Вакуумметр как прибор для измерения давления¶

Вакуумметр — прибор для измерения давления разрежённых газов, то есть давлений ниже атмосферного. В отличие от манометров, работающих при избыточном давлении, вакуумметры охватывают диапазон от атмосферного давления (около 10⁵ Па) до глубокого вакуума (10⁻¹⁰ Па и ниже). Поскольку единого физического принципа, пригодного для всего этого интервала, не существует, на практике применяют несколько типов приборов, каждый из которых работает в своём поддиапазоне.

¶История

Первые приборы для измерения разрежения появились в XVII веке вместе с исследованиями атмосферного давления. Ртутный барометр Эванджелисты Торричелли (1643) фактически позволял оценивать давление ниже атмосферного, если трубку соединяли с откачиваемым объёмом. В 1640-х годах Отто фон Герике с помощью воздушного насоса демонстрировал «магдебургские полушария», а его опыты требовали хотя бы грубой оценки степени откачки.

Систематическое развитие вакуумметрии началось в XIX веке с изобретением ртутных манометров и компрессионного манометра Мак-Леода (1874), долгое время служившего эталоном. В XX веке, с развитием электроники и вакуумной техники, появились тепловые и ионизационные преобразователи, позволившие измерять высокий и сверхвысокий вакуум. В СССР и России разработкой вакуумметров занимались предприятия электронной и приборостроительной отраслей; серийные модели выпускались, в частности, для нужд микроэлектроники, металлургии и космической техники.

¶Классификация

По принципу действия вакуумметры делят на несколько групп.

¶Жидкостные

Простейший тип: измеряют разность уровней жидкости (ртуть, масло) в U-образной трубке. Диапазон — от атмосферного давления до примерно 10² Па. Точны и просты, но громоздки и непригодны для глубокого вакуума.

¶Деформационные

Используют упругий чувствительный элемент — мембрану, сильфон или трубку Бурдона. Мембранные вакуумметры применяются в диапазоне от 10⁵ до 10⁻¹ Па, устойчивы к загрязнению и агрессивным средам.

¶Тепловые (термопарные и сопротивления)

Основаны на зависимости теплопроводности газа от давления. Термопарный преобразователь измеряет температуру нагретой нити, а преобразователь сопротивления — её электрическое сопротивление. Рабочий диапазон — примерно от 10³ до 10⁻¹ Па.

¶Ионизационные

Регистрируют ионный ток, возникающий при ионизации газа электронами или излучением. Позволяют измерять высокий и сверхвысокий вакуум — вплоть до 10⁻¹⁰ Па. Делятся на электронные (с горячим катодом) и магнетронные (с холодным катодом).

¶Специальные

К ним относят вязкостные, радиоизотопные, электроразрядные и другие преобразователи, применяемые в узких задачах.

¶Устройство и характеристики

Типовой вакуумметр состоит из первичного преобразователя (датчика), который находится в откачиваемом объёме, и вторичного прибора, отображающего показания. Важнейшие характеристики:

диапазон измерений — от верхнего до нижнего предела давления;
чувствительность — минимальное регистрируемое изменение давления;
погрешность — обычно от единиц до десятков процентов, поскольку для многих типов вакуумметров нужна индивидуальная градуировка по роду газа;
быстродействие и стойкость к загрязнению, вибрации, агрессивным средам.

Существенное свойство: показания тепловых и ионизационных приборов зависят от состава газа. Поэтому их градуируют по азоту или воздуху, а при работе с другими газами вводят поправочные коэффициенты. Для получения достоверных данных в широком диапазоне нередко объединяют два-три преобразователя в одном корпусе — так называемые комбинированные (широкодиапазонные) вакуумметры.

¶Применение

Вакуумметры необходимы всюду, где создаётся пониженное давление:

в микроэлектронике — при напылении, травлении, литографии;
в металлургии — при вакуумной плавке и дегазации стали;
в научных исследованиях — в ускорителях, масс-спектрометрах, криогенных установках;
в космической технике — при испытаниях аппаратов в условиях, имитирующих космос;
в медицине и пищевой промышленности — при вакуумной упаковке, сублимационной сушке;
в холодильной и криогенной технике.

От точности измерения давления напрямую зависит воспроизводимость технологических процессов, поэтому вакуумметры часто включают в автоматические системы контроля и управления откачкой.

¶Поверка и эталоны

Как и любые средства измерений, вакуумметры подлежат поверке. В России эту функцию выполняют метрологические институты, использующие эталонные установки: ртутные компрессионные манометры, динамические расширительные системы и эталонные ионизационные преобразователи. Прослеживаемость к государственному первичному эталону обеспечивает единство измерений в вакуумной технике.

¶Интересные факты

Компрессионный манометр Мак-Леода был абсолютным прибором: его показания не зависели от рода газа, поэтому он долго служил эталоном.
В сверхвысоком вакууме длина свободного пробега молекул может достигать километров, а с поверхности камеры непрерывно выделяются газы, что ограничивает достижимый предел.
Один широкодиапазонный вакуумметр способен охватывать до 12 порядков величины давления — от атмосферного до 10⁻¹⁰ Па.

Источники: учебная и справочная литература по вакуумной технике, материалы по физике вакуума и метрологии средств измерения давления.