БСЭ - Большая Советская энциклопедия (ВА)

Вакуумме'тр(от вакуум и ...метр ), вакуумный манометр, прибор для измерения давления разреженных газов. Принцип действия, описание устройства и назначения различных В. см. в ст. Вакуумметрия .

Вакуумме'трия(от вакуум и ...метрия ), совокупность методов измерения давления разреженных газов. Универсального метода измерений вакуума не существует. При измерении давления основываются на различных физических закономерностях, прямо или косвенно связанных с давлением или плотностью газа. Единица давления в Международной системе единиц (СИ) — ньютон на квадратный метр ( н / м 2). В вакуумной технике применяется также внесистемная единица мм рт. ст. 1 мм рт. cт. = 133,322 н / м 2. Измеряют вакуум вакуумметрами, каждый из которых имеет свой диапазон измерения давлений ( рис. 1 ). По устройству вакуумметры разделяются на жидкостные, механические (деформационные, мембранные и др.), компрессионные (например, вакуумметр Мак-Леода), тепловые (термопарный и теплоэлектрический), ионизационные, магнитные, электроразрядные, вязкостные, радиометрические. Этими вакуумметрами измеряют полное давление.

При оценке вакуума, помимо полного давления, часто необходимо измерять парциальные давления компонентов газа. Для этого пользуются некоторыми типами масс-спектрометров и специальными измерителями. В отличие от аналитических масс-спектрометров, измерители парциальных давлений не имеют собственной вакуумной системы и устанавливаются непосредственно на откачиваемых объёмах. Диапазон измерений парциальных давлений 10 3—10 -10 н / м 2(10— 10 -12 мм рт. ст. ).

В жидкостном (гидростатическом) вакуумметре ( рис. 2 ) газ давит на жидкость, находящуюся в U-oбразной трубке. В одном из колен находится газ при измеряемом давлении р в, а в другом — при известном (опорном) давлении р к. Если плотность жидкости r, то разность давления в коленах уравновесится столбом жидкости высотой h :

р в — p k = g r h ,

где g — ускорение свободного падения; обычно p k« р в. Применяемые жидкости (ртуть или вакуумные масла ) имеют малое парциальное давление пара при рабочей температуре и химически нейтральны по отношению к газам и материалу трубки. Жидкостные вакуумметры бывают с закрытым и открытым коленом, колокольные и др. Недостатки жидкостных вакуумметров: проникновение паров жидкости в вакуумную систему, небольшой диапазон измерения давлений с нижним пределом до 10 -1 н / м 2(10 -3 мм рт. ст .).

В механическом вакуумметре газ давит на чувствительный элемент (спиральную трубку, сильфон, мембрану). Например, в мембранном вакуумметре ( рис. 3 ) мембрана герметически отделяет вакуумную систему от объёма, в котором поддерживается постоянное опорное давление, обычно в 100—1000 раз меньше измеряемого. Деформация мембраны передаётся стрелке, передвигающейся по шкале. При измерении малых давлений для повышения чувствительности мембрану соединяют с электрическим датчиком. Механический вакуумметр обычно позволяет измерять давления до 10 2 н / м 2(1 мм рт. ст. ).

Компрессионным вакуумметром ( рис. 4 ) можно измерять более низкие давления 10 -3 н / м 2( 10 -5мм рт. ст. ). Действие такого вакуумметра основано на Бойля — Мариотта законе . Основные части прибора: баллон объёмом V, два капилляра одинакового диаметра d , один из которых запаян, и трубка, соединяющая прибор с системой, в которой измеряется давление; снизу вводится жидкость (в большинстве случаев ртуть), которая отсекает в объёме V газ при измеряемом давлении р и затем сжимает его до давления p 1³ р в малом объёме запаянного капилляра

где h — высота части капилляра, не заполненная жидкостью. Давление p 1определяется по разности уровней столбиков жидкости в запаянном и открытом капиллярах. По закону Бойля — Мариотта p = p 1 V 1/ V , таким образом измеряемое давление можно определить, если известны d и V .

Показания жидкостных, механических и компрессионных вакуумметров не зависят от природы газа.

Для измерения вакуума до 10 -2 н / м 2(10 -4 мм рт. ст. ) можно применять также и тепловой вакуумметр, принцип действия которого основан на зависимости теплопроводности разреженных газов от давления. Датчиком прибора служит герметичный баллон с проволокой, нагреваемой электрическим током. При изменении давления в системе изменяется отвод тепла от нити датчика и, следовательно, её температура (при постоянной мощности). Различают термопарные вакуумметры, температура нити которых измеряется присоединённой к ней термопарой, и теплоэлектрические вакуумметры сопротивления, температуру нити которых определяют по её электрическому сопротивлению.

В ионизационном вакуумметре газ ионизуется каким-либо источником постоянного ионизующего излучения. Интенсивность ионизации газа зависит от давления. В электронных ионизационных вакуумметрах ионизация производится потоком электронов. Обычно такой вакуумметр имеет три электрода ( рис. 5 ): катод К , анод А , создающие электрическое поле, которое ускоряет электроны и сообщает им энергию, необходимую для ионизации; отрицательный коллектор Кол , собирающий образующиеся в газе положит, ионы. Сила ионного тока в цепи коллектора служит мерой давления газа. Ионизационными вакуумметрами можно измерять вакуум в широких пределах (см. рис. 1 ). Сверхвысоковакуумным ионизационным вакуумметром, так называемой лампой Байярда-Альперта ( рис. 6 ), можно измерять давления в широких пределах. Этот вакуумметр имеет катод, находящийся снаружи, и коллектор, которым служит тонкая проволока, помещенная внутри анодной сетки. Таким вакуумметром можно измерять давления до 10 -8 н / м 2(10 -10 мм рт. ст. ). Ионизационный вакуумметр Лафферги ( рис. 7 ) работает в магнитном поле. Это позволяет удлинить пути электронов в рабочем пространстве и обеспечить высокую эффективность ионизации при очень малом электронном токе. Нижний предел измерений такого вакуумметра — 10 -11 н / м 2(10 -13 мм рт. ст. ). Для измерения давлений до 10 -5 н / м 2(10 -7 мм рт. ст. ) применяют ионизационный радиоизотопный вакуумметр ( альфатрон ), в котором ионизация газа осуществляется a-частицами.

В магнитном электроразрядном вакуумметре использована зависимость тока электрического разряда в магнитном поле от концентрации газа, а следовательно, и от его давления. Этими вакуумметрами также можно измерять сверхвысокий вакуум до 10 -12 н / м 2(10 -14 мм рт. cm. ). Вакуумметр ( рис. 8 ) состоит из преобразователя, имеющего 2 плоскопараллельные катодные пластины К и помещенный между ними кольцевой анод А , плоскость которого параллельна пластинам. Трубка расположена в магнитном поле постоянного магнита с напряжённостью Н = 32 ка / м (400 э ); направление поля перпендикулярно пластинам. Между электродами приложено напряжение U = 2—3 кв через сопротивление R = 1 Мом . Сила разрядного тока служит мерой давления и измеряется гальванометром Г. Совместное действие электрического и магнитного полей многократно удлиняет траектории электронов и увеличивает вероятность ионизации газа. Это приводит к возникновению и существованию самостоятельного разряда при очень низких давлениях. Первыми электроразрядными вакуумметрами измеряли давления до 10 -2 н / м 2(10 -4 мм pт . ст .), а современными электроразрядными вакуумметрами (в том числе выпускаемыми в СССР) — до 10 -12 н / м 2(10 -14 мм рт . ст .).