Общие сведения о вакуумметрах

Вторая группа приборов для измерения малых давлений основана на зависимости от давления некоторых физических процессов, протекающих в вакууме. К ним относятся широко распространенные тепловые и ионизационные манометры, а также значительно реже встречающиеся вязкостные и радиометрические манометры.

Известен ряд других способов измерения низких давлений. Основой некоторых из них является использование изменения физических констант чистой металлической поверхности при заполнении ее слоем адсорбированных газов. Не останавливаясь подробно на изложении этих способов, так как они не нашли широкого применения, перечислим лишь те, с помощью которых может быть оценена степень вакуума. К ним относится наблюдение за изменением работы выхода электронов с поверхности металла. Это изменение может быть обнаружено измерением фотоэлектронной эмиссии при фиксированной освещенности 1143 или измерением длинноволновой границы фотоэффекта 144. Другим способом, характеризующим изменение состояния металлической поверхности в зависимости от давления окружающего газа, является наблюдение за изменением контактной разности потенциалов 145. В работе 146 описывается применение эмиссионного микроскопа с холодным катодом для определения состояния вакуума.

Точность, с которой можно провести предварительный расчет градуировочных характеристик перечисленной группы приборов для относительных измерений давления, ниже, чем у абсолютных манометров. Поэтому такой расчет обычно не производят, а градуируют эти приборы по образцовым. Показания таких приборов зависят от рода газа, заполняющего манометр, и могут быть оценены с достаточной для практики точностью лишь для известного состава измеряемой смеси газов.

При измерениях давления часто приходится решать вопрос о выборе манометра для тех или иных конкретных целей. В первую очередь существенное значение имеет диапазон измеряемых давлений. На рис. 1. 2 показаны приблизительные диапазоны измерения различных классов вакуумметров. Сплошными линиями указаны области применения промышленных приборов, а пунктирными — диапазоны измерений, достигнутые в специальных конструкциях. При помощи этой схемы можно выбрать несколько классов вакуумметров, охватывающих требуемый диапазон измеряемых давлений. Области рабочих давлений различных типов вакуумметров указаны ниже при рассмотрении отдельных классов приборов.

Не менее важную роль играет также род газа или пара, давление которого требуется измерять манометром. Отдельные типы вакуумметров имеют неодинаковые чувствительности к различным газам. Ряд манометров не может длительное время измерять давление химически активных газов. В некоторых из них, например в компрессионных, не регистрируется давление паров отдельных веществ. Большое значение при выборе вакуумметров имеют требования к точности предполагаемых измерений. В табл. 6 приведены данные о погрешностях измерений различными вакуумметрами в разных диапазонах давлений.

Рекомендуется выбор манометра производить в соответствии с технологическим процессом, осуществляемым в вакуумной камере. Например, при изучении тепловых процессов следует пользоваться тепловым манометром, а при изучении вопросов ионизации — ионизационным.

При выборе вакуумметра необходимо также учитывать недостатки, свойственные различным видам манометров. Жидкостные манометры загрязняют вакуумную систему присутствием насыщенных паров рабочей жидкости манометра; деформационные манометры имеют малые пределы измерения и нестабильность нулевого отсчета; компрессионные не дают возможности осуществлять непрерывное измерение давления, требуют применения охлаждаемой ловушки, и, кроме того, они не чувствительны к парам легко конденсирующихся жидкостей.

Таблица 6

Погрешности измерения вакуумметрами

Показания тепловых манометров имеют дополнительную погрешность в динамической вакуумной системе вследствие значительной тепловой инерции нагреваемого элемента, особенно при низких давлениях. Ионизационные манометры имеют сильное откачивающее или газовыделяющее действие, а при наличии в них горячего катода всегда есть опасность его перегорания или отравления активными газами.

Гидростатические манометры наиболее простые приборы для измерения вакуума. Начиная с опытов Торичелли в 1644 г. и до настоящего времени, гидростатический манометр представляет собой неотъемлемую принадлежность любой вакуумной лаборатории. На рис. 2. 1 изображены два типа гидростатических или, как их иначе называют, жидкостных манометров. Эти приборы непосредственно измеряют разность давлений газов на поверхность жидкости в левом и правом коленах U-образной трубки. Одно колено трубки присоединяется к вакуумной системе, давление в которой равно Р_в, в другом колене в процессе измерений поддерживается постоянное сравнительное давление Р_к. Перепад давлений | Р_к — Р_в, действующих на поверхности жидкости, уравновешивается гидростатическим давлением разности высот столба жидкости в коленах манометра. Давление столба жидкости определяется его весом, отнесенным к единице площади, и зависит только от высоты столба и плотности жидкости. В случае манометра с открытым коленом (рис. 2. 1, а) величина разности давлений АР, измеряемая манометром, равна разности атмосферного давления Р_а и давления Р_в в вакуумной системе.