- •Криовакуумная техника
- •Лекция №1
- •1.1. Понятие о вакууме
- •1.2. Степени вакуума
- •Лекция №2
- •2.1. Вывод уравнения состояния для идеального газа
- •2.2. Законы идеальных газов
- •2.3. Испарение и конденсация
- •2.4. Термины и определения вакуумной техники
- •Лекция №3
- •3.1. Расчетные понятия вакуумной техники
- •3.2. Понятие о процессе откачки газа из вакуумной системы
- •3.3. Режимы течения газа по трубопроводу
- •Лекция №4
- •4.1. Взаимодействие газов с твердыми телами
- •4.2. Основные понятия теории массообмена
- •Лекция №5
- •5.1. Перенос теплоты в вакууме
- •5.2. Вязкость газов
- •Лекция №6
- •6.1. Тепловые нагрузки на криогенные вакуумные насосы
- •6.2. Классификация вакуумных насосов
- •6.3. Области действия вакуумных насосов
- •6.4. Объемные вакуумные насосы
- •6.4.1. Поршневые насосы
- •6.4.2. Жидкостно-кольцевые насосы
- •6.4.3. Роторные вакуумные насосы
- •Лекция №7
- •7.1. Молекулярные вакуумные насосы
- •7.2. Струйные вакуумные насосы
- •Лекция №8
- •8.1. Ионные вакуумные насосы
- •8.2. Испарительные насосы
- •8.3. Криогенные вакуумные насосы
- •Лекция №9
- •8.1. Криоадсорбционные вакуумные насосы
- •8.2. Криоконденсационные вакуумные насосы
- •Лекция №10
- •10.1. Конструкция криоконденсационных насосов
- •10.2. Другие типы сорбционных вакуумных насосов
- •Лекция №11
- •11.1. Техника измерения общего и парциального давлений газа
- •Лекция №12
- •12.1. Специфика измерения вакуума при низких температурах
- •12.2. Герметичность вакуумных систем
- •12.3. Измерение и контроль основных параметров вакуумных насосов
- •Лекция №13
- •13.1. Запорно-регулирующая арматура вакуумных систем
- •13.2. Элементы вакуумных систем
- •13.3. Ловушки
- •Лекция №14
- •14.1. Типовые схемы вакуумных установок
- •Лекция № 15
- •15.1. Методика расчета вакуумных систем
- •Лекция №16
- •16.1. Выполнение принципиальных вакуумных схем
11.1. Техника измерения общего и парциального давлений газа
Измерение общего давления газа
Классификация вакуумметров
Область давлений, используемая в современной вакуумной технике, от 105 до 10-12 Па. Измерение давлений в таком широком диапазоне не может быть обеспечено одним прибором. В практике измерения давления разреженных газов применяются различные типы приборов, отличающиеся по принципу действия и классу точности.
Приборы для измерения общих давлений в вакуумной технике называют вакуумметрами. Они состоят из двух элементов: датчика и измерительного блока.
По методу измерения вакуумметры могут быть разделены на абсолютные и относительные.
Показания абсолютных приборов не зависят от рода газа.
В приборах для относительных измерений используют зависимость параметров некоторых физических процессов, протекающих в вакууме, от давления. Поэтому они нуждаются в градуировке по образцовым приборам.
В метрологии принято различать рабочие и образцовые средства измерений. Рабочие средства измерений предназначены для выполнения разнообразных технических и научных измерений. Образцовые средства измерений предназначены только для градуировки и поверки (т. е. для определения погрешностей рабочих измерений).
По принципу действия вакуумметры можно свести в следующие классы:
1. Жидкостные (гидростатические) вакуумметры, в которых измеряемое давление или разность давлений уравновешивается давлением столба жидкости (например, ртуть). Пример: U-образные манометры и их модификации.
2. Компрессионные вакуумметры – это гидростатические вакуумметры с предварительным сжатием газа. Эти приборы предназначены для измерения очень малых давлений.
3. Механические вакуумметры, использующие в качестве чувствительного элемента сильфон, мембрану или спиральную трубку. Величина деформации чувствительного элемента служит мерой давления.
Трубка Бурдона – деформационный манометр в виде спиральной трубки, скручивающейся под действием атмосферного давления в случае откачки газа из внутренней полости за счет различных радиусов кривизны.
В мембранных вакуумметрах используется прогиб чувствительного элемента под действием избыточного давления с одной из сторон.
Сильфонные вакуумметры по существу ничем не отличаются от мембранных, но в них увеличен ход чувствительного элемента за счет применения гибкой гофрированной трубки – сильфона. При тех же габаритах сильфоны имеют значительно меньшую жесткость, чем мембраны, и следовательно обеспечивают большую чувствительность измерений.
Таким образом, измеряемое давление в механических вакуумметрах воздействует на какой-нибудь упругий элемент (мембрану, сильфон, трубку Бурдона), деформация которого служит критерием давления и измеряется оптическим или электрическим методом.
4. Тепловые вакуумметры, использующие зависимость теплопроводности газа от давления. Для этого нагреваемый электрическим током проводник помещается в трубку, вводимую в объект, в котором необходимо измерить давление с соблюдением мер, обеспечивающих вакуумную плотность. В этом случае молекулы газа осуществляют перенос тепла от проводника на стенки трубки.
При постоянной силе тока критерием давления служит температура проводника, или какая-нибудь другая величина, связанная с температурой функциональной зависимостью. При постоянной же температуре проводника значение давления определяется по силе тока или падению напряжения на проводнике.
5. Ионизационные вакуумметры – это вакуумметры, в которых давление определяется по значению ионного тока.
В свою очередь эти приборы подразделяются на электроразрядные и электронные ионизационные.
Принцип действия электроразрядных вакуумметров основан на зависимости параметров электрического разряда в разреженном газе от давления.
В электронных ионизационных вакуумметрах ионизация газа осуществляется потоком электронов, ускоряемых электрическим полем.
6. Магниторазрядные вакуумметры. Электродная система, находящаяся в магнитном поле и состоящая из холодного катода и анода, на который подано высокое напряжение, помещается в вакуумную камеру, где необходимо измерять давление. Показателем давления Хконцентрация молекулЪ служит сила разрядного тока.
В таблице 11.1 представлены диапазоны рабочих давлений вакуумметров.
Таблица 11.1
Диапазоны рабочих давлений вакуумметров
№ п/п |
Вакуумметры |
Диапазон рабочих давлений |
1 |
Гидростатические |
10-1…105 |
2 |
Компрессионные |
10-3…105 |
3 |
Механические |
10-2…105 |
4 |
Тепловые |
10-1…105 |
5 |
Ионизационные |
10-8…101 |
6 |
Магниторазрядные |
10-11…100 |
Измерение парциального давления газа
Измерители парциальных давлений, как и измерители общих давлений, характеризуются нижним и верхним пределами измеряемых парциальных давлений, чувствительностью и разрешающей способностью. Измерение парциальных давлений в вакуумных системах в настоящее время проводят двумя методами: ионизационным и сорбционным.
Ионизационный метод основан на ионизации и разделении положительных ионов в зависимости от отношения массы иона к его заряду. Можно одновременно или поочередно измерять составляющие ионного тока, соответствующие различным газам в вакуумной системе. Для разделения ионного тока на составляющие используется различие скоростей движения ионов различных газов, прошедших одинаковую разность потенциалов U.
По ионизационному методу работают следующие газоанализаторы: магнитные, панорамные, циклотронные (омегатроны), времяпролетный и др.
Сорбционный метод измерения парциальных давлений использует анализ адсорбированных газов. В одной из его разновидностей – термосорбционном методе – из-за различных теплот адсорбции остаточных газов нагревание поверхности по определенному временному закону сопровождается последовательной десорбцией компонентов газовой смеси. Недостатком метода является невозможность регистрации плохо адсорбируемых газов Не, Ne и Н2. На основе термосорбционного метода работает термосорбционной масс-спектрометр.
Другой разновидностью сорбционного метода является Оже-спектрометрия – метод анализа веществ на поверхности твердого тела по характерным энергиям электронов, эмиттируемым при внутриатомном переходе электронов между энергетическими уровнями.