Вакуумметр принцип действия: что это за прибор, как работает, виды вакуумметров, технические характеристики и применение

что это за прибор, как работает, виды вакуумметров, технические характеристики и применение

Вакуумметры – это устройства, которые измеряют относительное давление вакуума, используют подходы, начиная от механического отклонения до измерения слабых электрических токов, вызванных молекулами ионизированного газа. Различные типы датчиков измеряют различные диапазоны давления. Когда давление падает почти до идеального вакуума, более чувствительные датчики измеряют небольшие изменения.

Наиболее распространенный вакуумметр в домашней мастерской измеряет изменения давления воздуха в коллекторе двигателя, когда поршни втягивают воздух в камеры сгорания.

Содержание:

1. Что вакуумметр измеряет
2. Принцип работы и типы вакуумметров
3. Типы дисплея и шкалы образцовых вакуумметров
4. Технические характеристики вакуумметров ТВ
5. Применение вакуумметров

Что вакуумметр измеряет

Что вакуумметр измеряет

Вакуумметры — это устройства для измерения вакуума или давления ниже атмосферного. Вакуум — это пространство, в котором давление газа низкое по сравнению с атмосферным давлением. Мера вакуума связана с давлением. Вакуумметры и приборы используются вместе с вакуумными датчиками для контроля и контроля давления вакуума в системе.

Принцип работы и типы вакуумметров

Учитывая широкий диапазон давлений, возникающих при работе процессов в вакуумных печах (ошеломляющие 9 порядков величины), ни один манометр не подходит для всего диапазона возможных уровней вакуума. Как и в случае вакуумных насосов, для правильного охвата всего рабочего диапазона с необходимой точностью и точностью необходимы несколько датчиков.

Принцип работы и типы вакуумметров

Разные типы вакуумметров по-разному работают – в зависимости от используемых датчиков. Рассмотрим принципы действия механических, электронных, тепловых и ионных датчиков манометр-вакуумметров. Также упомянем автомобильные вакуумметры.

1. Механические датчики

Этот подход к измерению вакуума использует изогнутую металлическую трубку, соединенную с источником вакуума. Когда давление в трубке падает, наконечник сгибается и перемещает волосок. Изменение натяжения пружины смещает иглу вдоль грани калиброванного циферблата.

Другие механические датчики используют герметичную воздушную камеру, отделенную от источника вакуума диафрагмой. Когда давление падает, диафрагма расширяется. Механическая система преобразует движение диафрагмы в показание циферблата.

Механические вакуумметры также могут соединять циферблатные дисплеи с герметичными капсулами, которые расширяются при падении давления в окружающей камере.

2. Электрические датчики

Используя ту же систему герметичной камеры и движущейся диафрагмы, электрические датчики преобразуют движение диафрагмы в изменения емкости или индуктивности, отображаемые на аналоговых или цифровых показаниях. Электрическая пластина, прикрепленная к диафрагме и расположенная параллельно неподвижной пластине, образует простой конденсатор, который накапливает электрический заряд в открытом пространстве между ними.

Когда изменения давления воздуха перемещают пластину диафрагмы, емкость изменяется. Катушки, расположенные аналогичным образом, изменяют индуктивность при изменении расстояния между ними, что приводит к различию напряжения, которое можно прочитать. Калибровка требует сравнения с уже известным показателем точности.

3. Тепловые и ионные измерители

Тепловые или ионные датчики измеряют наименьшие изменения давления в самом низком из вакуума. Тепловые датчики обнаруживают изменения в способности газа рассеивать тепло. Когда давление падает, газ проводит тепло менее эффективно. Когда медный провод нагревается, его электрическое сопротивление возрастает, поэтому изменения сопротивления, когда подводимая мощность остается постоянной, обнаруживают незначительные изменения давления воздуха.

Ионные детекторы измеряют еще меньшие давления, используя заряженные пластины, чтобы пускать электроны через вакуум. Любые оставшиеся молекулы газа, пораженные электронами, вырабатывают электрический заряд и перетекают на пластину ионного коллектора, вызывая измеримый электрический ток, который изменяется с падением числа доступных молекул газа.

Ярким примером таких устройств являются вакуумметры ионизационно-термопарные.

4. Автомобильные вакуумметры

Дроссельная заслонка карбюратора ограничивает количество воздуха, которое смешивается с топливом двигателя. Это вызывает низкое давление между дроссельной заслонкой и клапанами, которые пропускают воздух в поршневые камеры. Автомобильные вакуумметры, подключенные к коллектору, считывают вакуум в дюймах ртути, измеряя атмосферное давление. Вакуум ниже 3 дюймов во время запуска означает плохое сжатие и возможное износ поршневых колец.

Колебание давления вакуума на холостом ходу может привести к утечке клапанов в одном или нескольких цилиндрах. Постоянный вакуум указывает на то, что все цилиндры работают одинаково. Дополнительное трение длинных шлангов вакуумметра гасит тонкие сдвиги давления. Треснувшие или извитые шланги также вызывают ложные показания.

Это основные категории вакуумметров, которые дополнительно делятся на стрелочные, электроконтактные, цифровые, термопарные, ионмизационные и другие типы.

Типы дисплея и шкалы образцовых вакуумметров

Типы дисплея и шкалы образцовых вакуумметров

Вакуумметры имеют дисплей, позволяющий пользователю контролировать давление вакуума в системе. Типы дисплеев включают в себя:

• Аналоговые. Аналоговые измерители — это простые визуальные индикаторы с использованием циферблата.
• Цифровые счетчики. Цифровые счетчики — это визуальные индикаторы с цифровыми клапанами.
• Катодно-лучевая трубка (КЛТ). КЛТ обычно встречаются в компьютерных мониторах.
• Жидкокристаллический дисплей (ЖКД) — жидкокристаллические дисплеи представляют собой полупроводниковые источники света, использующие электроны, которые рекомбинируют с электронными отверстиями внутри устройства и выделяют энергию в виде фотонов.
• Многострочный видеодисплей — видеодисплей позволяет пользователю просматривать и записывать прямые трансляции изменений давления в системе.

Бывают устройства с одной шкалой, которые отображают давление только в одном наборе единиц. Устройства с двумя шкалами отображают давление в двух наборах единиц на одной поверхности циферблата.

Технические характеристики вакуумметров ТВ

Технические характеристики вакуумметров ТВ

Спецификации для вакуумметров включают в себя:

• Вакуумный диапазон — это диапазон давлений от самого низкого до самого высокого вакуумного давления.
• Рабочая температура — это полный требуемый диапазон рабочих температур окружающей среды. Температура и давление в системе напрямую связаны друг с другом. Если температура закрытой рабочей среды увеличивается, давление в системе будет увеличиваться. Чтобы предотвратить повреждение оборудования, важно знать экстремальные температурные диапазоны области.
• Точность — это разница между истинным значением и показанием, выраженным в процентах от диапазона. Она включает в себя совокупное воздействие метода, наблюдателя, аппарата и окружающей среды.
• Носитель — это термин, используемый для описания материала, который окружает область вакуума. Некоторые вакуумметры измеряют давление жидкостей. Другие измеряют давление твердых веществ. Доступны также устройства, рассчитанные на использование в опасных условиях или для не включенных в перечень, специализированных или фирменных материалов.

Как правило, вакуумметры используют классы точности Американского общества инженеров-механиков (ASME) и Немецкого института стандартизации Германии (DIN), стандартизации Германии. Примеры включают классы A, B, C и D, а также класс 1A (полная шкала 1%), 2A (полная шкала 0,5%), 3A (полная шкала 0,25%) и 4A (полная шкала 0,1%). Приборы периодически должны проходить проверку на соответствие стандартизированной точности.

Применение вакуумметров

Системы вакуума используются во многих отраслях промышленности, таких как автомобили, навигация, исследования и разработки, а также в производстве. Они могут использоваться для обеспечения перемещения материалов через систему или для очистки рабочей зоны от загрязняющих веществ. Датчики и инструменты, такие как вакуумметры ВИТ, Мерадат и другие, являются важным компонентом для обеспечения надлежащего функционирования и безопасности системы и оборудования.

Применение вакуумметров

Другие типичные области применения включают химические и нефтеперерабатывающие заводы, фармацевтику, морское бурение и добычу, бумажные фабрики, удобрения и т.д.

Вакуумметры — типы вакуумметров, принципы работы, основные особенности и преимущества

Немного теории о принципах измерении уровня вакуума

Давление — это воздействие частиц газа на определённую площадь. Во многих областях малые величины давления, например  в промышленности и научных исследованиях, невозможно измерить прямым методом измерения.
В высоком и сверхвысоком вакууме газовые частицы имеют достаточную большую длину свободного пробега. Поэтому давление можно определить путём ионизации газовых частиц в результате их столкновения с ускоренными заряженными частицами, направленными электрическим полем на электроды, измерения величину тока.
В зависимости от метода ионизации выделяют два типа ионизационных вакуумметров: необходимые для ионизации частицы эмитируются в результате высокого напряжения и разряжения частиц из холодного катода, или они образуются в результате накаливания филамента (горячего катода).

 

Ионизационный вакуумметр с горячим катодом

Термическая эмиссия — это самый простой способ образования электронов, необходимых для ионизации. Катод (филамент) накаляется высоким электрическим током. При повышенной температуре электроны отрываются от атомов, ускорятся электрическим полем и используются для ионизации газа.
Кроме филамента, вакуумметр с горячим катодом обычно состоит ещё из решеткообразного цилиндрического анода и ионной ловушки. Филамент и аноды находятся на различных положительных потенциалах, коллектор на массе . Величиной измерения датчика горячего катода является разрядный ток, который возникает при выходе положительно заряженных частиц с коллектора. Сам катод/филамент – используется исключительно для образования электронов. Датчик Байард-Альперта считается самым распространённым типом датчиков с горячим катодом.

Ионизационный вакуумметр с холодным катодом

В холодном катоде газ ионизируется путём столкновения с электронами, двигающимися в скрещенных электрических и магнитных полях по спиралевидным траекториям. При высоком напряжении между катодом и анодом все электрически заряженные частицы, находящиеся в остаточном газе, ускоряются и движутся к соответствующему электроду. При этом они сами могут ионизировать другие молекулы, соударяясь с ними, или вызывать образование вторичных электронов. Движущиеся к аноду электроны и устремляющиеся к катоду ионы вызывают процесс газового разряда. Остаточный газ в холодном катоде ионизируется электронами. При низком давлении очень важно, чтобы они как можно дольше оставались в области ионизации. Таким образом, повышается вероятность ионизации и продолжительность газового разряда. Дополнительное внешнее магнитное поле усиливает действие процесса.

Комбинированный вакуумметр

Часто в вакуумных процессах необходимо применять несколько принципов измерения, чтобы достичь необходимой точности измерения или охватить большой диапазон давления. В этом случае используются вакуумметры, объединяющие различные принципы измерения в одном приборе. Обычные комбинации — это Байард-Альперт + Пирани (например, ATMION®), инвертированный магнетрон + Пирани (например, PENNINGVAC PTR 90) или Пирани + ёмкостный (например, THERMOVAC TTR 101).
Широкодиапазонный вакуумметр ATMION® позволяет измерять давление в диапазоне 13 декад (10-10 mbar до атмосферного давления). Комбинированные датчики с горячим катодом и Пирани обеспечивают надёжное, автоматически управляемое использование вакуумметра.

Тепловой вакуумметр

Теплопроводность является одной из характеристик газа, непосредственно связанной с плотностью частицы. Энергия передаётся газовыми молекулами в результате их соударения, и в зависимости от длины свободного пробега частиц теплопроводность осуществляется с разной эффективностью. В определённой области давления теплопроводность пропорциональна давлению, несмотря на это могут возникнуть помехи, как тепловой поток, тепловое излучение, теплопроводность через контакты и т. д.
Измерительный мост (мост Wheatstone) используется для уравновешивания температуры и позволяет одновременно измерять разность напряжения между определённым индикатором и прилагаемым напряжением накала. Разностное напряжение устанавливается путём сравнения с нулевым пунктом (указан в техническом паспорте датчика). Сравнение с нулевым пунктом необходимо прежде всего для учёта потери тепла через контакты проволоки и теплоизлучения. Как правило, разностное напряжение соответствует напряжению накала, которое необходимо приложить, если давление в установке опускается ниже предела измерения.
Основные преимущества теплового вакуумметра — это широкий диапазон измерений от 10-4 mbar до атмосферного давления и точность измерений ±10 %, которая достаточна для многих применений.

Мембранно-ёмкостный вакуумметр

Мембранно-ёмкостные вакуумметры используются главным образом для измерения давления в области до высокого вакуума и оно не зависит от вида газа. Принцип действия этих вакуумметров основан на измерении эластичной деформации тонкой мембраны под действием разности давлений p1 на одном и p2 на другом конце.
Таким образом, мембранный вакуумметр — это прибор для измерения относительного давления. В объёме датчика создаётся разряжение до давления p2, которое меньше давления p1 в ресивере. Измерение абсолютного давления происходит с незначительными погрешностями, возникающим из-за остаточного давления p2.

В ёмкостных вакуумметрах чувствительная мембрана образует один из электродов конденсатора. Изгиб, выполняющий функцию разностного давления, вызывает изменение его объёма. Это изменение можно непосредственно измерить. Мембраны изготовляются из нержавеющей стали с небольшим коэффициентом теплового расширения или керамики с металлическим покрытием. Керамические мембраны менее чувствительны к перепадам температур и благодаря лучшей способности к релаксации устойчивы по отношению к нулевой точке. Они обладают улучшенной коррозиевоустойчивостью и могут использоваться также в суровых условиях. Мембрана не должна быть чувствительна к при изменении температуры, иначе это приводит к искажению результатов измерений. Диапазон измеряемых давлений зависит от толщины мембраны. Каждая толщина мембраны измеряет давление диапазоном 4 декад.
Увеличение точности можно достичь, используя термостабильные датчики, установленные на постоянную температуру 45гр.C. Тем самым снижается влияние температуры на результаты измерений. Преимущества мембранно-ёмкостного вакуумметра — это газонезависимость, высокая точность измерения (обычно 0,2% от показываемого значения) и стойкость против коррозийных газов

Название	Краткое описание
Ионизационный вакуумметр с горячим катодом	Термическая эмиссия — это самый простой способ образования электронов, необходимых для ионизации.
Ионизационный вакуумметр с холодным катодом	Определение плотности частиц газа путём ионизации холодным газовым разрядом
Комбинированный вакуумметр	Расширение функциональности вакуумметра путём комбинирования различных принципов измерения
Тепловой вакуумметр	Действие вакуумметра основано на зависимости теплопроводности газа от давления
Мембранно-ёмкостный вакуумметр	Ёмкостный способ определения деформации эластичной мембраны

Вакуумметры Принцип работы — инструментальные средства

Вакуумметры, показания давления которых не зависят от типа газа (механические вакуумметры)

Вакуумметр Бурдона

трубка Бурдона) подключается к вакуумной системе. Под действием внешнего атмосферного давления конец трубки более или менее изгибается в процессе вакуумирования.

Приводит в действие стрелку, прикрепленную к этой точке. Соответствующее давление может быть считано на линейной шкале. С помощью манометров Бурдона можно приблизительно определить давление в диапазоне от 10 мбар (7,5 Торр) до атмосферного давления.

Вакуумметр с капсулой

Этот вакуумметр содержит герметичную вакуумированную капсулу с тонкостенной диафрагмой, расположенную внутри прибора.

По мере снижения вакуумметрического давления капсула вздувается. Это движение передается через систему рычагов на стрелку и затем может быть считано как давление на линейной шкале.

Мембранный вакуумметр

В случае мембранного вакуумметра, способного измерять абсолютное давление, герметичная вакуумная камера отделена диафрагмой от измеряемого вакуумметрического давления. Это служит эталонным количеством.

При увеличении вакуумирования разница между измеряемым давлением и давлением в эталонной камере становится меньше, вызывая изгиб диафрагмы. Этот изгиб может быть передан с помощью механических средств, таких как рычаг, например, на стрелку и шкалу, или электрически с помощью тензодатчика или изгибающего стержня для преобразования в электрический измерительный сигнал.

Диапазон измерения таких мембранных вакуумметров простирается от 1 мбар (0,75 торр) до более 2000 мбар (1500 торр).

Емкостный вакуумметр

Чувствительная к давлению диафрагма этих емкостных датчиков абсолютного давления изготовлена ​​из керамики Al2O3. Термин «емкостное измерение» означает, что пластинчатый конденсатор создается диафрагмой с неподвижным электродом за диафрагмой.

Когда расстояние между двумя пластинами этого конденсатора изменяется, это приводит к изменению емкости. Это изменение, пропорциональное давлению, затем преобразуется в соответствующий электрический измерительный сигнал.

В этом случае вакуумированная эталонная камера также служит эталоном для измерения давления. С помощью емкостных датчиков можно точно измерять давление от 10–5 мбар/Торр до давления, значительно превышающего атмосферное, при этом необходимо использовать разные емкостные датчики с диафрагмами разной толщины (и, следовательно, чувствительности).

Вакуумметры, показания давления которых зависят от типа газа

Датчик теплопроводности (Пирани)

Этот принцип измерения использует теплопроводность газов для измерения давления в диапазоне от 10-4 мбар/Торр до атмосферного давления. Нить накала внутри измерительной головки образует одно плечо моста Уитстона.

Напряжение нагрева, подаваемое на мост, регулируется таким образом, что сопротивление нити и, следовательно, температура нити остаются постоянными независимо от количества тепла, выделяемого нитью.

Поскольку передача тепла от нити к газу увеличивается с ростом давления, напряжение на мосту является мерой давления. Усовершенствования в отношении температурной компенсации привели к стабильным показаниям давления даже при больших изменениях температуры, в частности, при измерении низких давлений.

Вакуумметр с ионизацией с холодным катодом (Penning)

Здесь давление измеряется с помощью газового разряда внутри измерительной головки, при этом газовый разряд зажигается при приложении высокого напряжения. Результирующий ионный ток выводится в виде сигнала, пропорционального преобладающему давлению.

Газовый разряд поддерживается также при низких давлениях с помощью магнита. Новые концепции конструкции таких датчиков обеспечивают безопасную и надежную работу этих так называемых датчиков Пеннинга в диапазоне давлений от 10-2 до 1 x 10-9.мбар/торр.

Вакуумметр с ионизацией с горячим катодом

В этих датчиках обычно используются три электрода. Горячий катод испускает электроны, которые падают на анод. Таким образом, газ, давление которого необходимо измерить, ионизируется.

Возникающий в результате ток положительных ионов регистрируется через третий электрод – так называемый детектор ионов – и этот ток используется в качестве сигнала, пропорционального давлению. Датчики с горячим катодом, которые в основном используются сегодня, основаны на принципе Баярда-Альперта.

При таком расположении электродов можно проводить измерения в диапазоне давлений от 10-10 до 10-2 мбар/Торр. Другие варианты расположения электродов позволяют получить доступ к более высокому диапазону давлений от 10–1 мбар/торр до 10–10 мбар/торр.

Для измерения давления ниже 10-10 мбар/Торр используются так называемые экстракторные ионизационные датчики по Рэдхеду. В экстракторных ионизационных датчиках созданные ионы фокусируются на очень тонком и коротком детекторе ионов.

Благодаря геометрическому расположению этой системы можно почти полностью устранить мешающие влияния, такие как рентгеновские эффекты и десорбция ионов. Экстракторный ионизационный манометр позволяет измерять давление в диапазоне от 10-4 до 10-12 мбар/Торр.

Будьте первыми, кто получит эксклюзивный контент прямо на вашу электронную почту.

Обещаем не спамить. Вы можете отписаться в любое время.

Неверный адрес электронной почты

Принцип работы вакуумметров компании Miepl Millenium Instruments Limited

Вакуумметры, показания давления которых не зависят от типа газа (механические вакуумметры)

Вакуумметр Бурдона

Внутренняя часть трубы изогнутая в дугу окружности (так называемая трубка Бурдона) соединена с вакуумной системой. Под действием внешнего атмосферного давления конец трубки более или менее изгибается в процессе вакуумирования. Это приводит в действие устройство указателя, которое прикреплено к этой точке. Соответствующее давление может быть считано на линейной шкале. С помощью манометров Бурдона можно приблизительно определить давление в диапазоне от 10 мбар (7,5 Торр) до атмосферного давления.

Вакуумметр с капсулой

Этот вакуумметр содержит герметичную вакуумированную капсулу с тонкостенной диафрагмой, расположенную внутри прибора. По мере снижения вакуумметрического давления капсула вздувается. Это движение передается через систему рычагов на стрелку и затем может быть считано как давление на линейной шкале.

Мембранный вакуумметр

В случае мембранного вакуумметра, способного измерять абсолютное давление, герметичная вакуумная камера отделена диафрагмой от измеряемого вакуумметрического давления. Это служит эталонным количеством. С увеличением откачки разница между измеряемым давлением и давлением в эталонной камере становится меньше, вызывая изгиб диафрагмы. Этот изгиб может быть передан с помощью механических средств, таких как рычаг, например, на стрелку и шкалу, или электрически с помощью тензодатчика или изгибающего стержня для преобразования в электрический измерительный сигнал. Диапазон измерения таких мембранных вакуумметров простирается от 1 мбар (0,75 торр) до более 2000 мбар (1500 торр).

Емкостный вакуумметр

Чувствительная к давлению диафрагма этих емкостных датчиков абсолютного давления изготовлена ​​из керамики Al2O3. Термин «емкостное измерение» означает, что пластинчатый конденсатор создается диафрагмой с неподвижным электродом за диафрагмой. Когда расстояние между двумя пластинами этого конденсатора изменяется, это приводит к изменению емкости. Это изменение, пропорциональное давлению, затем преобразуется в соответствующий электрический измерительный сигнал. Здесь вакуумированная эталонная камера также служит эталоном для измерения давления. С помощью емкостных датчиков можно точно измерять давление от 10–5 мбар/Торр до давления, значительно превышающего атмосферное, при этом необходимо использовать разные емкостные датчики с диафрагмами разной толщины (и, следовательно, чувствительности).

Вакуумметры, показания давления которых зависят от типа газа

Датчик теплопроводности (Пирани)

Этот принцип измерения использует теплопроводность газов для целей измерения давления в диапазоне от 10-4 мбар/Торр до атмосферное давление. Нить накала внутри измерительной головки образует одно плечо моста Уитстона. Напряжение нагрева, подаваемое на мост, регулируется таким образом, что сопротивление нити и, следовательно, температура нити остаются постоянными независимо от количества тепла, выделяемого нитью. Поскольку передача тепла от нити к газу увеличивается с увеличением давления, напряжение на мосту является мерой давления. Усовершенствования в отношении температурной компенсации привели к стабильным показаниям давления даже при больших изменениях температуры, в частности, при измерении низких давлений.

Вакуумметр с ионизацией с холодным катодом (Penning)

Здесь давление измеряется с помощью газового разряда внутри измерительной головки, при этом газовый разряд зажигается при приложении высокого напряжения. Результирующий ионный ток выводится в виде сигнала, пропорционального преобладающему давлению. Газовый разряд поддерживается также при низких давлениях с помощью магнита. Новые концепции конструкции таких датчиков обеспечивают безопасную и надежную работу этих так называемых датчиков Пеннинга в диапазоне давлений от 10-2 до 1 x 10-9.мбар/торр.

Вакуумметр с ионизацией с горячим катодом

В этих датчиках обычно используются три электрода. Горячий катод испускает электроны, которые падают на анод. Таким образом, газ, давление которого необходимо измерить, ионизируется. Результирующий поток положительных ионов регистрируется через третий электрод – так называемый детектор ионов – и этот ток используется в качестве сигнала, пропорционального давлению. Датчики с горячим катодом, которые в основном используются сегодня, основаны на принципе Баярда-Альперта. При таком расположении электродов можно проводить измерения в диапазоне давлений от 10-10 до 10-2 мбар/торр. Другие варианты расположения электродов позволяют получить доступ к более высокому диапазону давлений от 10–1 мбар/торр до 10–10 мбар/торр.