Meranie vákua

Tenkosť plynu možno opísať aj molekulárnou hustotou plynu (počet molekúl plynu na jednotku objemu) n. Pre ideálnu molekulu plynu v dokonalej rovnováhe je P = nkT, k Boltzmannova konštanta a T je absolútna teplota. Zariadenie na meranie stupňa vákua sa nazýva vákuomer a prvok vákuomeru citlivý na tlak sa nazýva meracia hlavica. Niektoré vákuomery môžu priamo merať celkový tlak plynu. Aj keď niektoré vákuomery poskytujú aj údaje o tlaku, skutočným meraním je molekulárna hustota plynu a výsledky merania súvisia s teplotou okolia. Keď je v nádobe viacero zložiek plynu súčasne, celkový tlak plynu v nádobe sa rovná súčtu parciálnych tlakov každého plynu. Metódy merania celkového tlaku možno rozdeliť do dvoch typov: priama metóda a nepriama metóda. Priama metóda využíva princípy rozdielu v stĺpci kvapaliny a mechanickej deformácie na priame meranie tlaku, vrátane tlakomerov hladiny kvapaliny, kompresných vákuomerov a vákuomerov s elastickými prvkami. Podľa fyzikálnych veličín nameraných prvými dvoma prístrojmi sa dá vypočítať hodnota tlaku, ktorá patrí do absolútneho vákuometra. Nepriama metóda využíva na meranie tlaku niektoré fyzikálne vlastnosti plynu (ako je vedenie tepla, viskozita, ionizácia a rozptyl svetla atď.), vrátane teplovodivého vákuometra, viskózneho vákuometra a ionizačného vákuometra. Prevažná väčšina vákuomerov používaných vo vákuovej technike využíva nepriamu metódu a tieto vákuomery musia byť kalibrované absolútnym vákuomerom alebo inými metódami. Pre vákuomer meraný nepriamou metódou sa v dôsledku rôznych fyzikálnych vlastností rôznych typov plynov, dokonca aj pri rovnakom tlaku, hodnoty tlaku líšia v závislosti od plynu, preto by sa mal kalibrovať zodpovedajúcim plynom. Keď meraný plyn nie je jednou zložkou, význam týchto hodnôt vákuového manometra je komplikovanejší. Keďže plynom používaným pri všeobecnej kalibrácii vákuového merača je čistý dusík, hodnoty týchto vákuových meračov sa súhrnne označujú ako ekvivalentný tlak dusíka predtým, ako sú korigované podľa typu plynu. Keď meraný priestor obsahuje rôzne zložky plynu, iba meranie parciálneho tlaku môže presne odrážať stav vákua a celkový tlak v nádobe

Bežné vákuomery

1. Vákuový merač tepelnej vodivosti

Tlak plynu sa meria na princípe, že tepelná vodivosť plynu sa mení s rôznymi tlakmi. V tomto type vákuového merača prechádza určitý vykurovací prúd cez meraciu hlavu vybavenú horúcim drôtom a teplota horúceho drôtu je určená rovnováhou medzi zahrievaním a rozptylom tepla. Kapacita rozptylu tepla je funkciou tlaku plynu, takže teplota horúceho drôtu sa mení s tlakom. Ak sa na meranie teploty horúceho drôtu použije prídavný termočlánok, táto meracia hlava sa nazýva termočlánkové meradlo; ak sa hodnota odporu samotného horúceho drôtu používa na vyjadrenie teploty, nazýva sa to odporový alebo Piraniho meradlo. Vedenie tepla plynu sa mení iba s tlakom pri nízkom tlaku (P<100 Pa) a vedenie tepla plynu nie je hlavnou metódou rozptylu tepla, keď je nízke ako 10-1 Pa. Preto sa vákuomer na vedenie tepla používa hlavne v rozsah 100-10-1 Pa. Špeciálne opatrenia môžu rozšíriť rozsah merania. Indikácia teplovodivého vákuometra nesúvisí len s typom plynu, ale je tiež ľahko ovplyvnená faktormi, ako je povrchová kontaminácia vykurovacieho drôtu, teplota okolia atď., takže presnosť nie je vysoká a je len používa sa na indikáciu hrubého vákua.

2. Vákuomer Pirani

Jeho pracovný princíp je: stupeň vákua je iný, počet molekúl vzduchu na jednotku objemu je iný, schopnosť vyhrievacieho odporového drôtu odoberať teplo (kapacita odvádzania tepla) je odlišná a teplota odporového drôtu je odlišná. , pretože rezistivita odporového drôtu je teplota. Preto rôzne stupne vákua spôsobujú rôzny odpor, potom je odpor odlišný a úbytok napätia prúdu na odporovom drôte je iný. Podľa zmeny napätia je možné previesť tlak vzduchu, to znamená, že sa meria stupeň vákua. Skutočný vákuomer Pirani je zvyčajne vyrobený ako štvorramenný mostík a v sérii s ním je odporový drôt na kompenzáciu teploty.

3. Kapacitný filmový vákuomer

Je to vákuomer s elastickým prvkom a elastická fólia rozdeľuje regulačnú vákuovú komoru na dve malé komory, a to referenčnú tlakovú komoru a meraciu komoru. Pri meraní nízkeho tlaku (P<100Pa) je referenčná komora evakuovaná do vysokého vákua a jej tlak je približne nulový. Keď je tlak v meracej komore iný, stupeň deformácie membrány je tiež odlišný. V meracej komore je stacionárna elektróda, ktorá tvorí s membránou kondenzátor. Keď sa fólia deformuje, hodnota kapacity sa zodpovedajúcim spôsobom zmení a zmena kapacity sa môže merať cez kapacitný mostík, aby sa určila zodpovedajúca hodnota tlaku. Aby sa zabránilo tečeniu filmu, zvyčajne sa na meranie používa metóda nulovej polohy, to znamená, že medzi pevnú elektródu a film sa aplikuje jednosmerné napätie a elektrostatická sila sa používa na kompenzáciu napätia generovaného tlakom. rozdiel fólie, aby sa membrána udržala v nulovej polohe. Kapacitný filmový vákuomer môže priamo merať tlak plynu alebo pár. Nameraná hodnota nemá nič spoločné s druhom plynu, štruktúra je pevná, znesie aj pečenie. Ak sa použijú rôzne meracie hlavy pre rôzne rozsahy tlaku, možno dosiahnuť vyššiu presnosť. Kapacitné filmové vákuomery možno použiť na monitorovanie vysoko čistého plynu, presné meranie s nízkym vákuom a kontrolu tlaku a možno ich použiť aj ako sekundárny štandard na meranie s nízkym vákuom.

4. Ionizačný vákuomer

Skrátene ionometer, využíva princíp ionizácie plynu na meranie tlaku. Ionizačné vákuomery sú rozdelené do dvoch kategórií: horúca katóda a studená katóda. V meracej hlave ionizačného vákuového merača s horúcou katódou sú zvyčajne tri elektródy, a to katóda, anóda a kolektor, ktoré zohrávajú úlohu emitovania elektrónov, urýchľovania elektrónov a zberu iónov. Elektróny ionizujú plyn v procese prechodu z katódy na anódu. Ak sa ignoruje sekundárny ionizačný efekt (to znamená, že nové elektróny generované v procese ionizácie sú urýchlené elektrickým poľom a získavajú ionizačnú schopnosť a spôsobujú novú ionizáciu), každý elektrón emitovaný z katódy je ionizovaný. Počet vytvorených kladných iónov je úmerný hustote plynu v priestore, a teda úmerný tlaku pri určitej teplote. Preto iónový prúd Ii=SIeP prijímaný kolektorom, Ie je katódový elektrónový emisný prúd a S je konštanta úmernosti, ktorá sa nazýva koeficient ionometra. Po overení koeficientu ionizačného merača bežným vákuomerom pri určitej teplote možno určiť tlak podľa veľkosti iónového prúdu. Hlavný typ ionizačnej meracej hlavy s horúcou katódou Katóda je vo všeobecnosti vyrobená z volfrámového drôtu a anóda môže byť vyrobená do mriežky, takže elektróny sa môžu pohybovať tam a späť na oboch stranách, aby sa zvýšil pohyb elektrónov, takže je tiež nazývaná mriežka. Kolektor triódového ionometra je valcový a umiestnený mimo mriežky a jeho rozsah merania tlaku je 10-1 až 10-5 Pa. Pri pracovnom tlaku vyššom ako 10-1 Pa sa životnosť volfrámového drôtu skracuje, a vzťah medzi prúdom iónov a tlakom sa začína odchyľovať od linearity v dôsledku sekundárneho ionizačného efektu. Katódy s irídiovým vláknom potiahnuté oxidom tória alebo oxidom ytria môžu pracovať pri tlakoch až 100 Pa a majú pomerne dlhú životnosť a vlákno sa nepoškodí ani pri zahrievaní v atmosfére. Ak ionizačná meracia hlava prijme toto vlákno a anóda a kolektor sú vyrobené do špeciálnych tvarov, vzdialenosť medzi elektródami sa skráti, anódové napätie sa zníži a pravdepodobnosť ionizácie plynu sa zníži (to znamená koeficient ionizačného meradla je znížená), potom môže byť toto ionizačné meradlo Meranie tlaku 10-3 až 100 Pa sa nazýva vysokotlakový ionizačný merač. Spodná hranica intenzity nízkeho napätia nameraná triódovým ionizačným meračom je určená fotoprúdom kolektora, to znamená, že v dôsledku fotoemisie spôsobenej mäkkým röntgenovým žiarením generovaným elektrónom dopadajúcim na anódu ožarujúcu kolektor, fotoprúd tvorí pozadie kolektorového prúdu. Keď fotoprúd predstavuje 10 % iónového prúdu, dosiahne sa spodná hranica merania ionometra. Zberač ionizačnej meracej hlavy je vyrobený do vlákna a umiestnený na osi mriežky. Vlákno je umiestnené mimo mriežky. V tomto čase sa citlivosť ionizačného meradla príliš nemení a kvôli malej ploche kolektora je ním zachytený röntgenový lúč menší ako triódový typ o tri rády menší, tento ionometer dokáže merať tlaky až na 10-8 Pa. Navrhli ho Bayard a Albert v roku 1950, preto sa nazýva BA. Na meranie tlaku 10-9 Pa alebo nižšieho možno použiť modulovaný BA meter, pólový ionizačný meter, zakrivený stĺpcový ionizačný meter alebo magnetrónový ionizačný meter s horúcou katódou. Tieto ionometre tiež do určitej miery vylučujú vplyv hradlových elektrónmi indukovaných desorbovaných iónov na merania tlaku