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

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.

Сорбционныйметод 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.