В мембранных вакуумметрах (рис. 10) 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%.
Пружинный и мембранный вакуумметр, в которых для измерения используются только механические части, являются одними из самых дешевых средств измерения низкого вакуума, и обычно имеют стрелочную индикацию. Оба вакуумметра являются газонезависимыми (т.е. показания давления не зависят от типа газа).
Более точной (и соответственно, дорогой) разновидностью мембранного вакуумметра является емкостной диафрагменный вакуумметр. В емкостном вакуумметре изгибаемая мембрана является одной из обложек конденсатора, емкость которого меняется при изменении расстояния между обложками (изгибаемой мембраной и неподвижной второй обложкой). Учитывая, что ёмкость сильно изменяется при изгибе диафрагмы (изменении расстояния между обложками конденсатора), и легко и точно измеряется, данные вакуумметры являются одними из наиболее точных (точность измерения составляет десятые, или сотые процента от показываемого значения). Емкостные вакуумметры являются газонезависимыми. К недостаткам можно отнести небольшой диапазон измерения (обычно 4 порядка, например, от 1 до 1х10-3 торр, или от 1000 до 0,1 торр) и высокую стоимость.
Тепловой вакуумметр - самый распространённый тип измерения низкого и среднего вакуума благодаря приемлемой точности и невысокой стоимости вакуумметра. Тепловой вакуумметр - это вакуумметр для измерения абсолютного давления. Действие вакуумметра основано на принципе изменения теплопроводности газа при изменении давления газа. Тепловые вакуумметры являются газозависимыми вакумметрами (показываемое давление зависит от типа газа, т.к. разные газы имеют разную теплопроводность при одном и том же давлении). Два основных типа тепловых вакуумных датчика: термопарный вакуумный датчик и вакууммный датчик Пирани.
Термопарный вакуумный датчик - один из самых дешевых датчиков для измерения низкого и среднего давления. Напряжение на концах термопары зависит от температуры термопары, которая, в свою очередь, зависит от давления вокруг термопары (чем больше давление, тем лучше отводится тепло, и соответственно - температура термопары ниже).
В основном представлены два типа ионизационных высоковакуумных датчиков: магниторазрядный вакуумный датчик (часто называемый вакуумный датчик с холодным катодом) и вакуумный датчик Байард-Альперта (обычно называемый вакуумный датчик с нитью накала). Все ионизационные вакуумметры являются газозависимыми вакуумметрами (т.к. потенциал ионизации у разных газов разный).
Магниторазрядный вакуумный датчик для измерений в высоком вакууме основан на принципе ионизации атомов газа в сильном электрическом поле, ионизация происходит ускоренными электронами, которые благодаря наличию магнитного поля движутся по спиральной траектории, что значительно увеличивает время жизни электронов и, как следствие, их ионизационную способность. Преимуществом высоковакуумных датчиков с холодным катодом является их высокая надежность (в «чистых» вакуумных приложениях высоковакуумные датчики с холодным катодом стабильно работают в течение многих лет). Недостатком, по сравнению с высоковакуумными датчиками с холодным катодом является чуть меньшая точность измерения. Прародителем магнитного электроразрядного высоковакуумного датчика является вакуумный датчик Пеннинга, впервые предложенный в 1937 году.
Рисунок 11 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 магнитное поле. В результате действия электрических и магнитных сил образующиеся свободные 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 которых слабо искривляются магнитным 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, например, в криогенных системах) и обладают большей чувствительностью. Недостатки: медленное возникновение самостоятельного газового разряда при низких давлениях, необходимость очистки электродов при работе прибора в вакуумных установках, которые содержат пары масел. Ионизационные и магнитные электроразрядные вакуумметры часто подключают к одной вакуумной системе, что позволяет последовательно включать в работу тот или иной прибор и управлять вакуумированием. Погрешность магнитных электроразрядных вакуумметров - 60% и более.
Высоковакуумный датчик с нитью накала использует принцип термоэлектронной эмиссии для образования потока электронов, которые ионизуют атомы газа, в результате чего образуется электрический ток ионизованных атомов (значение которого пропорционально давлению газа). Данный ток положительных ионов газа регистрируется, и затем пересчитывается в давление.
Рисунок 16 Ионизационный вакуумметр: 1 -катод; 2-анод; 3 - коллектор. Рисунок 17 Лампа Байярда-Альперта: 1-катод; 2-анод; 3-коллектор
Действие основано на ионизации молекул газа и измерении ионного тока, который является функцией давления. В электронных вакуумметрах ионизация осуществляется потоком электронов, испускаемых накаленным катодом. Такой вакуумметры снабжен еще двумя электродами - анодом и коллектором (рис. 12). Анод - сетка, создающая электрическое поле, которое ускоряет электроны. Коллектор имеет отрицательный потенциал относительно катода и собирает образующиеся в газе положительные 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, который не зависит от давления.
Вакуумметры Лафферти работает в магнитном поле напряженностью Н (рис. 13). Это позволяет удлинить пути электронов в рабочем пространстве и обеспечить высокую эффективность ионизации при очень малом электронном токе. Нижний предел измерений - 10-11 Па.
В ионизационных радиоизотопных вакуумметрах для ионизации газа используют главным образом излучение. Особенность таких вакуумметры в отличие от электронных - отсутствие электрода, ускоряющего частицы, энергия которых 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%.
Метрологическое обеспечение СИ давления
Основу метрологического обеспечения средств измерений давления составляет группа государственных эталонов, в состав которой входят один первичный и пять специальных эталонов.
Государственный первичный эталон единицы давления представляет собой комплекс средств измерений, включающий группу из пяти поршневых приборов переменного состава, набора гирь и специальную аппаратуру для создания и поддержания гидростатического давления, создаваемого весом поршня и нагружающих его гирь.
В качестве образцовых средств измерений давления используются жидкостные компенсационные, грузопоршневые и деформационные приборы.
Жидкостные компенсационные приборы. К этим приборам относится универсальный жидкостной мановакуумметр (прибор Петрова).
Прибор этого типа предназначен для поверки дифманометров расходомеров переменного перепада давления, вакуумметров, тягомеров и других средств измерений давления и разрежения. Прибор (рис. 17) содержит две пары сообщающихся сосудов. Одна из них предназначена для работы на «воде», другая -- на «ртути». Каждая пара состоит из металлического бачка 5 (16) и прозрачного стакана 4 (13).
В нерабочем положении при измерении давления каждый бачок устанавливается в вертикальное положение на стойке, укрепленной на плате 2.
Рисунок 17 Схема универсального жидкостного мановакуумметра
При измерении прибором вакуума каждый из бачков с помощью кронштейна, расположенного на бачке, может устанавливаться на линейке 6. Под стойкой левого бачка укреплен кронштейн 3, служащий для закрепления в нем одного из прозрачных стаканов. Линейка 6 имеет цилиндрическое трубчатое сечение, внутри нее расположен отвес 1, видимый через отверстие внизу линейки. На линейке нанесена шкала с миллиметровыми велениями. Вдоль линейки перемещается каретка 10, которая состоит из двух направляющих. На верхней направляющей 8 каретки 10 расположен нониус с точностью отсчета 0,1 мм. Нижняя направляющая 7 каретки 10 служит для плавного перемещения каретки до заданной отметки шкалы линейки. В зависимости от диапазона измерений выбирают пару сосудов, заполненных водой или ртутью и сообщающихся между собой гибким шлангом 14. Перед измерением прибор устанавливают по отвесу, и выставляется нуль прибора. Если измеряется перепад давлений, то прозрачный бачок укрепляют на кронштейне 9 каретки 10, как показано на рис. 3. При измерении перепада давления верхний штуцер вентиля 15 соединяют с плюсовой камерой поверяемого прибора. Поверка осуществляется следующим образом. Каретку 10 устанавливают на отметке шкалы, соответствующей расчетному значению перепада -- поверяемой отметке шкалы прибора. Воздушным прессом или от компрессора подается давление, при котором стрелка прибора устанавливается на поверяемую отметку. Открывают вентиль 15 бачка 16 и точно устанавливают стрелку на поверяемую отметку. Если показания прибора в поверяемой отметке имеют погрешность, то уровень рабочей жидкости в прозрачном бачке не совпадает с концом иглы 12 (выше или ниже его). Погрешность прибора в поверяемой отметке определяют путем вращения микрометрического винта 11 до тех пор, пока конец иглы не коснется зеркала жидкости.
Абсолютная погрешность прибора в поверяемой отметке считывается со шкалы микрометрического винта.
При измерении разрежения металлический бачок укрепляется на верхней секции линейки, а прозрачный бачок устанавливают на кронштейне 9 каретки 10, которую помещают на нулевую отметку. Нулевая отметка при измерении разрежения находится на отметке 760 мм шкалы линейки. Относительная погрешность показаний универсального жидкостного мановакуумметра при измерении давления и разрежения в диапазоне 150--1000 мм вод. ст. и в диапазоне 75--1000 мм рт. ст. составляет ±0,3%. В диапазоне 0--150 мм вод. ст. абсолютная погрешность не превышает ±0,5 мм вод. ст., а в диапазоне 0--75 мм рт. ст. -- 0,25 мм рт. ст.
Образцовые деформационные манометры и вакуумметры. Принцип действия этих приборов аналогичен рабочим манометрам и вакуумметрам. Отличительным элементом конструкций образцовых приборов является корректор нуля и арретир. Шкала приборов круговая, имеет 100 или 250 условных единиц. Основной особенностью образцового прибора является материал, из которого выполнен упругий чувствительный элемент, а также отношение предела измерений к пределу пропорциональности трубчатой пружины. Это отношение для образцовых приборов лежит в пределах от 3 до 4, в то время как для рабочих приборов оно равно 1,5--2,0.
При проведении измерений образцовым деформационным прибором необходимо руководствоваться данными градуировочной таблицы, указанной в паспорте прибора. Для уменьшения погрешности прибора, вызванной отклонением температуры окружающей среды от 20°С, рекомендуется к показаниям прибора вводить температурную поправку. Верхние пределы измерений образцовых манометров избыточного давления ограничены значениями 0,1--60 МПа. Диапазон измерений образцовых вакуумметров --0,1--0 МПа. Классы точности образцовых деформационных приборов 0,15; 0,2; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0.