ВАКУУММЕТРЫ

ВАКУУММЕТРЫ (от вакуум и греч. metreo - измеряю), служат для измерения давления газов ниже атмосферного (см. Вакуум). Каждый из рассмотренных ниже типов вакуумметров рассчитан на измерение в определенной области давлений (рис. 1).
Диапазон измерения давлений различными вакуумметрами

Рис. 1. Диапазон измерения давлений различными вакуумметрами.

Области применения в химии и хим. технологии: жидкостные - обычно в лаб. практике и для поверки вакуумметров др. типов; деформационные, вязкостные, тепловые, ионизационные - в системах управления вакуумированием непосредственно в производств. условиях; ионизационные (в т.ч. радиоизотопные) - для регулирования давления в криогенных системах, контроля кач-ва готовой продукции, в произ-ве особо чистых в-в и т.д.

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

1067-2.jpg

где1067-3.jpg-ускорение своб. падения. Обычно ри1067-4.jpgроп. Применяемые жидкости (ртуть или вакуумные масла) имеют при рабочей т-ре 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 роп1067-6.jpg0 и, следовательно, измеряется абс. 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.
Жидкостный вакуумметр с открытым коленом

Рис. 1 Жидкостный вакуумметр с открытым коленом.

Деформационные вакуумметры. Измеряемое давление воздействует на упругий элемент (мембрану, сильфон, спиральную трубку), деформация к-рого пропорциональна давлению и определяется оптич. или электрич. методом, либо непосредственно превращ. с помощью мех. передачи в показания стрелки прибора. Упругий элемент может также принудительно возвращаться в исходное положение посредством электрич. или пневматич. 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 вакуумметрах (рис. 3)
Мембранный вакуумметр

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 (вакуумметр Мак-Леода). Прибор состоит из баллона объемом V, двух капилляров одинакового диаметра d, один из к-рых запаян, и трубки, соединяющей вакуумметр с системой, где измеряется давление (рис. 4). Снизу вводится жидкость (обычно ртуть), к-рая отсекает в объеме V газ при измеряемом давлении ри и затем сжимает его до давления pl1067-8.jpgри в малом объеме запаянного капилляра1067-9.jpg , 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 ри = p1V1/V, т.е. давление можно найти, если известны d и V. Благодаря небольшой погрешности (1-2%) компрессионные вакуумметры используют как образцовые при градуировке вакуумметров других типов.
Вакуумметр Мак-Леода

Рис. 4. Вакуумметр Мак-Леода.

Вязкостные вакуумметры. Действие основано на зависимости вязкости разреженного газа от давления. В демпферном вакуумметре мера давления - время затухания колебаний в газе кварцевых нитей, закрепленных с одного или двух концов. В вакуумметре с вращающимися элементами (диски, коаксиальные цилиндры) момент силы от быстро движущегося элемента передается через газ к др. 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 к-рых расположен нагреваемый электрич. током элемент. При изменении давления газа в баллоне изменяется теплоотвод от нагреват. элемента, что приводит к изменению его т-ры. Нагреват. элементом может служить тонкая металлич. проволока, т-ру к-рой измеряют с помощью термопары или по электрич. сопротивлению, полупроводниковый термистор с большим температурным коэф. сопротивления, а также длинная металлич. нить или биметаллич. пластина, т-ру к-рых находят по изменению линейных размеров либо по углу изгиба. Тепловые вакуумметры позволяют определять низкие абс. давления. Их недостатки: зависимость показаний от состава газа и т-ры окружающей среды, большая инерционность. Погрешность 10-40%.

Ионизационные вакуумметры. Действие основано на ионизации молекул газа и измерении ионного тока, к-рый является ф-цией давления. В электронных вакуумметрах ионизация осуществляется потоком электронов, испускаемых накаленным катодом. Такой вакуумметр снабжен еще двумя электродами - анодом и коллектором (рис. 5). Анод - сетка, создающая электрич. поле, к-рое ускоряет электроны. Коллектор имеет отрицат. потенциал относительно катода и собирает образующиеся в газе положит. 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, к-рый не зависит от давления.

Для измерения сверхвысокого вакуума применяют вакуумметры, где фоновый ток коллектора значительно снижен. С помощью т. наз. лампы Байярда-Альперта (рис. 6) можно определять давление до 10-8 Па. В этом вакуумметре катод расположен вне анодной сетки, а коллектор (тонкая проволока) -внутри нее. Модулируя ионный ток в лампе посредством дополнит. электрода (тонкий стержень между анодом и коллектором), диапазон измерений удается расширить до 10-9 Па.
Ионизационный вакуумметр, Лампа Байярда-Альперт, Вакуумметр Лафферти

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.

Вакуумметр 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. Ниж. предел измерений - 10-11 Па.

В ионизационных радиоизотопных вакуумметрах для ионизации газа используют гл. обр.1067-12.jpgизлучение. Особенность таких вакуумметров в отличие от электронных - отсутствие электрода, ускоряющего1067-13.jpgчастицы, энергия к-рых при радиоактивном распаде очень велика. Достоинство: строго линейная зависимость тока ионизации от давления, недостаток: не очень высокая чувствительность.

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

Магнитные электроразрядные вакуумметры. Их действие основано на зависимости от давления газа тока самостоят. разряда, к-рый возникает в разреженном газе в скрещенных магнитном (напряженностью Н) и электрич. полях. Этими вакуумметрами можно измерять сверхвысокий вакуум (до 10-12 Па). Электродная система прибора состоит из катода и анода (рис. 8).
Магнитные электроразрядные преобразователи

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 магн. поле. В результате действия электрич. и магн. сил образующиеся своб. 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 к-рых слабо искривляются магн. 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, напр., в криогенных системах) и обладают большей чувствительностью. Недостатки: медленное возникновение самостоят. газового разряда при низких давлениях, необходимость очистки электродов при работе прибора в вакуумных установках, к-рые содержат пары масел. Ионизационные и магн. электроразрядные вакуумметры часто подключают к одной вакуумной системе, что позволяет последовательно включать в работу тот или иной прибор и управлять вакуумированием. Погрешность магн. электроразрядных вакуумметров-60% и более.


===
Исп. литература для статьи «ВАКУУММЕТРЫ»: Ничипорович Г. А., Вакуумметры, М., 1977; Ерюхин А. В., Основы вакуумных измерений, М., 1977. А. Н. Волдорин.

Страница «ВАКУУММЕТРЫ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

ПраймКемикалсГрупп