деформационные, тепловые (термопарные и сопротивления), ионизационные (электронные и магнитные электроразрядные).
Жидкостные U-образные вакуумметры. Диапазон давлений, измеряемых U-образными вакуумметрами, лежит в пределах 10 ... 104 Па. Конструктивно вакуумметр выполнен в виде изогнутой стеклянной трубки U-образной формы. В трубку заливают рабочую жидкость (ртуть или вакуумное масло) так, чтобы уровень в обоих коленах доходил до начального уровня измерительной части, нанесенной на корпус вакуумметра. Через открытый кран, смонтированный на входе, откачиваются оба колена вакуумметра, после чего они изолируются одно от другого. При изменении давления в системе уровни жидкости смещаются. Разность уровней жидкости в коленах характеризует измеряемое давление:
Жидкостные, компрессионные и деформационные вакуумметры относятся к приборам прямого действия. Их показания не зависят от рода газа, т.е. они измеряют непосредственно давление газа, поэтому их часто называют абсолютными. Остальные типы вакуумметров относительные, так как в их работе используется зависимость параметров физических процессов от давления в вакуумной системе. Неабсолютные вакуумметры обычно состоят из вакуумметрического преобразователя и измерительного блока. Они подвергаются периодической градуировке по компрессионному вакуумметру или на специальной градуировочной установке.
p=A-B=∆Hg
где А и В - отсчеты в коленах трубок; ∆Нg - разность уровней.
При заполнении трубки ртутью результат измерения давления выражается в мм рт.ст. При заполнении трубок маслом для выражения давления в мм рт.ст. разность уровней необходимо умножить на отношение удельного веса масла (0,8 г/см3) к удельному весу ртути (13,6 г/см3), т.е.
p=∆M (pM/pнg)
Рис. 4.2. Деформационный вакуумметр
Деформационные вакуумметры
Принцип действия деформационных (механических) вакуумметров (рис. 4.2) основан на деформации гибких элементов под действием разности давлений. В качестве деформационных элементов используются изогнутая полая и закрытая с одного конца пружина (трубка Бурдона), мембраны, сильфоны и т.п. Вакуумметр через трубку 4 подсоединяется к вакуумной системе. Наружная поверхность трубки Бурдона 2 всегда подвергается действию атмосферного давления. Если внутри трубки также атмосферное давление, то стрелка манометра 1, прикрепленная через механизм поворота 3 к трубке, стоит на нуле шкалы. При понижении давления в вакуумной системе с подсоединенным вакуумметром под действием разности давлений, действующих на наружную и внутреннюю поверхности, трубка сжимается и подвижной конец пружины перемещается, заставляя перемещаться стрелку. Показание шкалы n, против которого остановилась стрелка, определяет разность давлений атмосферного ра и внутри трубки р. Следовательно, давление в вакуумной системе.
Аналогично работают вакуумметры с другими деформационными элементами с разницей лишь в механическом устройстве перемещения стрелки.
Деформационные вакуумметры менее точны по сравнению с жидкостными, но они находят большее применение в производстве благодаря своей прочности, малым габаритным размерам и удобству в эксплуатации. Выпускаются такие вакуумметры как для измерения вакуума, так и для измерения избыточных давлений.
Компрессионный вакуумметр
Принцип работы компрессионного вакуумметра основан на применении закона Бойля-Мариотта. Вакуумметр относится к числу абсолютных, но из-за неудобства в эксплуатации его применение ограничено чтением лабораторных задач, в частности градуировкой относительных вакуумметров.
Вакуумметр (рис. 4.3) состоит из стеклянного баллона 3 с измерительным капилляром 2, верхний конец которого запаян. К нижней части баллона припаяна трубка, через которую вакуумметр подсоединяется к вакуумной системе. Трубка имеет ответвление - сравнительный капилляр 1, внутренний диаметр которого одинаков с измерительным.
К нижнему концу трубки присоединяется приспособление 4, содержащее ртуть и обеспечивающее ее поднятие в процессе измерения давления.
При измерении давления осуществляется подъем ртути в измерительном капилляре до определенного уровня. Зная объем измерительной полости (градуируется при изготовлении манометра) и, измеряя объем сжатого газа, по закону Бойля-Мариотта определяется давление в вакуумной системе:
pV1=(h1-h2)V2 или p= V2/ V1(h1-h2)
При градуировке выбирают метку 1 на измерительном капилляре, до которой поднимают ртуть, и определяют постоянную вакуумметра
с=V2/ V1=(d4/4)l/V1 тогда р = с (h1-h2).
Тепловые вакуумметры
Тепловые вакуумметры состоят из измерительного блока и преобразователя.
Принцип действия тепловых преобразователей основан на зависимости теплопередачи через разреженный газ от давления. Передача теплоты происходит от тонкой металлической нити к баллону, в котором расположена электродная система преобразователя. Металлическая нить нагревается в вакууме путем пропускания тока.
К тепловым относятся термопарный преобразователь и преобразователь сопротивления. Схемы их включения показаны на рис. 4.4.
Термопарный преобразователь представляет собой стеклянный или металлический баллон, в котором на вводах смонтированы подогреватель и приваренная к нему термопара. Подогреватель нагревается током, регулируемым переменным сопротивлением и измеряемым миллиамперметром.
Температура нагреваемой нити измеряется термопарой 3. При неизменном токе накала нити вследствие изменения давления в баллоне 1 преобразователя, присоединенном к вакуумной системе, изменяется температура нити и, соответственно, термо-ЭДС, по величине которой определяют давление.
Преобразователь сопротивления выполнен в виде стальной трубки, внутри которой натянута нить накала. Пропускаемый через нить ток регулируется переменным сопротивлением и измеряется миллиамперметром.
|
|
|
|
Рис. 4.4. Электрические схемы питания |
|
В преобразователе сопротивления используется зависимость сопротивления нити от температуры, а, следовательно, от давления. Ток накала нити измеряется миллиамперметром, включенным последовательно с ней в мостовую схему измерения. При неизменном токе накала нити вследствие изменения давления в баллоне преобразователя изменяется ее температура и, соответственно, сопротивление, вызывающее разбаланс моста, по величине которого определяют давление.
Тепловые преобразователи градуируют по компрессионному вакуумметру или на специальной градуировочной установке по сухому воздуху или азоту. Тепловые преобразователи могут работать в режиме как постоянного тока, так и постоянной температуры нити.
Показания тепловых преобразователей зависят от рода газа. Для регистрации давлений чистых газов, отличных от воздуха, можно пользоваться типовой градуировочной кривой (приводится в паспорте преобразователя) для сухого воздуха, умножая полученные по этой кривой величины давления на соответствующие коэффициенты, приведенные в табл. 4.1.
Таблица 4.1. Значения пересчетного коэффициента для некоторых чистых газов
|
Газ |
Коэффициент |
|
Азот (воздух) |
1,0 |
|
Аргон |
1,56 |
|
Ацетилен |
0,6 |
|
Водород |
0,67 |
|
Гелий |
1,12 |
|
Криптон |
2,3 |
|
Метан |
0,61 |
|
Неон |
1,31 |
|
СО |
0,97 |
|
Сернистый газ |
0,77 |
|
Углекислый газ |
0,94 |
|
Этилен |
0,79 |
Тепловой преобразователь электрическим кабелем соединяется с измерительным блоком, образуя тепловой вакуумметр.
Тепловые вакуумметры - самые распространенные приборы для измерения давления, они просты в эксплуатации и весьма надежны.
Преимуществом тепловых вакуумметров является возможность непрерывного измерения давления.
Инерционность показаний, связанная с тепловой инерцией нити, изменяется от нескольких секунд при низких давлениях до нескольких миллисекунд при высоких давлениях.
Технические характеристики современных тепловых вакуумметров приведены в табл. 4.2.
Таблица 4.2. Основные технические характеристики тепловых вакуумметров
|
Тип вакуумметра |
Тип преобразователя |
Диапазон измерений, Па |
Относительная погрешность, % |
|
ВТБ-1 |
ПМТ-6-3 |
0,7… 4 • 103 |
-40, +60 |
|
13ВТЗ-003 (ВТБ-2) |
1,3... 4 • 103
|
-50, +70 |
|
|
РВТ-2М |
-40, +60 |
||
|
РВТ-3 |
|||
|
ВТ1-4 |
|||
|
УКВ-3/7-001 |
-50, +100 |
||
|
УКВ-3/6-002 |
|||
|
УКВ-3/7-003 |
|||
|
ВТБ-2/3-002 |
ПДТ-18 |
6 • 10-2...4 • 103 |
-50, +80 |
|
ВТ-2 |
ПМТ-2 |
1... 10 |
±30 |
|
ПМТ-4М |
10-1...20 |
||
|
ВТ-3 |
ПМТ-2 |
0,1... 7 • 102
|
±30 |
|
ПМТ-4М |
±50 |
||
|
ВИТ-3 |
ПМТ-2 |
0,1... 7 • 102
|
±30 |
|
ПМТ-4М |
±50 |
||
|
ВТ-6 |
ПМТ-2 |
0,1... 7 • 102
|
±30 |
|
ПМТ-4М |
0,1... 10 |
±60 |
|
|
ВТЦ-1 |
ПДТ-8 |
10-2... 102 |
±(15 ...20) |
|
ПДТ-9 |
10-3... 10 |
±(15 ...25) |
Ионизационные вакуумметры
Ионизационные вакуумметры относятся к неабсолютным вакуумметрам. Они состоят из измерительного блока и преобразователя, соединенных электрическим кабелем.
Принцип действия ионизационных преобразователей основан на пропорциональности между давлением в баллоне преобразователя и ионным током, образованным ионизацией остаточных газов. Ионизационные преобразователи подразделяются на электронные, в которых ионизация газа осуществляется термоэлектронами; магниторазрядные, где измеряемое давление пропорционально разрядному току в магнитном поле; радиоизотопные, в которых ионизация газа обеспечивается излучением радиоизотопных источников.
Ионизационные преобразователи применяются для измерения давления в интервале 10-8... 10-10 Па.
Электронные ионизационные преобразователи. Конструктивно преобразователи и схема их включения напоминают обычный триод (рис. 4.6). Накаленный катод К эмитирует электроны, которые ускоряются электрическим полем положительно заряженной сетки С. Поскольку витки сетки относительно редки, большинство электронов пролетает ее и отталкивается отрицательно заряженным коллектором К1. Совершая колебательные движения около сетки, электроны сталкиваются с молекулами остаточных газов и ионизируют их. Положительно заряженные ионы собираются отрицательно заряженным коллектором, выполненным в виде цилиндра.
Рис. 4.6. Схема электронного ионизационного преобразователя
Величина ионного тока Iи определяется уравнением ионизационного преобразователя:
Iи = Ки.Iе.р
где Iе - электронный ток; Ки - чувствительность ионизационного преобразователя; р - давление газа.
Отсюда следует, что пропорциональность ионного тока измеряемому давлению обеспечивается при поддержании постоянного значения электронного тока.
Пределы измеряемых давлений такого преобразователя 10-5 ... 1 Па. Верхний предел ограничен нарушением линейности градуировочной характеристики, когда средняя длина свободного пути электрона становится меньше пути электрона между электродами. Расширение верхнего предела измерений возможно при уменьшении расстояний между электродами.
Существуют приборы, верхний предел измерения которых доведен до 10 Па. Во избежание перегорания прямонакального вольфрамового катода в таких приборах используются катоды из окислов редкоземельных металлов.
Нижний предел измерения ограничен фоновыми токами (рентгеновское излучение сетки, ультрафиолетовое излучение с катода, автоэлектронная эмиссия с катода). Для уменьшения фоновых токов предложен преобразователь с осевым коллектором, в котором катод, выполненный в виде петли, расположен вне сеточного анода. Это расширило нижний предел измерения давления до 10-8 Па.
На рис. 4.7 показана конструкция электронного ионизационного преобразователя с охватывающим и осевым коллекторами.
Электродная система ионизационных преобразователей монтируется либо в стеклянной колбе с патрубком, либо на утренней поверхности фланца. Установка стеклянных преобразователей на вакуумную систему осуществляется грибковым или фланцевым соединением.
Ионизационные преобразователи соединяются с регистрируемым блоком электрическим кабелем, образуя вакуумметр. Технические характеристики современных вакуумметров с ионизационным преобразователем приведены в табл. 4.3.
Таблица 4.3 Основные технические характеристики некоторых электронных ионизационных вакуумметров
|
Тип вакуумметра |
Тип преобразователя |
Диапазон измерений, Па |
Относительная погрешность, % |
|
ВИТ-2А (ионизационная часть) |
ПМИ-2 |
10-5... 10-1 |
±30 |
|
ВИТ-2АП (ионизационная часть) |
ЛМ-3-2 |
||
|
ВИТ-3 |
ПМИ-2 |
±60 |
|
|
ЛМ-3-2 |
10-5... 1 |
||
|
ПМИ-10 |
10-5... 100 |
||
|
ВИ-14 |
ИМ-12, МИ-12-8, ПМИ-27 |
7·10-8... 10-3 |
±55 |
|
ВИЦ-9/0-001 |
ПМИ-55 |
7·10-9... 1 |
±25 (10-7... 1Па); |
|
ВИЦ-2/7-002 |
ПМИ-51 |
7· 10-9 ... 10 |
±40(7·10-5... 10-4Па); |
Магниторазрядные манометрические преобразователи
Принцип действия магниторазрядных преобразователей основан на зависимости тока самостоятельного газового разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях от давления газа в вакуумной системе. Электродные системы этих преобразователей бывают нескольких видов:
- ячейка Пенинга (рис. 4.7, а) состоит из двух дисковых катодов 1 и цилиндрического анода 2;
- магнетронный преобразователь (рис. 4.7, б) также имеет цилиндрический анод 2, а катодные диски 1 в нем соединены между собой центральным стержнем;
- в инверсно-магнетронном преобразователе центральный стержень выполняет роль анода, а наружный цилиндр - катода.
|
|
|
|
Рис. 4.7. Электронные ионизационные преобразователи с охватывающим (а) и осевым коллекторами (б) |
|
|
|
|
Все электроды находятся в постоянном магнитном поле. Положительное напряжение 2 ... 6 кВ подается на анод, катод заземлен и соединяется с входом усилителя постоянного тока.
Эмитируемые в результате автоэлектронной эмиссии электроны при соударениях с молекулами остаточных газов ионизируют их с потерей энергии и перемещаются к аноду. Образовавшиеся положительные ионы движутся к катоду и при соударении с ним выбивают вторичные электроны, ток которых пропорционален ионному току. Пренебрегая фоновым током автоэлектронной эмиссии, можно считать, что разрядный ток магниторазрядного преобразователя
I=Iи+Iвт+a.p.n
где а = 10-2 ... 10-1, А/Па; n = 1 ... 1,4 - постоянные.
Верхний предел измерения ограничивается необходимостью снижения максимального разрядного тока во избежание возникновения дугового разряда и фоновым током. Для облегчения зажигания разряда в сверхвысоком вакууме на экранных пластинах устанавливают иголки, способствующие автоэлектронной эмиссии, или используют нагревательные элементы, включение которых повышает давление.
Магниторазрядные преобразователи, как и электронные ионизационные, имеют неодинаковую чувствительность к различным газам. Поэтому при измерениях давления чистых газов, отличных от воздуха, необходимо учитывать коэффициенты относительной чувствительности, пользуясь выражением
pr=pв/qr
где рr - показания вакуумметра при измерении давления воздуха; рВ - давление чистого газа; qr - коэффициент относительной чувствительности преобразователей к данному газу.
Относительная чувствительность ионизационных преобразователей приведена в табл. 4.4.
Относительная чувствительность ионизационных преобразователей к одноатомным газам
|
Газ |
Тип преобразователя |
|
|
ионизационный |
магнитный |
|
|
Азот |
1 |
1 |
|
Водород |
0,43 |
0,43 |
|
Гелий |
0,16 |
0,15 |
|
Аргон |
1,3 |
1,4 |
|
С02 |
1,6 |
1,3 |
|
Кислород |
0,85 |
0,86 |
|
Ксенон |
2,8 |
3,5 |
|
Неон |
0,27 |
0,26 |
|
СО |
1,04 |
- |
Преимуществом магниторазрядных преобразователей перед другими ионизационными преобразователями является более высокая надежность в работе в связи с заменой накаленного катода холодным, недостатком - нестабильности, связанные с колебаниями работы выхода электронов при загрязнении катодов.
Отечественная промышленность выпускает различные магниторазрядные вакуумметры, их технические характеристики приведены в таблице.
Основные технические характеристики некоторых магниторазрядных ионизационных вакуумметров
|
Тип вакуумметра |
Тип преобразователя |
Диапазон измерений, Па |
Относительная погрешность, Па |
|
ВМБ-8 |
ПММ-32 |
1•10-7... 1•10-1 |
-40 ...+80 |
|
ВМБ-11 |
ПММ-46 |
||
|
ВМЦБ-12 |
ПММ-32-1 |
1•10-8... 10-1 |
-50; +100 |
|
ВМБ-14 |
10-7... 1 |
-40; +80 |
|
|
ВМБ-12 |
ПММ-44 |
10-4... 1 |
-50; +80 |
|
ВМБ-16 |
ПММ-46 |
10-8 ... 10-1 |
-40; +80 |
|
ВМБ-10 |
ПММ-38 |
10-4...1 |
±60 |
Конструктивно измерительные блоки тепловых, ионизационных и магниторазрядных вакуумметров выполняют или в виде переносных настольных приборов, или в панельном оформлении, хорошо вписывающемся во внешний вид измерительных стоек промышленных установок. Блоки обеспечивают подачу необходимых напряжений на электроды преобразователей и измерение выходных параметров. Они содержат схемы питания, схемы стабилизации напряжений, усилитель постоянного тока и другие вспомогательные схемы и узлы. Многие вакуумметры имеют блокировки, обеспечивающие при повышении давления в вакуумной установке выше заданного отключение собственных накальных элементов, а также отключение от сетевого напряжения приборов, могущих при этом выйти из строя.