5. Измерение вакуума

Вакуумом (от латинского vacuum – пустота) называют состояние разряженного газа, когда его давление значительно ниже атмосферного. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление.

В технике низких давлений часто используются выражения, подобные следующим: «Давление минус четвертая, откачал до минус пятой». Имеется в виду давление в вакуумной системе, соответственно 10^–4 и 10^–5 мм рт. ст. Характер протекания физико-химических процессов в вакууме зависит от соотношения между числом столкновений молекул остаточного газа со стенками сосуда и числом взаимных столкновений молекул. Это соотношение, вообще говоря, характеризует число молекул в рассматриваемом объеме (вакуумной камере). Численно это соотношение характеризуется отношением средней длины свободного пробега молекул X к характерному (определяющему) линейному размеру s рассматриваемого объема. Это отношение положено в основу разделения областей вакуума на следующие диапазоны: низкий, средний, высокий и сверхвысокий вакуум.

Низкий вакуум – λ << s – соответствующая область давлений от атмосферного до 100 Па (около 1 мм рт. ст.). Средний вакуум – λ ≈ s – соответствующая область давлений от 100 до 0,1 Па. Высокий вакуум – λ >> s – соответствующая область давлений от 0,1 до 10^–5 Па. Сверхвысокий вакуум характеризуется тем, что не происходит заметного изменения свойств поверхности, первоначально свобод­ной от адсорбированного газа, за время, существенное для рассматриваемого процесса. К сверхвысокому вакууму относят область давлений ниже 10^–5 Па.

Степень разрежения, достигаемая в откачиваемых объемах, определяется равновесным давлением, устанавливающимся под действием как минимум трех процессов: 1) откачки газа с помощью насосов (или какого-либо его поглощения); 2) натекания газа через зазоры в рассматриваемом объеме; 3) газовыделения от стенок сосуда (или газопроникновения через них).

Здесь необходимо отметить, что абсолютно герметичных сосу­дов не существует. Немаловажным является понятие «чистоты» вакуума. Дело в том, что при использовании различного рода механических или пароструйных насосов в откачиваемый объем могут попадать молекулы рабочей жидкости насоса, например, масла, и тем самым искажать состав остаточного газа. Кроме того, следует иметь в виду, что скорость откачки различных газов неодинакова, и, начиная откачивать объем, заполненный воздухом, где основные компоненты азот (~ 80 %) и кислород (~ 20 %), при давлении порядка 10^-5 мм рт. ст. в камере получают совершенно иное соотношение остаточных компонентов.

Приборы, предназначенные для измерения давления, значи­тельно ниже атмосферного, называют вакуумметрами. Вакуумметры состоят из преобразователя давления (ПД) и измерительного блока (ИБ). ПД – устройство, присоединяемое к вакуумной камере для непосредственного восприятия давления и преобразования его в другую физическую величину, подлежащую измерению. ИБ – устройство, обеспечивающее требуемый режим работы ПД, усиление и измерение его выходного сигнала.

Вакуумметры классифицируют по принципу действия и методу измерения давления. По методу измерения различают вакуумметры, основанные на абсолютных или косвенных измерениях.

К первой группе относят вакуумметры, непосредственно измеряющие давление как силу, действующую на поверхность чувствительного элемента. Это жидкостные, грузопоршневые и деформационные вакуумметры, характеризующиеся независимостью показаний от рода остаточного газа. Наименьшее давление, которое можно измерить приборами этой группы, составляет 10^–4 – 10^–5 Па.

Ко второй группе относят вакуумметры, принцип действия которых основан на использовании зависимости параметров некоторых физических процессов от давления. Это ионизационные, вязкостные, радиометрические и тепловые вакуумметры.

Показания вакуумметра косвенного метода измерения зависят от рода остаточного газа. Градуировку таких приборов обычно проводят по воздуху или азоту, а для измерения давления других газов используют поправочные коэффициенты. Приборы этой группы позволяют измерять давления до 10^–12 Па. Принцип действия жидкостных вакуумметров (рис. 6.19) основан на уравновешивании измеряемого давления (или разности давлений) давлением столба жидкости. Об измеряемом давлении судят по высоте уравновешивающего столба жидкости.

П

а

б

ростейшийU-образный вакуумметр представляет собой изогнутую в виде буквы U стеклянную трубку постоянного сечения, заполненную жидкостью. Внутренний диаметр трубки во избежание погрешностей, вызванных действием капиллярных сил, должен быть не менее 7 мм. Один конец трубки соединяют с вакуумной системой (Р_Х), а другой может быть открытым или закрытым. Давление в закрытом колене должно быть значительно меньше измеряемого. Измеряемое давление рассчитывают по формулам:

с

Рис. 6.19. Принцип действия

жидкостного вакуумметра

открытым коленом–

; (6.6)

с закрытым коленом –

, (6.7)

где Р_А – атмосферное давление; – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения; Δh – разность уровней жидкости.

Диапазон измеряемых значений давления зависит от жидкости, геометрических размеров прибора и способа измерения разности уровней, для чего используют различные методы – от обычной линейки с миллиметровыми делениями до интерференционных методов. В последнем случае точность отсчета уровней составляет ~10^–5 мм, а предел измерения давления –10^–3 Па.

В качестве рабочих жидкостей выбирают жидкости с малым давлением насыщенного пара и малой способностью к растворению газов. Для измерения давления, близкого к атмосферному, необходимо выбирать жидкость с большой плотностью (обычно ртуть), а для измерения малых давлений – жидкости с минимальной плотностью (часто используют вакуумное масло).

В деформационных вакуумметрах давление определяют по деформации упругого элемента, происходящей под действием разности давлений. Такие вакуумметры различают по типу чувствительного элемента и способу измерения деформации.

По типу чувствительного элемента – трубчатые, сильфонные, мембранные. В трубчатых и сильфонных вакуумметрах подвижную часть чувствительного элемента через систему зубчатых передач соединяют со стрелкой, по отклонению которой судят о давлении.

В мембранных вакуумметрах для определения прогиба мембраны используют оптические, но чаще электрические методы. В последнем случае прогиб измеряют с помощью тензопреобразователей либо применяют емкостной метод, при котором мембрана совместно с неподвижным электродом образует конденсатор, емкость которого меняется при изменении давления. При незначительных прогибах относительное изменение емкости прямо пропорционально изменению давления. Мембранные преобразователи позволяют измерять давление от атмосферного до 10^–4 Па (о чем уже упоминалось при описании емкостных датчиков).