Лекция 3 1. Физические свойства (1 лекция)

Лекция 3
1. Физические свойства (1 лекция)
Термины
- Физические положения
- Единицы измерения давления
- Степени вакуума
- Обозначения в принципиальных вакуумных схемах
-
2. Измерение вакуума (1 лекция)
3. Получение вакуума (3 лекции)
4. Компоненты вакуумных систем (1 лекция)
1
Приборы, предназначенные для измерения давления, называются
манометрами.
Манометры, предназначенные для измерения давления ниже
атмосферного называются вакуумметрами.
Вакуумметры классифицируют:

по методу измерения давления

по принципу действия
По методу измерения вакууметры делятся на прямые и косвенные.
По принципу действия делятся на термопарные, ионизационные,
емкостные и др.
2
Вакууметры прямого действия измеряющие непосредственно давление, как
отношение силы к площади
Жидкостные
 Деформационные
 Грузопоршневые

Показания этих вакуумметров не зависят от рода газа.
Нижний предел измерений 1 Торр.
3
Вакууметры косвенного действия – основаны на использовании
зависимости некоторых физических процессов от давления.
Эти приборы измеряют параметры, связанные с давлением
определенной функциональной зависимостью.
Различают:
 Тепловые
 Ионизационные
 Вязкостные
 Радиометрические
Их показания зависят от рода газа.
Диапазон измерений и вид градуировочной характеристики
устанавливают по результатам градуировки для определенного
газа.
4
Диапазон и погрешность измерения различных
вакуумметров
ионизационные
магниторазрядные
тепловые
Ионизационные
электронные
1- ионизационные магнитные электроразрядные
2 – тепловые
3 – ионизационные электронные
4 – вязкостные
5 – деформационные
6 – жидкостные
5
2. Вакууметры прямого действия
2.1. Жидкостные U-образные вакуумметры
Работа основана на уравновешивании
измеряемого давления и давления столба
жидкости.
Измеряемое давление, Па:
р=ра-ρж*g*Δh
ра – атмосферное давление, ρж – плотность жидкости,
Δh – разность уровней.
Наиболее подходят жидкости с большой
плотностью – ртуть.
Для исключения действия капиллярных сил
диаметр трубки не менее 7 мм.
6
7
2. Вакууметры прямого действия
2.2. Деформационные вакуумметры
Давление определяется по деформации упругого элемента под
действием разности давлений.
Различают:

Трубчатые

Мембранные

Сильфонные
8
Трубчатые (Трубка Бурдона)
Чувствительный элемент – тонкостенная металлическая или кварцевая
трубка круглого или прямоугольного сечения, свернутая в спираль.
Деформация трубки приводит к движению стрелки, которая связана с
концом системой передач.
Диапазон измерения от 102 до 105 Па при точности 1% и времени
запаздывания 0.2 с.
Используется при высоких температурах
9
Сильфонные и мембранные вакуумметры
Давление определяется по деформации сильфона или мембраны
под действием разности давлений.
Пределы измерений датчиков типа ВС-Э1, МАС-Э1:
0,025- 0,1 МПа, класс точности до 0,6.
10
3. Вакуумметры косвенного действия
Вакууметр
Измерительный
преобразователь
давления
Измерительный
блок
Они состоят из
• измерительного преобразователя давления
• измерительного блока.
Преобразователь давления герметично присоединяется к
вакуумной камере.
11
3. Вакуумметры косвенного действия
3.1. Тепловые вакуумметры
Действие тепловых вакуумметров основано на зависимости
теплопроводности разряженного газа от давления.
Преобразователь теплового вакуумметра - баллон, внутри которого
расположен нагреваемый электрическим током чувствительный
элемент – обычно прямолинейная металлическая нить.
Температура нити накала зависит от тепловых потерь в
результате теплопроводности газа, которые тем больше, чем
выше давление.
Измерения температуры нити или мощности, необходимой для
поддержания этой температуры постоянной, позволяют определить
давление.
12
3.1. Тепловые вакуумметры
В стационарном состоянии при установившейся температуре нити имеет
место баланс мощностей:
Qэл = Qк + Qм + Qл
Qэл -электрическая мощность, подведённая к нити
Qк — мощность теплоотвода по конструктивным элементам манометра;
Qм — мощность, отводимая от нити соударяющимися с ней молекулами;
Qл — мощность, отводимая излучением.
Поскольку с ростом давления коэффициент теплопроводности газа
увеличивается, то и увеличиваются Qм и температура нити.
При постоянной электрической мощности, подведённой к нити Qэл,
температура нити зависит от давления.
13
Диапазон и погрешность измерения различных
вакуумметров
1- ионизационные магнитные электроразрядные
2 – тепловые
3 – ионизационные электронные
4 – вязкостные
5 – деформационные
6 – жидкостные
14
Термопарный преобразователь ПМТ
(преобразователь манометрический термопарный)
Температуру нити можно определить с
помощью термопары, прикрепленной к
нити.
1 – термопарный преобразователь,
2 - нагреваемая нить,
3 –термопара
Промышленность выпускает датчики:
ПМТ- 2 термопарный, стеклянный корпус,
ПМТ- 4 термопарный, стальной корпус
15
Термопарный преобразователь ПМТ
Диапазон от 105 до 10-2 Па
Постоянная времени 0.02 - 0.2 с
Точность ~10 - 20% от величины показания
Не чувствительны к разгерметизации, т.к. температура нити не
более +50 0С.
Датчики прочны, невысокие по стоимости.
Датчик необходимо градуировать для каждого газа
На показания датчика влияет температура других спаев
16
Градуировочная кривая термопарного датчика
ПМТ-2
1
0.1
0.01
0.001
17
Вакууметры косвенного действия состоят из
• измерительного преобразователя давления
• измерительного блока
Вакуумметр
ионизационнотермопарный
ВИТ-1А
Технические характеристики
Давление в пределах 0.2 - 1·10–3 мм рт. ст. измеряется термопарой
манометрической лампой ПМТ-2
Давление в пределах 1·10–3 до 1·10–7 мм рт. ст. измеряется ионизационной
манометрической лампой ПМИ-2.
18
Вакуумметр ионизационно-термопарный ВИТ-2
19
Блок индикации и регулирования давления
термопарный ИРДТ-2
Блок предназначен для измерения, индикации и регулирования давления в
вакуумных установках.
ИРДТ-2 измеряет давление в комплекте с первичными манометрическими
преобразователями типа ПМТ-2 и обеспечивает регулирование давления
путем управления клапаном натекателя, имеющим дискретное или
аналоговое управление.
20
Блок индикации и регулирования давления
термопарный ИРДТ-2
Основные характеристики:
Количество каналов измерения и индикации – 2;
Тип регулирования по выбору:
- ручное дискретное;
- ручное аналоговое;
- автоматическое 2-хпозиционное;
- автоматическое широтно-импульсное;
- автоматическое аналоговое
Уровень выходных аналоговых сигналов 0… 10 В;
Количество каналов регулирования — 1;
Количество каналов блокировки — по 2 на каждом канале измерения;
Интерфейс связи с внешними устройствами RS2З2
21
3.1. Тепловые вакуумметры
Терморезисторный преобразователь
Температуру нити можно определить путем
измерения ее сопротивления (датчик
Пирани - терморезистивный)
2 - нагреваемая нить,
4 – терморезисторный преобразователь.
22
Преобразователь манометрический
терморезисторный ПМТ-6-3М-1
Предназначен для контроля давлений в диапазоне 0.27 – 105 Па
Преобразователь представляет собой тонкостенный
цилиндрический баллон из нержавеющей стали и смонтированный
вдоль его оси нагреватель из платиновой проволоки диаметром 12
мкм и длиной 8 см. (R = 116,5 Ом).
Присоединяются к вакуумной системе через «грибковое»
(штуцерное) соединение ДУ-16 с резиновым уплотнением.
Работает в комплекте с вакуумметрами ВТБ-1, ВТБ-2.
23
Преобразователь манометрический
терморезисторный ПМТ-6-3М-1
Режим работы преобразователя – режим постоянной температуры,
которую контролируют по электрическому сопротивлению
преобразователя.
24
Преобразователь манометрический
терморезисторный ПМТ-6-3Ф
Этот прибор предназначен для работы в прогреваемых
установках.
Диапазон измеряемых давлений от 0,4 до 105 Па
Преобразователь состоит из тонкостенного
цилиндрического баллона из нержавеющей стали и
смонтированного вдоль его оси нагревателя из платиновой
проволоки диаметром 12 мкм и длиной 8 см.
.
Преобразователь смонтирован на фланце ДУ-20 с
металлическим уплотнением, которым и присоединяется к
установке.
25
Конвекционный вакуумметр
Конвекционный вакуумметр представляет
собой терморезисторный вакуумметр
Пирани с расширенным верхним
диапазоном измерения давлений.
Это достигается учетом влияния на
температуру датчика не только
теплопроводности, но и конвекции газа.
Диапазон измерения давления у конвекционных датчиков составляет:
10-2 Па … 133 кПа.
26
3. Вакуумметры косвенного действия
3.2. Ионизационные вакуумметры
Принцип их действия основан на ионизации молекул газов электронами,
эмитированными катодом, и измерении ионного тока, величина которого
зависит от давления газов.
Имеется три типа преобразователей:
 Электронные ионизационные, в которых ионизация газа осуществляется
ускоренными электронами
Магнитные электроразрядные – в которых ионизация газа
осуществляется при электрическом разряде в магнитном поле (датчик
Пеннинга).

Радиоизотопные, в которых для ионизации применяется излучение
изотопа

27
Диапазон и погрешность измерения различных
вакуумметров
ионизационные
магниторазрядные
тепловые
Ионизационные
электронные
1- ионизационные магнитные электроразрядные
2 – тепловые
3 – ионизационные электронные
4 – вязкостные
5 – деформационные
6 – жидкостные
28
Электронный ионизационный преобразователь
Упрощенная схема включения
ионизационного преобразователя:
1 – катод;
2 – анод (сетка);
3 – коллектор ионов;
4 – прибор для
измерения ионного тока;
5 – миллиамперметр;
6 – реостат
Вольфрамовый катод при нагреве испускает электроны, которые под действием
электрического поля ускоряются по направлению к аноду, создавая электрический ток.
Так как анод (сетка) достаточно проницаем, то значительная часть электронов
пролетает между его витками в пространство между сеткой и коллектором ионов, где,
в основном, и происходит ионизация газа электронами.
Образующиеся положительные ионы ускоряются к коллектору ионов,
создавая в его цепи ионный ток.
29
Электронный ионизационный преобразователь
Конструкция электронного ионизационного преобразователя:
1 – баллон; 2 – коллектор ионов; 3 – сетка; 4 – катод
Преобразователь манометрический
ионизационный ПМИ-3-2
Преобразователь предназначен для измерения давления
от 1 до 10-5 Па в металлических установках, прогреваемых
до +400 0С.
Электродная система преобразователя смонтирована на
фланце ДУ-50 и состоит из прямонакального катода,
анодной сетки и цилиндрического никелевого коллектора
ионов.
Катод выполнен воздухостойким и сделан из иридиевой
проволоки, с покрытием двуокиси иттрия, благодаря чему
этот преобразователь имеет повышенный срок службы и
более широкий диапазон измеряемых давления (по
сравнению с ПМИ-2).
Преобразователь применяется в комплекте вакуумметров
ВИТ-2 и ВИТ-3.
31
Вакууметры косвенного действия состоят из
• измерительного преобразователя давления
• измерительного блока.
Вакуумметр
ионизационнотермопарный
ВИТ-1А
Технические характеристики
Давление в пределах 0.2 - 1·10–3 мм рт. ст. измеряется термопарой
манометрической лампой ПМТ-2
Давление в пределах 1·10–3 до 1·10–7 мм рт. ст. измеряется
ионизационной манометрической лампой ПМИ-2.
32
Блок индикации и регулирования давления
ионизационный ИРДИ-2
Блок предназначен для индикации и регулирования давления в вакуумных
установках. ИРДИ-2 работает в комплекте с манометрическим
преобразователем ПМИ-2.
Основные характеристики:
- цифровая индикация давления и диапазоне от 8х10-1 Па до 1,3х10-3 Па;
- индикация значения тока эмиссии, режимов работы блока и информации о нештатных
ситуациях (обрыв цепей накала или анода манометрического преобразователя,
отклонение тока эмиссии, давление больше предельного и др.);
- формирование дискретных сигналов по двум каналам блокировки и по двум
информационным каналам;
- местное и дистанционное управление включением (отключением) режимов измерения и
регулирования давления;
- ручное и автоматическое регулирование давления в комплекте с клапаном натекателем
с дискретным или аналоговым управлением;
- интерфейс связи с внешними устройствами RS2З2.
33
Магнитные электроразрядные преобразователи
Манометр Пеннинга
N
S
N
S
Чувствительность манометра можно
увеличить еще на 2–3 порядка, если
поместить его датчик в магнитное поле.
При этом, за счет движения электронов по
спирали в магнитном поле, увеличивается эффективность ионизации
молекул газа (индукция В ≈ 0,1 Тл)
Диапазон давления 10-5 - 10-2 Па.
постоянная времени 0,5 с.
34
Магнитные электронные преобразователи
Принцип их действия основан на зависимости тока
самостоятельного газового разряда в скрещенных
магнитном и электрическом полях от давления.
Ионизация газа в них осуществляется не
электронами, эмитированными накаленным катодом,
а обеспечивается и поддерживается благодаря
разряду между холодными электродами.
Преобразователь магнитного электроразрядного
манометра и схема измерительного блока:
1 – корпус (катод); 2 – кольцевой
анод; 3 – балластное сопротивление;
4 – постоянный магнит; 5 – измерительный
прибор
35
Преобразователь магнитный электроразрядный
ПММ-32-1
Прибор ПММ-32-1 является газоразрядным
преобразователем инверсно-магнетронного типа.
Диапазон от 10-7 до 1 Па.
Анод - центральный стержень, катод – цилиндрический
постоянный магнит, создающий в зазоре его полюсных
наконечников индукцию 0,1 Тл.
Анод и катод (магнит) изолированы от корпуса. В
нормальном рабочем режиме на анод подается
напряжение +2500 В; разрядный ток, служащий мерой
давления, измеряется в цепи катода.
Преобразователь рассчитан на применение в установках
высокого и сверхвысокого вакуума в комплекте
вакуумметров ВМБ-8, ВМБ-14 и ВМЦБ-12.
36
3. Вакуумметры косвенного действия
3.3. Емкостные вакуумметры
vm  e
C1  C2
C1  C2
vm  e(d / D0 )   E (d / D0 ) cos t
При смещении мембраны из ее начального положения в плоскости
симметрии емкости изменяются пропорционально соответственно
1/(D+d) и 1/(D-d).
37
3.4. Емкостные вакуумметры
диапазон измерения от 10-2 Па до 105..106 Па
точность 0.1..0.03% от величины показания
отклонение от линейности 0,02%
разрешение до 10-5 от верхнего предела измерений
постоянна запаздывания от миллисекунд до 0.1 с
одна модель обеспечивает измерения вакуума в пределах 4..5
порядков
38
Особенности емкостных вакуумметров
один и тот же газ по обе стороны мембраны (диэлектрическая постоянная),
нежелателен частично ионизованный газ
высокая чувствительность,
отличное разрешение,
Выпускается промышленностью серия «Сапфир»
39
Вакууметры с источником
ионизирующего излучения
источник -частиц 5 – соли радия или полония
с активностью порядка 100 мкКи
коллектор ионов 3 заряжается отрицательно
по отношению к камере (50..100 В).
давления от 10-2 до 103 Па
чувствительность зависит о природы газа
верхний предел повышение рекомбинации
ион-электрон
нижний – остаточный ток вторичных
электронов, высвобождающихся в результате
бомбардировки коллектора -частицами
40
3. Вакууметры косвенного действия
3.5. Пьезорезистивные вакуумные датчики
Пьезорезистивные вакуумные датчики служит для точного (по сравнению с
тепловыми) измерения вакуума в диапазоне 0.2 – 2105 Па
Пьезорезистивный принцип действия:
измеряемое давление, подаваемое во
входную камеру датчика, вызывает
деформацию измерительной мембраны,
что, в свою очередь, приводит к деформации
резисторов,
изменению их сопротивления
и разбалансировке измерительного моста.
41
3.5. Пьезорезистивные вакуумные датчики
Давление вызывает деформацию
керамической мембраны, на которой
нанесены толстопленочные резисторы.
В результате изменяются величины
сопротивлений этих резисторов, включенных в
мостовую схему.
Это изменение сопротивлений с помощью
электронной схемы преобразуется в
напряжение, пропорциональное величине
давления.
42
3.5. Пьезорезистивные вакуумные датчики
Измерение деформации резисторов, сформированных в эпитаксиальной
пленке кремния на подложке из сапфира (КНС), припаянной твердым
припоем к титановой мембране.
Чувствительным элементом служит мембрана с резисторами, соединенными в
мостовую схему.
Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, резисторы
меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона.
Разбаланс зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от
приложенного давления.
43
Кремниевый интегральный преобразователь
давления
Кремниевый интегральный преобразователь давления (ИПД) представляет
собой мембрану из монокристаллического кремния с диффузионными
резисторами, подключенными в мост Уинстона.
44
Кварцевый преобразователь давления
Принцип действия датчика основан на преобразовании измеряемого
давления в изменение частоты кварцевого пьезорезонатора, включенного в
схему кварцевого генератора электронного блока.
Электронный блок преобразует изменение частоты пьезорезонатора в
изменение выходного сигнала.
45
Широкодиапазонный вакуумметр СС-10
Диапазон измерений 760 - 10-9 Topp
Компактный широкодиапазонный со
встроенным цифровым дисплеем.
Для измерения вакуума прибор использует
два датчика:
в диапазоне 760 - 10-2 Торр работает
высоконадежный кристаллический
кварцевый датчик
в диапазоне 10-2 до 10-9 Торр используется
двойной инверсно-магнетронный датчик с
холодным катодом.
46
Широкодиапазонный вакуумметр СС-10
Низковакуумный датчик (760 - 10-2 Торр) представляет собой кварцевый
резонатор, подобный тому, который используется в наручных кварцевых
часах.
47
Описание встроенных датчиков вакуума вакуумметра СС-10
Двойной инверсно-магнетронный датчик с холодным катодом измеряет
давление, ионизируя остаточный газ в ионизационной камере.
Циллиндрический корпус датчика используется как катод и на него
продается нулевой потенциал, на анод, расположенный в центре
ионизационной камеры при работе подается потенциал более +4 кВ.
Магнитная система удерживает свободные электроны в области датчика,
заставляя их двигаться по кругу внутри цилиндрического катода.
48
Широкодиапазонный вакуумметр СС-10
Для настройки прибора используется
миниатюрная сенсорная панель
управления.
Показания давления отображаются на
дисплее, три световых индикатора
предназначены для индикации состояния
реле вакуума.
Вакуумметр СС-10 оснащен линейным
выходом 0-10 В и цифровым интерфейсом
RS 485 в стандартной комплектации.
49