Измерение низких давлений

Приборы, предназначенные для измерения абсолютного или избыточного (выше атмосферного) давления, называются манометрами, а приборы, измеряющие разность между атмосферным и остаточным давлением, называют вакуумметрами. Однако за последнее время наметилась тенденция называть вакуумметрами приборы как для измерения степени разрежения, так и для измерения абсолютного давления ниже атмосферного. Здесь термин вакуумметр будет относиться к .приборам, предназначенным для измерения абсолютного давления ниже атмосферного.

По принципу действия вакуумметры делятся на абсолютные и относительные. Чувствительные элементы первых непосредственно реагируют на изменения давления газа, а у вторых используются изменения каких-либо физических свойств разреженного газа при изменении его давления.

К вакуумметрам абсолютным относятся приборы, в которых используется механическое воздействие давления (деформационные и гидростатические вакуумметры); кроме того, приборы, основанные на законе Бойля—Мариотта и законах кинетической теории газов.

Вакуумметры относительные — это главным образом приборы, использующие принцип ионизации газов (разрядная трубка, магнитный электроразрядный вакуумметр, ионизационный вакуумметр с горячим катодом, радиоактивный вакуумметр), а также приборы, основанные на зависимости вязкости газа от давления, и приборы теплоэлектрической системы, использующие изменения условий теплообмена нагретой нити с разреженным газом при изменении давления.

Деформационные вакуумметры основаны на взаимодействии сил давления газа и упругой деформации чувствительного элемента — трубчатой пружины Бурдона, мембраны или сильфона. Системой механических передач чувствительный элемент связан со стрелкой прибора. Деформационные вакуумметры просты по устройству, обладают высокой прочностью и надежностью. Диапазон измеряемых давлений от 10-4-Ю² до 10⁵ н/ж², а у некоторых специальных конструкций нижний предел измеряемого давления достигает 0,1 н/л². К недостаткам этих приборов следует отнести сравнительно низкую чувствительность и точность. Однако среднеквадратичная ошибка мембранно-емкостного вакуумметра, используемого как образцовый прибор, в дапазоне 0,1—10 н/ж² не превышает 1%.

Простейшей конструкцией прибора для измерения низких давлений является гидростатический вакуумметр в виде U-образной трубки с открытым или запаянным концом. Отсчет давлений производится по разности уровней жидкости между двумя ветвями U-образной трубки. В качестве рабочей жидкости используется ртуть, обладающая высоким удельным весом (что сокращает габариты прибора) и сравнительно низким давлением— 0,13 н/ж², при котором она начинает испаряться в условиях комнатной температуры. Для правильного отсчета абсолютного давления в системе необходимо одновременно измерять атмосферное давление при помощи барометра. Пределы измеряемых давлений обычных конструкций гидростатических вакуумметров, так же как и у деформационных от 10² до 10⁵ н/ж², но по сравнению с последними их чувствительность и точность несколько выше. Для увеличения чувствительности гидростатического вакуумметра применяется рабочая жидкость с малым удельным весом или одну из его ветвей располагают под углом ср к горизонтальной линии. Эти меры приводят к увеличению чувствительности в отношении удельных весов или в 1/sin ср соответственно. Основным недостатком гидростатических вакуумметров является вредность действия паров ртути на организм человека, а при использовании другой рабочей жидкости — большие габариты и связанные с этим неудобства в эксплуатации. Обычно жидкости с малым удельным весом используются для наполнения вакуумметров и манометров, предназначенных для измерения малых перепадов давления.

Наиболее распространенным абсолютным прибором для измерения низких давлений, по которому производится градуировка относительных приборов, является компрессионный вакуумметр Мак-Леода. Сущность измерения этим прибором заключается в том, что газ, давление которого измеряется, благодаря специальной конструкции прибора подвергается предварительному сжатию. Зафиксированная и пересчитанная затем по закону Бойля — Мариотта разность уровней сжатого газа является мерой остаточного давления. Диапазон измерения давления этих приборов от 10³ до 10-⁴ н/м². Наиболее надежные результаты измерений находятся в пределах 10—Г0-² н/м². Основным недостатком компрессионных вакуумметров, существенно ограничивающих их технические применения, является то, что конструкция этих вакуумметров не позволяет производить непрерывный отсчет давлений. Кроме того, показано, что вследствие перекачки газа струей из вакуумметра в систему между ними создается перепад давлений, который приводит к ошибке измерений, достигающий 40—60%.

Другим абсолютным прибором является молекулярный или радиометрический вакуумметр Кнудсена. Принцип действия этого прибора основан на явлении переноса молекулами газа кинетической энергии от более нагретой поверхности к менее нагретой.

Если поддержать некоторую разность температур между поверхностями, то разность кинетической энергии, действующей на них, в определенных пределах будет зависеть от плотности частиц, т. е. от давления, и не будет зависеть от природы газа. Конструктивно чувствительный элемент прибора обычно выполняется в виде рамки, подвешенной на тонкой нити таким образом, -чтобы рамка создавала крутящий момент. Тогда угол поворота рамки будет мерой давления. Действие этого прибора принципиально возможно при условии, когда длина свободного пробега молекул одного порядка и больше расстояния между пластинами. В связи с этим диапазон измеряемого давления лежит в пределах от 10 до 10“⁶ н/м². Наилучшие результаты достигаются при давлениях 10^-1—10^-5 н/м². Существенно, что при давлении ниже 1Ю“³ н/м² необходимо учитывать давление излучения. Основными преимуществами прибора являются: простота конструкции, линейность шкалы, высокая чувствительность и независимость показаний от природы газа. Недостаток этих приборов заключается в непрочности вследствие наличия подвижных хрупких деталей, а также в зависимости их градуировки от коэффициента аккомодации и краевых эффектов, не поддающихся точному учету. Указанных недостатков лишены термомолекулярные вакуумметры, принцип действия которых основан на соотношении (20) между давлением газа pi, р2 в сообщающихся сосудах при температурах Т1 и Т₂ соответственно. Однако в настоящее время еще нет удобной для практики конструкции этого прибора.

Для измерения высокого и сверхвысокого вакуума, характеризующегося давлением ниже Ю^-1 и 10^-6 н/м² соответственно, применяются ионизационные вакуумметры. Эти приборы относительные, они реагируют на изменение количества образующихся в газе ионов и требуют градуировки для каждого газа по абсолютным вакуумметрам. В зависимости от способа ионизации эти вакуумметры бывают электронные с горячим катодом, магнитные электрораз-рядные и радиоактивные.

Чувствительным элементом ионизационного электронного вакуумметра является трехэлектродная лампа. Эмиттируемые с ее катода электроны под действием анодного напряжения поступают на анод, а возникающие при этом ионы собираются сеткой, которая имеет отрицательный по отношению к катоду потенциал. Сеточный ток замеряется микроамперметром и служит мерой давления. В практических схемах, как это сделано у ионизационного вакуумметра с лампой ЛМ-2 (рис. 3,я), выпускаемой отечественной промышленностью, сетка и катод меняются ролями. Это приводит к удлинению пути электронов и повышению чувствительности прибора. Ионные токи лампы очень малы; при давлении 10^-4 н/м² ионный ток составляет всего лишь 0,1 ца, что приводит к необходимости использования усилителей постоянного тока. Величина усиленного ионного тока непосредственно градуируется в ньютонах на квадратный метр или в миллиметрах ртутного столба. Точность показаний прибора находится в пределах ±45%.

Недостатком электронных ионизационных вакуумметров является наличие в них накаленного катода, который быстро разрушается при случайном повышении давления в лампе выше 10—10- н/ж². Для устранения этого недостатка разработан стойкий к высоким давлениям ториевооксидный катод на иридиевом керне. Нижний предел измерения прибора, соответствующий давлению 10-⁵—10-⁶ н/м², ограничивается наличием фотоэлектронной эмиссии коллектора ионов, которая возникает под воздействием мягких рентгеновских лучей. Последние испускаются ускоряющим электродом вследствие бомбардировки электронами, эмит-тируемых катодом, и создают ток, не различимый от ионного тока. Конструкция вакуумметра Байярда— льперта, представляющая собой обычный вариант ионизационного вакуумметра, но с обращенными электродами, значительно уменьшает рентгеновское излучение и позволяет измерять давление при сверхвысоком вакууме вплоть до Г0-⁸—10-⁹ н/м². В этом приборе коллектор ионов выполнен в виде тонкой проволоки и помещен по оси спиральной сетки, являющейся анодом, а катод располагается с внешней стороны сетки.

В магнитном электроразрядном вакуумметре ионизация газа происходит непосредственно за счет приложенного к холодным электродам (рис. 3,6) напряжения величиной порядка 1 000—2 000 в. Ток разряда, зависящий от давления, измеряется микроамперметром. Чувствительность этого вакуумметра в диапазоне давлений от 10- до Ю-³ н/м² оказывается в 10—15 раз больше чувствительности электронного ионизационного вакуумметра, что позволяет применять его без усилителя, производя отсчет тока разряда непосредственно по микроамперметру. Обычно этот вакуумметр используется для измерения давлений в пределах 10-⁵— 10² н/м². Для поддержания разряда и обеспечения измерений при давлениях ниже 10^-1 н/м² путь электронов между катодом и анодом увеличивается путем наложения внешнего магнитного поля. Преимуществами этого прибора являются удобства в эксплуатации и прочность. Недостатки заключаются в нелинейности шкалы (поскольку разряд является причиной и следствием ионизации), а также в невысокой его точности и стабильности. Кроме того, даже в специальных конструкциях нижний предел измерений магнитного электроразрядного вакуумметра не достигает величины ниже 10-⁷ н/м², так как при таких давлениях резко снижается чувствительность прибора. Снижение чувствительности вызывается относительным увеличением тока автоэлектронной эмиссии, возникающего под действием электрического поля, по сравнению с ионным током. Проблема повышения чувствительности и расширения пределов измерения в области сверхвысокого вакуума решена в инверсно-магнетронном вакуумметре конструкции Хобсона и Редхеда. В этом приборе (рис. 4, а) цилиндрический катод (коллектор ионов 2) экранирован вспомогательным катодом 3, имеющем два коротких полых цилиндра, которые экранируют анод 1 от потока электронов с главного катода 2. Такая конфигурация электродов позволяет измерять только ионный ток, исключив ток автоэлектронной эмиссии. Нашей отечественной промышленностью освоен выпуск инверсно-магнетронных вакуумметров (рис. 4,6) марки ВИМ-1. Диапазон измеряемых давлений этого прибора 1,ЗЗХ 10-²4-1,83 • 10-¹⁰ н/м² (1 • 10-⁴4-1 • 10-¹² мм рт. ст.), погрешность прибора находится в пределах ±20%.

Другой конструкцией ионизационного вакуумметра без накаленного катода, благодаря чему устраняется опасность его повреждения при повышении давления, является радиоактивный вакуумметр. В этом приборе в качестве источника ионизации чаще всего используются вещества, излучающие а-частицы, например плутоний. Поскольку ионный ток получается очень слабым— порядка 10^-7 а при изменении давления на 1 н/м²— прибор работает с усилителем. Предел надежно измеряемых давлений 10^-1—Ю³ н/м². Шкала при бора линейная, но его показания сильно зависят от природы газа. Существенным достоинством прибора является его прочность, так как в нем нет подвижных деталей и накаленного катода.

Одной из конструкций прибора для измерения вакуума, принцип работы которого основан на законах кинетической теории газов, является вязкостный вакуумметр. Используя явление скольжения при пониженном давлении, количественно выражающегося формулой (49), Дэшман сконструировал прибор для измерения низких давлений. Конструктивно прибор представляет собой два параллельно расположенных между собой и помещенных в вакуумную колбу диска (Л. 16], один из которых подвешен на тонкой нити, а другой вращается с постоянной угловой скоростью при помощи вращающегося магнитного поля, которое действует на ротор через колбу. Диапазон измерения вакуумметра от 10-⁴ до 10-¹4-10 н/м². Он, так же, как и вакуумметр Кнудсена, хрупок и не получил широкого распространения в технике.

Наиболее удобными и относительно простыми по устройству оказались вакуумметры теплоэлектрической системы. Они основаны на изменении электрических или термоэлектрических параметров чувствительного элемента прибора от условий его теплообмена с окружающим разреженным газом. В практике распространены два типа теплоэлектрических вакуумметров, чувствительные элементы которых состоят из проволочных термосопротивлений, нагреваемых электрическим током. Температура чувствительного элемента, являющаяся функцией измеряемого давления, в первом типе вакуумметра измеряется термопарой, а во втором определяется величиной его электрического сопротивления. Первый тип прибора известен в литературе как термопарный или термоэлектрический вакуумметр, а второй— как теплоэлектрический вакуумметр сопротивления типа Пирани.

На рис. 5,а изображена принципиальная схема термопарного вакуумметра. В стеклянный или металлический баллон, вакуумноплотно соединенный с исследуемым объемом, помещен нагреватель — танталовая или никелевая нить. Если ток нагревателя поддерживать постоянным, то э. д. с. термопары будет определяться давлением окружающего газа, так как изменение температуры нагревателя будет зависеть от количества теряемого им тепла. Обычно градуировка э. д.с. термопары производится не в милливольтах, а непосредственно в миллиметрах ртутного столба или в ньютонах на 1 л². Термопарные вакуумметры, серийно выпускаемые отечественной промышленностью (ВТ-2, ВИТ), имеют пределы измерения от 1 до 1 • КН мм рт. ст. при указываемой заводом-изготовителем точности измерения ±15%. Точность этих приборов сильно зависит от стабильности тока накала нагревателя и правильности его установки. В работе {Л. 40] отмечается, что испытанием серии измерительных термопарных ламп типа ЛТ-4М обнаружена большая систематическая их ошибка — при фактическом давлении в системе 10-⁴ мм рт. ст. прибор показывает давление, близкое к КН мм рт. ст. В то же время некоторое усовершенствование этого прибора, сводящееся к стабилизации напряжения питания нагревателя, приводит к расширению нижнего предела измерений до 1 -10—⁴ мм рт. ст. (1,33 • 10-² н/м²).

Р. С. Прасоловым показано, что технические характеристики термопарного вакуумметра значительно улучшаются, если его чувствительный элемент работает в едином кондуктивно-конвективным режиме при неизменной температуре. Для выполнения этих условий необходимо увеличить перегрев чувствительного элемента и усовершенствовать прибор дополнительным автоматическим устройством для поддержания постоянства температуры чувствительного элемента. Эти мероприятия приводят к расширению верхнего предела вакуумметра вплоть до атмосферного давления. Нижний предел чувствительности термопарного вакуумметра типа ЛТ-2 определяется в основном теплопроводностью нагревателя и термопары (Л. 20], а также относительно большой составляющей потерь излучением при очень низких давлениях.

Для повышения чувствительности прибора в области низких давлений разработан датчик с использованием тонкослойных нагревателей и применением термостолбиков взамен термопар. Снижение радиации достигается тем, что нагреватель состоит из двух различных металлов и охлаждается теплом Пельтье. Чувствительность такого датчика позволяет измерить давление с нижним пределом до 44-5*10^-4 м/л².

В качестве чувствительного элемента теплоэлектрического вакуумметра сопротивления обычно применяется платиновая, никелевая или вольфрамовая проволока, которая впаивается в стеклянный баллон, соединенный с вакуумной системой. Чувствительный элемент В включается в одно из плеч моста (рис. 5,6), а его смежным плечом является температурный компенсатор /(, представляющий собой точную копию чувствительного элемента. Компенсатор помещается в откаченный до предельно низкого давления баллон. Иногда для еще более точных измерений чувствительный элемент и компенсатор термостатируются. Резисторы других плеч моста г_ь т₂ выбираются из материала, обладающего малым температурным коэффициентом сопротивления. Равновесие моста устанавливается резистором Гз при самом высоком вакууме. Мерой давления обычно является ток в измерительной диагонали моста, возникающий вследствие нарушения его баланса при повышении давления в системе и последующем изменении электрического сопротивления датчика. В этом режиме температура элемента В является функцией давления. Однако с точки зрения технических характеристик прибора более предпочтительным оказался режим постоянной температуры. При работе прибора в режиме постоянной температуры мерой давления является ток или напряжение питающей диагонали моста, а его равновесие поддерживается автоматически при всех давлениях. В таком режиме работает вакуумметр сопротивления блокировочный типа ВСБ-1. Общий вид этого прибора, выпускаемого отечественной промышленностью, изображен на рис. 6. Диапазон его измерения 1,33-г-4-10³ н/м^{1 2} (1 • 10“²4-30 мм рт. ст.), приведенная погрешность ±20—40%.

Пределы измерения некоторых специальных конструкций теплоэлектрических вакуумметров сопротивления с металлическими чувствительными элементами расширены до давлений 10-³—10⁵ н/м². Например, в приборе типа ВСБ-1 (с датчиком МТ-6) верхний предел измерения доведен до 10⁵ н/м² за счет того, что нагретая нить приводится в колебательное движение. Применение полупроводниковых датчиков повышает чувствительность прибора приблизительно на один порядок и позволяет измерить более низкие давления — около 10-⁴ н/м².