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 – 2105 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