Вакуумметр

ВАКУУММЕТР (от вакуум и ...метр), вакуумный манометр, прибор для измерения давления разреженного газа (от 10⁵ до 10^-12 Па). Универсального вакуумметра для измерений во всей области низких давлений не существует. В зависимости от устройства и принципа действия вакуумметры разделяются на жидкостные, механические, тепловые, ионизационные, магнитные электроразрядные, вязкостные, радиометрические и др. Для измерений в широком диапазоне давлений применяют несколько вакуумметров различных типов (рис. 1).

Вакуумметр обычно состоит из преобразователя (датчика) давления в другую физическую величину (сигнал) и измерительного блока, непосредственно измеряющего этот сигнал с выдачей результата на отсчётное устройство, выполненное чаще всего в виде шкалы, проградуированной в единицах давления.

В жидкостных (гидростатических) вакуумметрах (рис. 2) преобразователем давления служит столб жидкости (ртути или масла с низкой упругостью пара), уравновешивающий измеряемое давление газа и известное (опорное) давление. Основные недостатки таких вакуумметров - проникновение паров жидкости в вакуумную систему, а также небольшой диапазон измеряемых давлений (нижний предел до 10^-1 Па).

В механических (деформационных) вакуумметрах давление газа воспринимает чувствительный (упругий) элемент (сильфон, мембрана и тому подобное). В мембранном вакуумметре деформация мембраны, пропорциональная разности опорного и измеряемого давлений, действующих на её противоположные стороны, передаётся стрелочному указателю. Опорное давление в таких вакуумметрах поддерживается постоянным и обычно на 2-3 порядка ниже измеряемого. Для повышения чувствительности механического вакуумметра упругий элемент соединяют с вторичным преобразователем (ёмкостным, индуктивным и др.), что позволяет расширить диапазон измерений до 10^-4 Па (рис. 3).

В тепловых вакуумметрах используется зависимость теплопроводности разреженных газов от давления. Чувствительным элементом преобразователя давлений является проводник (обычно металлическая нить), нагреваемый электрическим током. Давление определяют либо по изменению электрической мощности, необходимой для поддержания постоянной температуры нити, либо по изменению её температуры при постоянном токе через нить. Температура нити оценивается по её электрическому сопротивлению (термоэлектрические вакуумметры сопротивления) или с помощью термопары, присоединённой к нити (термопарные вакуумметры). Тепловые вакуумметры широко применяются для измерения предварительного разрежения (форвакуум) в вакуумных установках.

В электронных ионизационных вакуумметрах (рис. 4) электроны, испускаемые накалённым катодом, на пути к аноду ускоряются и ионизируют молекулы газа; образовавшиеся ионы создают в цепи коллектора ток, пропорциональный давлению.

С помощью ионизационного вакуумметра можно измерять вакуум в широких пределах. При измерении давлений порядка 100 Па для уменьшения влияния рекомбинации ионов используют вакуумметры с короткими траекториями электронов. Работа при низких давлениях газа (менее 10^-7 Па) требует, наоборот, удлинения путей электронов в рабочем пространстве (например, за счёт включения магнитного поля). В этом случае необходимо также уменьшать поверхность коллектора ионов, чтобы снизить паразитные токи, обусловленные рентгеновским излучением анода. Чувствительность ионизационного вакуумметра зависит от величины электронного тока; ионные токи в таких вакуумметрах малы, поэтому в их схему обычно включают блок стабилизации эмиссии электронов и усилитель ионного тока. Ионизационные вакуумметры служат главным образом для измерения высокого и сверхвысокого вакуума.

В магнитных электроразрядных вакуумметрах давление определяют по току электрического разряда, возникающего в сильно разреженных газах при совместном действии электрических и магнитных полей. Преобразователь давления такого вакуумметра обычно содержит две плоскопараллельные катодные пластины и расположенный между ними кольцевой анод; электроды помещены в магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом (рис. 5). Современные вакуумметры этого класса могут измерять сверхвысокий вакуум (до 10^-11 Па).

В вязкостных вакуумметрах используется зависимость внутреннего трения разреженных газов от давления. Мерой давления служит декремент или время затухания свободных колебаний тела (вибратора), движущегося в сосуде, содержащем газ при измеряемом давлении. Для элементных газов градуировочная характеристика вязкостных вакуумметров может быть точно рассчитана, благодаря чему некоторые вакуумметры этого типа применяются в качестве образцовых.

Действие радиометрических вакуумметров основано на проявлении радиометрического эффекта - взаимном отталкивании двух пластин, поддерживаемых при различных температурах и помещённых в разреженную газовую среду. Отклонение пластин пропорционально давлению газа, если расстояние между ними меньше длины свободного пробега молекул. Диапазон измеряемых давлений от единиц до 10^-6 Па.

С помощью вакуумметра измеряют полное давление газа. Показания жидкостных, механических и радиометрических вакуумметров не зависят от природы газа и могут быть рассчитаны по конструкционным размерам вакуумметра. Остальные вакуумметры требуют градуировки по эталонному абсолютному вакуумметру для каждого заданного (конкретного) состава газа. Для измерения парциальных давлений компонентов газа обычно пользуются масс-спектрометрами; диапазон измерения парциальных давлений 10³- 10^-10 Па.

Лит.: Востров Г. А., Розанов Л. Н. Вакуумметры. М., 1967; Горшковский Я. Техника высокого вакуума. М., 1975; Кузьмин В. В., Левина Л. Е., Творогов И. В. Вакуумметрическая аппаратура техники высокого вакуума и течеискания. М., 1984.