Вакуумметр: описание, принцип работы, разновидности вакуумметров

Под вакуумметром понимается устройство, предназначенное для замера давления газов или вакуума, находящихся в вакуумной среде. Часто вакуумметр называют вакуумным манометром. Сегодня производители предлагают потребителю огромное количество разновидностей вакуумметров, которые позволяют измерять размер вакуума, как точечным способом, так и обобщенно. Кроме того, имеется возможность определить абсолютное значение вакуума либо определить разницу между давлением в технологической схеме и атмосферным давлением.

Классификация вакуумметров в зависимости от типа устройства

К этой категории относятся:
• жидкостный;
• механический: мембранный, деформационный и т.д.;
• тепловой: термопарный, теплоэлектрический;
• компрессионный: вакуумметр Мак-Леода;
• ионизационный;
• магнитный;
• вязкостный;
• электроразрядный;
• радиометрический.

Вакуумметры, представленные выше, вы можете использовать для измерения полного давления.

Однако, нередко встречаются ситуации, когда требуется измерить другие разновидности газа. Например, в случае с парциальным давлением необходимо работать со специальными измерителями и масс-спектрометрами. В связи с этим мы получаем еще одну классификацию вакуумных манометров.

Немного теории о принципах измерении уровня вакуума

Давление — это воздействие частиц газа на определённую площадь. Во многих областях малые величины давления, например в промышленности и научных исследованиях, невозможно измерить прямым методом измерения. В высоком и сверхвысоком вакууме газовые частицы имеют достаточную большую длину свободного пробега. Поэтому давление можно определить путём ионизации газовых частиц в результате их столкновения с ускоренными заряженными частицами, направленными электрическим полем на электроды, измерения величину тока. В зависимости от метода ионизации выделяют два типа ионизационных вакуумметров: необходимые для ионизации частицы эмитируются в результате высокого напряжения и разряжения частиц из холодного катода, или они образуются в результате накаливания филамента (горячего катода).

Классификация вакууметров по принципу действия:

Классический вакууметр

Границы измеряемого давления: 10 (0,075) – 100000 (750) Па. (мм.рт.ст.).

Принцип действия. Классический вакуумметр — это типичный манометр (жидкостный или анероид), с помощью которого можно измерять малые давления.

Для жидкостного вакуумного манометра характерно применение в измерительном колене масла с заранее известной плотностью. Это гарантирует наличие условий для вакуума. Как правило, для изоляции от другой части вакуумной системы одновременно с вакуумным манометром используют “азотные ловушки”. Они представляют собой устройства, которые наполняются жидким азотом и служат для вымораживания паров рабочего вещества манометра.

Анероид характеризуется отсутствием жидкостей при измерении давления. Такой вакуумметр состоит из металлической коробки в форме цилиндра с созданным внутри нее разрежением. Снаружи к ней прикреплена пружина (мембрана), которая двигается в зависимости от атмосферного давления. Если оно повышается — коробка сжимается и пружина подтягивается, если понижается — коробка расширяется, а пружина отталкивается. В результате, движение пружины в системе рычагов двигает стрелку на шкале, где и показывается уровень измеряемого давления.

Ёмкостный вакууметр

Границы измеряемого давления: 1 (0,0075) – 1000 (7,5) Па. (мм.рт.ст.)

Принцип действия. Ёмкостный вакуумметр призван измерять давление до высокого вакуума, вид газа не имеет значения. Такие манометры используются для определения относительного давления. Принцип работы строится на реакции ёмкости конденсатора, размер которой меняется в зависимости от изменений расстояния между обкладками. Одна из них — гибкая мембрана, которая и влияет на изменение ёмкости конденсатора при смене давления. Если измерить эту обкладку-мембрану и провести градуировку, то с помощью устройства можно определять давление.

Термопарный вакууметр

Границы измеряемого давления: 10−1 (10−3) – 103 (10) Па. (мм.рт.ст.)

Принцип действия Ключевым элементом термопарного вакуумметра является термоэлектрический преобразователь, так как в этом механизме важна теплопроводность и охлаждение за счет термопары. Данные вакуумные манометры считаются самыми бюджетными приборами (среди аналогов), с помощью которых можно измерить средний и низкий вакуум.

Вокруг термопары, которая контактирует с нагреваемым проводом, создается давление. Оно напрямую зависит от теплопроводности разреженного газа, так как от температуры в вакууме зависит нагрев термопары. При низкой теплопроводности газа температура проводника увеличивается, и с помощью этого изменения можно определить давление. Примерами термопарного вакуумметра являются отечественные ПМТ-2 и ПМТ-4.

Терморезисторный вакуумметр

Границы измеряемого давления: 10−1 (10−3) – 1,013 (760) Па. (мм.рт.ст.)

Принцип действия. Работа терморезисторного вакуумметра основана на мостовой схеме, задача которой — постоянная поддержка сопротивления терморезистора (им может являться платиновая нить — манометр Пирани). Тут существует прямо пропорциональная зависимость между напряжением на датчике и давлением: если давление газа увеличивается, то также нужно увеличить и подводимую к терморезистору мощность, чтобы температура оставалась неизменной.

Как и в термопарном вакуумметре, в датчике Пирани для преобразования тепловой энергии в напряжение применяется нить накала. Однако датчик Пирани является более точным, так как в его механизм впаяна электрическая схема.

Кроме датчика Пирани в качестве примера можно привести отечественные датчики ПМТ — 6-3.

Ионизационный вакуумметр

Границы измеряемого давления: 10−10 (10−12) – 10 (10-1) Па. (мм.рт.ст.)

Принцип действия. Работа такого вакуумметра основана на ионизации газа. На ионы оказывает влияние магнитное поле и электрический разряд. Под таким воздействием атомы должны набрать скорость, зависящую от степени сжатия вакуума. Если снизится давление газа, то уменьшится количество частиц, которые могут подвергнуться процессу ионизации. Следовательно, сократится и ионизационный ток, который протекает между атомами при таком напряжении.

С помощью ионизационного вакуумметра можно измерить давление в высоком вакууме. Основными примерами таких манометров являются вакуумный датчик Байярд-Альперт и вакуумный манометр с холодным катодом.

Альфатрон

Границы измеряемого давления: 10−1 (10−3) – 103(10) Па. (мм.рт.ст.)

Принцип действия. Альфатрон является подвидом ионизационного вакуумметра. Отличие состоит в используемых для ионизации частицах — здесь вместо электронов применяются α-частицы, которые испускает источник радия или плутония (примерно 0,1-1 мКюри).

Преимущества перед вакуумметром с катодом: простота, надежность, точность. Недостаток: не могут дать точные измерения из-за низкой чувствительности, которая затрудняет определение сверхмалых токов.

Образцовые вакуумметры

Образцовый вакуумметр предназначен для проведения поверочных испытаний других вакуумметров. Чаще всего шкала данного вакуумметра имеет две зоны — МО и ВО.

Образцовые вакуумметры

Основные технические характеристики образцового вакуумметра:

• Измерительный прибор изготавливается при обязательном выполнении требований технических условий;
• За единицу измерения принимается условная величина;
• Класс точности составляет от 0.4 до 250 условных единиц;
• Диапазон рабочих температур составляет от 5 до 40 градусов;
• При средней температуре рабочей среды +25 градусов относительная влажность не превышает 80%;
• Масса прибора напрямую зависит от класса точности. При классе точности 0.4 условные единицы масса прибора составляет 1.8 килограмма;
• По желанию заказчика возможно изготовление вакуумметра для использования в любой климатической зоне.

Итоги

В настоящее время существует огромное многообразие вакуумметров, каждый из которых отличается как своими преимуществами и техническими характеристиками, так и конструкционными особенностями. При выборе датчиков для усановок стоит учитывать, что современные производители стремятся к улучшению работоспособности приборов путем объединения достоинств разных устройств, поэтому зачастую наблюдается размытость классовых границ. Это влияет на стоимость вакуумметра и на его долговечность.

При покупке вакуумного манометра обращайте внимание на технические характеристики прибора, его чувствительность.

Описание и технические свойства цифрового вакуумметра

Данный тип устройств всё чаще используется в промышленном производстве. Стоит признать, что эти датчики обладают высокой точностью, а также дают широкий спектр возможностей для долгосрочного мониторинга показаний.

В качестве примера рассмотрим устройство «Мета-хром». Аппарат относится к редкому субклассу ионизационно-термопарных устройств. Он способен измерять давление в непрерывном режиме.

В конструкции задействована автоматическая схема переключения датчиков. За управление током отвечает программная часть. Полученные в результате мониторинга данные отображаются на встроенном дисплее.

Внимание! Устройством можно управлять как со встроенной клавиатуры, так и при помощи удалённого компьютера.

«Мета-хром» даёт возможность всегда знать давление внутри вакуумной системы. Теперь абсолютно неважно, где вы находитесь. Рабочий интерфейс RS-485 предоставляет широкие возможности для удалённого мониторинга.

Аппарат имеет следующие технические параметры:

• Предел измерения от 0,8 до 10 миллиметров ртутного столбика.
• Два канала для измерения.
• В конструкции есть две лампы ионизационная и термопарная.
• В наличии возможность работы с преобразователями разных классов.
• Время отклика 0,1 с.

При всех этих характеристиках вес прибора составляет три килограмма.

Использование оборудования

Замеры с помощью стрелочного вакуумметра не требуют сложных действий. Конструкция включает два основных элемента – блок измерений и преобразователь давления. Преобразователь передает все изменения, которые происходят с чувствительным элементом, в сигнал или перемещение. Измерительный блок производит оценку сигналов и переводит его в понятные единицы. Этот элемент состоит из электрических цепей и блок питания. Важная составляющая блока – механизм устройства. В современном оборудовании этот механизм выглядит, как жидкокристаллический дисплей.

Вакуумметр стрелочного типа – традиционный агрегат, который используется на разных производствах, а также в экспериментальных условиях.

Использование оборудования

Ионизационный вакуумметр с холодным катодом

В холодном катоде газ ионизируется путём столкновения с электронами, двигающимися в скрещенных электрических и магнитных полях по спиралевидным траекториям. При высоком напряжении между катодом и анодом все электрически заряженные частицы, находящиеся в остаточном газе, ускоряются и движутся к соответствующему электроду. При этом они сами могут ионизировать другие молекулы, соударяясь с ними, или вызывать образование вторичных электронов. Движущиеся к аноду электроны и устремляющиеся к катоду ионы вызывают процесс газового разряда. Остаточный газ в холодном катоде ионизируется электронами. При низком давлении очень важно, чтобы они как можно дольше оставались в области ионизации. Таким образом, повышается вероятность ионизации и продолжительность газового разряда. Дополнительное внешнее магнитное поле усиливает действие процесса.

Ионизационный вакуумметр с горячим катодом

Термическая эмиссия — это самый простой способ образования электронов, необходимых для ионизации. Катод (филамент) накаляется высоким электрическим током. При повышенной температуре электроны отрываются от атомов, ускорятся электрическим полем и используются для ионизации газа. Кроме филамента, вакуумметр с горячим катодом обычно состоит ещё из решеткообразного цилиндрического анода и ионной ловушки. Филамент и аноды находятся на различных положительных потенциалах, коллектор на массе . Величиной измерения датчика горячего катода является разрядный ток, который возникает при выходе положительно заряженных частиц с коллектора. Сам катод/филамент – используется исключительно для образования электронов. Датчик Байард-Альперта считается самым распространённым типом датчиков с горячим катодом.

Выбор оборудования

Перед тем, как купить стрелочный вакуумметр нужно определиться с основными характеристиками. Существует несколько важных критериев выбора прибора – размеры, воспроизведение результатов, точные параметры и стоимость.

Эффективным приспособлением для контроля и измерений в вакуумных системах является стрелочный прибор. Его применяют в лабораторных и промышленных системах.

Выбор стрелочного вакуумметра

Выделяют следующие плюсы оборудования:

• Универсальное устройство, которое подходит для разных типов газов и смесей;
• Высокий уровень точности;
• Отсутствие влияния атмосферного давления;
• Простота монтажа в разные системы;
• Удобная измерительная шкала;
• Долгий срок службы и надежность.

Стрелочный прибор позволяет проводить исследования параметров в разряженной воздушной среде.