Оборудование для измерения давления Ulvac
Теория измерения давления в вакууме- Мульти ионизационный вакуумметр Ulvac G-TRAN SH2-1/SH2-2
- Емкостной мановакуумметр Ulvac G-Tran CCMT-D
- Вакуумметр Пирани Ulvac G-Tran SW1-1/SW1-2
- Вакуумметр Пирани Ulvac G-Tran SW1-1-ISG1 Combo
- Вакуумметр Пирани Ulvac G-Tran SP1
- Ионизационный вакуумметр с холодным катодом Ulvac G-Tran SС1
- Контроллеры вакуумметров Ulvac G-Tran IM1R1-IM2R1
- Контроллеры вакуумметров Ulvac G-Tran ISG1
Измерение давления необходимо для управления вакуумными технологическими процессами и обеспечения безопасности производства.
Давление на вакуумных технологических процессах ниже атмосферного, но при этом всегда остается положительным.
Согласно ГОСТ 5197–85 (или DIN28400 часть 1), вакуумом называют состояние газа или пара при давлении ниже атмосферного. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление.
В различных отраслях промышленности и техники используются различные единицы измерения давления: Па – Паскаль; мбара – миллибар; torr = мм рт. ст. – торр или миллиметр ртутного столба и т.д., в том числе выражающиеся в процентах % и в отрицательных значениях.
Системной единицей измерения давления является Па – Паскаль.
Выражение уровня вакуума в процентах или в отрицательных единицах применяется исключительно в технике, по аналогии с использованием избыточной или приборной шкалы измерений.
Использование данных единиц измерения может быть удобным в технике, но не имеет физического смысла и может применяться для ограниченного диапазона давлений.
Так если: Pvacuum=[101325 - (Pair - Pu)]/101325.100%,
где Pvacuum – давление вакуума, Pair – измеренное барометрическое давление (Па), Pu – измеренное с помощью вакуумметра давление (Па), то:
- 0% вакуума = 101.4 кПа = 760 мм. рт. ст. (тор) - все давления абсолютные;
- Идеальный вакуум (100%) – абсолютное давление в системе 0 МПа.
- 50% вакуума = 50.8 кПа = 380 мм. рт. ст. (тор) - все давления абсолютные;
- 99.9% вакуума = 1.3 кПа = 1 мм. рт. ст. (тор) - все давления абсолютные;
При использовании отрицательных значений в качестве точки нуля принимается атмосферное давление, то есть при котором процент вакуума соответствует нулевому значению. В данном случае за величину давления вакуума фактически принимается разность между давлением разреженного газа и давлением атмосферы.
Так как давление атмосферы имеет барометрический характер и меняется с высотой над уровнем моря, то трактовка величины вакуума в отрицательных значениях имеет исключительно утилитарный характер, связанный с удобством проведения работ в технологических процессах, протекающих на давлении ниже атмосферного и допустимым уровнем погрешности.
Из физики и разделов термодинамики идеального газа известна связь между величиной давления и концентрацией частиц газа, находящихся в единице объема:
P = n · k · T,
где k – константа Больцмана, T – температура, n – концентрация частиц в объеме.
Поскольку в пределах классических знаний и представлений о физике материи вещества, концентрация и масса вещества всегда остается положительной, то и давление должно оставаться положительным.
В большинстве электровакуумных приборов, например в ламповых телевизорах, которые совсем еще недавно были неотъемлемым атрибутом быта современного человека, кинескопы с электронной разверткой были откачаны до давления:
1 х 10-4 Pa = 1 х 10-6 mbar = 0.75 х 10-6 torr = 1,45 х 10-5 psia = ~ 2.5 x1010 молекул/см3
В 1999 году, в книгу рекордов Гиннесса было внесено минимальное значение, зафиксированное доступными средствами измерения давления, которое составило:
1 х 10-12 Pa = 1 х 10-14 mbar = 0.75 х 10-14 torr = 1.45 х 10-13 psia = ~ 250 молекул/см3
Расчетная величина давления на высоте нахождения космических орбитальных станций составляет:
~ 10-21 mbar = 0.000000000000000000001 mbar = ~ 4 атома водорода/м3
В науке вакуум также характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа λ и характерным размером сосуда d. Под d может приниматься расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т.п.
Т.е., на самом деле, различия в уровнях вакуума определяется различиями в характере столкновений: соударяется молекула практически только о стенки, или о стенки и другие молекулы, или преимущественно о другие молекулы.
Соотношение λ/d известно, как коэффициент Кнудсена ("Knudsen number"), Kn – отношение средней длины свободного пробега молекул газа (λ) к линейному размеру вакуумного устройства Lэф (расстояние между стенками сосуда или диаметр трубопровода, или расстояние между измерительными электродами).
Этот коэффициент безразмерный, но также может использоваться как другая мера глубины вакуума:
|
Низкий вакуум |
λ<< Lэф Kn < или = 5∙10-3 Давление 105…102 Па (103…100 мм рт. ст.) |
|
Средний вакуум |
λ ≥ Lэф 5∙10-3 < Kn < 1.5 Давление 102…10-1 Па (100…10-3 мм рт. ст.) |
|
Высокий вакуум |
λ > Lэф Kn ≥ 1.5 Давление 10-1…10-5 Па (10-3…10-7 мм рт. ст.) |
|
Сверхвысокий вакуум |
λ >> Lэф Kn >> 1.5 Давление 10-5 Па и ниже (10-7…10-11 мм рт. ст.) |
В большинстве случаев первичные преобразователи давления имеют неэлектрический выходной сигнал в виде силы или перемещения и объединены в один блок с измерительным прибором.
Если результаты измерений необходимо передавать на расстояние, то применяют промежуточное преобразование этого неэлектрического сигнала в унифицированный электрический или пневматический. При этом первичный и промежуточный преобразователи объединяют в один измерительный преобразователь. Вакуумметр – вакуумный манометр, прибор для измерения давления разреженных газов.
По принципу действия вакуумметры укрупненно можно подразделить на следующие типы:
 |
Деформационные – используется зависимость деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления. Пропорциональная давлению деформация или сила преобразуются в показания или соответствующие изменения выходного сигнала. Большинство деформационных манометров и дифманометров содержат упругие чувствительные элементы, осуществляющие преобразование давления в пропорциональное перемещение рабочей точки. В зависимости от используемого чувствительного элемента (материала мембраны) подразделяются на пьезорезисторные и емкостные. |
 |
Тепловые – терморезисторные или термопарные манометры. Принцип действия термопарных манометров основан на охлаждении чувствительного элемента за счёт теплопроводности газа. Термопара находится в контакте с нагреваемым проводом. Чем лучше вакуум, тем меньше теплопроводность газа, и, следовательно, выше температура проводника (теплопроводность разрежённого газа прямо пропорциональна его давлению). Проградуировав подключенный к термопаре милливольтметр при известных давлениях можно использовать измеряемое значение температуры для определения давления. К более современным тепловым вакуумметрам можно отнести терморезисторные датчики, которые работают в мостовой схеме, стремящейся поддерживать постоянное сопротивление (а значит температуру) терморезистора, открытого измеряемому давлению. Чем выше давление газа, тем большую мощность нужно подводить к терморезистору для поддержания неизменной температуры. Соответственно, между давлением и напряжением на датчике (током через него) имеется однозначная зависимость. Конвекционным вакуумметром называется терморезисторный датчик давления с повышенным до атмосферного диапазоном измеряемого давления. Это достигается за счет учета охлаждения за счет не только теплопроводности газа, но и конвекции, что вносит существенный вклад при давлениях, близких к атмосферному. |
 |
Электронные – ионизационные или магниторазрядные датчики давления. Принцип действия основан на ионизации газа. По сути, представляют собой вакуумный диод, на анод которого подано положительное, а на дополнительный электрод, называемый коллектором, большое отрицательное напряжение. При понижении давления газа уменьшается число атомов, способных подвергаться ионизации, и, соответственно, ионизационный ток (ток коллектора), текущий между электродами при данном напряжении. Подразделяются на вакуумметры с холодным катодом (Пеннинга и магнетронные) и с накаливаемым катодом. |
*-приведены символы обозначения датчиков вакуума согласно ГОСТ 2.796-95. ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Элементы вакуумных систем.
Сводная таблица вакуумметров Ulvac для измерения давления в вакуумных системах:
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова и ООО «ВАКТРОН» приглашают сотрудников предприятий принять участие в курсе повышения квалификации «Основы течеискания и вакуумной техники».