Vakuummätning

Tunnheten hos en gas kan också beskrivas av gasens molekyldensitet (antalet gasmolekyler per volymenhet) n. För en ideal gasmolekyl i perfekt jämvikt är P=nkT, k Boltzmann-konstanten och T är den absoluta temperaturen. Anordningen för att mäta graden av vakuum kallas en vakuummätare, och det tryckkänsliga elementet i vakuummätaren kallas ett mäthuvud. Vissa vakuummätare kan direkt mäta det totala gastrycket. Även om vissa vakuummätare också ger tryckavläsningar, är den faktiska mätningen gasens molekylära densitet, och mätresultaten är relaterade till den omgivande temperaturen. När det finns flera gaskomponenter i behållaren samtidigt är det totala gastrycket i behållaren lika med summan av partialtrycken för varje gas. De totala tryckmätmetoderna kan delas in i två typer: direkt metod och indirekt metod. Den direkta metoden använder principerna för vätskekolonnskillnad och mekanisk deformation för att direkt mäta trycket, inklusive vätskenivåtryckmätare, kompressionsvakuummätare och elastiska elementvakuummätare. Enligt de fysikaliska storheter som mäts av de två första instrumenten kan tryckvärdet beräknas, vilket hör till den absoluta vakuummätaren. Den indirekta metoden använder vissa fysiska egenskaper hos gas (såsom värmeledning, viskositet, jonisering och ljusspridningseffekter etc.) för att mäta tryck, inklusive värmeledningsvakuummätare, viskös vakuummätare och joniseringsvakuummätare. De allra flesta vakuummätare som används inom vakuumteknik använder den indirekta metoden, och dessa vakuummätare måste kalibreras med absoluta vakuummätare eller andra metoder. För vakuummätaren som mäts med den indirekta metoden, på grund av de olika fysikaliska egenskaperna hos olika typer av gaser, även under samma tryck, varierar tryckavläsningarna med gasen, så den bör kalibreras med motsvarande gas. När gasen som mäts inte är en enskild komponent är innebörden av dessa vakuummätares avläsningar mer komplicerad. Eftersom gasen som används vid allmän kalibrering av vakuummätare är rent kväve, hänvisas avläsningarna av dessa vakuummätare till som ekvivalent kvävetryck innan de korrigeras av gastypen. När det uppmätta utrymmet innehåller en mängd olika gaskomponenter kan endast partialtrycksmätningen exakt återspegla vakuumtillståndet och det totala trycket i behållaren

Vanliga vakuummätare

1. Vakuummätare för värmeledningsförmåga

Gastrycket mäts enligt principen att gasens värmeledningsförmåga ändras med olika tryck. I denna typ av vakuummätare passerar en viss värmeström genom mäthuvudet som är försett med en varm tråd, och temperaturen på den heta tråden bestäms av balansen mellan uppvärmning och värmeavledning. Värmeavledningsförmågan är en funktion av gastrycket, så temperaturen på den heta tråden varierar med trycket. Om ett extra termoelement används för att mäta temperaturen på den heta tråden, kallas detta mäthuvud en termoelementmätare; om motståndsvärdet för själva den heta tråden används för att reflektera temperaturen, kallas det en motståndsmätare eller en Pirani-mätare. Gasvärmeledning ändras endast med tryck vid lågt tryck (P<100 Pa), och gasvärmeledning är inte den huvudsakliga värmeavledningsmetoden när den är så låg som 10-1 Pa. Därför används värmeledningsvakuummätaren främst i intervallet 100-10-1 Pa. Specialåtgärder kan utöka mätområdet. Indikationen på värmeledningsvakuummätaren är inte bara relaterad till typen av gas, utan påverkas också lätt av faktorer som ytförorening av värmetråden, omgivningstemperatur etc., så noggrannheten är inte hög, och det är bara används för grov vakuumindikering.

2. Pirani vakuummätare

Dess arbetsprincip är: vakuumgraden är annorlunda, antalet luftmolekyler per volymenhet är olika, värmemotståndstrådens förmåga att ta bort värme (värmeavledningskapacitet) är annorlunda, och temperaturen på motståndstråden är annorlunda , eftersom motståndstrådens resistivitet är temperaturen. Därför orsakar olika grader av vakuum olika resistivitet, då är motståndet annorlunda, och spänningsfallet för strömmen på motståndstråden är annorlunda. Enligt spänningsändringen kan lufttrycket omvandlas, det vill säga graden av vakuum mäts. Den faktiska Pirani vakuummätaren görs i allmänhet till en fyrarmad brygga, och det finns en motståndstråd för temperaturkompensation i serie med den.

3. Kapacitiv filmvakuummätare

Det är en elastisk elementvakuummätare, och den elastiska filmen delar upp den reglerande vakuumkammaren i två små kammare, nämligen referenstryckkammaren och mätkammaren. Vid mätning av lågt tryck (P<100Pa) evakueras referenskammaren till ett högt vakuum och dess tryck är ungefär noll. När trycket i mätkammaren är annorlunda, är graden av membrandeformation också olika. Det finns en stationär elektrod i mätkammaren, som bildar en kondensator med membranet. När filmen deformeras ändras kapacitansvärdet i enlighet med detta, och kapacitansändringen kan mätas genom kapacitansbryggan för att bestämma motsvarande tryckvärde. För att förhindra att filmen kryper, används vanligtvis nollpositionsmetoden för mätning, det vill säga en likspänning appliceras mellan den fasta elektroden och filmen, och den elektrostatiska kraften används för att kompensera spänningen som genereras av trycket skillnaden mellan filmen för att hålla membranet i nollläge. Kapacitansfilmvakuummätare kan direkt mäta trycket av gas eller ånga. Det uppmätta värdet har inget att göra med typen av gas, strukturen är fast och den tål bakning. Om olika mäthuvuden används för olika tryckområden kan högre noggrannhet erhållas. Kapacitansfilmvakuummätare kan användas för gasövervakning med hög renhet, lågvakuumprecisionsmätning och tryckkontroll, och kan också användas som en sekundär standard för lågvakuummätning.

4. Joniseringsvakuummätare

Förkortad som jonometer, använder den principen för gasjonisering för att mäta tryck. Joniseringsvakuummätare är indelade i två kategorier: varm katod och kall katod. Det finns vanligtvis tre elektroder i mäthuvudet för den heta katodjoniseringsvakuummätaren, nämligen katod, anod och kollektor, som spelar rollen som emitterande elektroner, accelererande elektroner respektive uppsamling av joner. Elektronerna joniserar gasen i processen att flytta från katoden till anoden. Om den sekundära joniseringseffekten ignoreras (vilket innebär att de nya elektronerna som genereras i joniseringsprocessen accelereras av det elektriska fältet och får joniseringsförmåga och orsakar ny jonisering), joniseras varje elektron som emitteras från katoden. Antalet positiva joner som produceras är proportionellt mot gasdensiteten i utrymmet, och därför proportionellt mot trycket vid en viss temperatur. Därför är jonströmmen Ii=SIeP som tas emot av kollektorn, dvs. katodens elektronemissionsström, och S är proportionalitetskonstanten, som kallas jonometerkoefficienten. Efter att ha verifierat joniseringsmätarens koefficient med en standardvakuummätare vid en viss temperatur, kan trycket bestämmas enligt storleken på jonströmmen. Huvudtypen av het katodjoniseringsmäthuvud Katoden är vanligtvis gjord av volframtråd, och anoden kan göras till ett rutnät, så att elektroner kan resa fram och tillbaka på båda sidor för att öka elektronernas rörelse, så det är också kallas rutnät. Samlaren på triodjonometern är cylindrisk och placerad utanför nätet, och dess tryckmätningsintervall är 10-1 till 10-5 Pa. När arbetstrycket är högre än 10-1 Pa förkortas volframtrådens livslängd, och förhållandet mellan jonströmmen och trycket börjar avvika från linjäriteten på grund av den sekundära joniseringseffekten. Iridiumfilamentkatoder belagda med toriumoxid eller yttriumoxid kan arbeta vid tryck upp till 100 Pa och ha en ganska lång livslängd, och filamentet kommer inte att skadas även när det värms upp i atmosfären. Om joniseringsmätarhuvudet antar detta glödtråd, och anoden och kollektorn görs i speciella former, förkortas avståndet mellan elektroderna, anodspänningen minskas och gasjoniseringssannolikheten reduceras (det vill säga joniseringsmätarkoefficienten reduceras), då kan denna joniseringsmätare vara. Att mäta trycket på 10-3 till 100 Pa kallas en högtryckjoniseringsmätare. Den nedre gränsen för lågspänningsintensiteten som mäts av triodjoniseringsmätaren bestäms av fotoströmmen hos kollektorn, det vill säga på grund av fotoemissionen som orsakas av den mjuka röntgenstrålningen som genereras av elektronen som träffar anoden som bestrålar kollektorn, fotoström utgör bakgrunden till kollektorströmmen. När fotoströmmen står för 10 % av jonströmmen nås jonometerns nedre mätgräns. Uppsamlaren för joniseringsmätarhuvudet görs till ett glödtråd och placeras på gallrets axel. Filamentet är placerat utanför gallret. Vid denna tidpunkt förändras inte känsligheten hos joniseringsmätaren mycket, och på grund av det lilla området på samlaren är röntgenstrålningen som fångas upp av den mindre än tre storleksordningar mindre triodtyp, denna jonometer kan mäta tryck ner till 10-8 Pa. Det föreslogs av Bayard och Albert 1950, så det heter BA. För att mäta trycket på 10-9 Pa eller lägre kan en modulerad BA-mätare, en poljoniseringsmätare, en krökt kolonnjoniseringsmätare eller en het katodmagnetronjoniseringsmätare användas. Dessa jonometrar utesluter också i viss utsträckning påverkan av gateelektroninducerade desorberade joner på tryckmätningar