Измерение вакуума (разницы между атмосферным и фактическим давлением внутри какой-либо изолированной системы) требуется для оценки работоспособности электронных ламп или при фильтровании жидкостей от нерастворимых осадков. На животноводческих фермах вакууммирование используется для работы доильных аппаратов. Во всех этих, и иных подобных случаях применяются вакуумметры различных конструкций и принципа действия.
Основы работы вакуумметров и конструкции
На практике измеряют не чистый вакуум (его в земных условиях создают лишь для исследований глубокого космоса), а разность давлений. Тем не менее, определить такую разницу напрямую довольно сложно. Поэтому чаще используют так называемый косвенный метод, когда измеряют какое-либо характерное свойство газа, а затем сравнивают его с эталонным. Соответственно этому классифицируют и вакуумметры. Известны следующие типы:
- Ионизационный, в котором степень разрежения оценивается по длине свободного пробега молекул: чем давление ниже, чем больше эта длина, и тем больше энергии будет выделено в результате состоявшегося столкновения молекул.
- Тепловой, использующий принцип, подобный предыдущему, но определяется не энергия столкновения ионизированных частиц газа, а выделяющаяся при этом тепло. Поскольку в тепловых вакуумметрах измерение теплоты проводится при помощи измерительных мостов Томсона, которые собираются из термопар, то такие вакуумметры иногда называют термопарными.
- Ёмкостной, оценивающий степень разрежения по деформациям эластичных мембран. В этом случае, правда, измеряется не сам вакуум, а разница давлений до и после местонахождения измерительной мембраны.
Механический или стрелочный, в котором измерительный механизм связан с тонкостенной трубкой, изгибающейся при самых незначительных перепадах давления. По принципу действия эти приборы (вакуумметры Бурдона) более всего напоминают манометры, из-за чего их именуют мановакуумметрами.
- Если дополнительно сжать измеряемый газ избыточным давлением, то диапазон показаний прибора, подобного рассмотренному выше, увеличится. Следовательно, обычный манометр можно превратить в вакуумметр компрессионного типа. Такие приборы используют в качестве автомобильных вакуумметров.
- Датчиковый, который использует для регистрации фактического давления газа показания первичных узлов слежения. Датчики могут быть конвекционного, пьезорезистивного, электроконтактного, магнитострикционного и электронного типа. По физическому принципу такие вакуумметры не отличаются от перечисленных ранее, однако используют показания от промежуточных устройств, что повышает точность их работы.
Принцип действия вакуумметра
Кроме физических основ работы вакуумметры различаются по способу вывода показаний: он может быть аналоговым, при помощи стрелочного механизма, либо цифровым, путём вывода результатов на дисплей. Стрелочная индикация менее точна, и оценивается визуально, поэтому такие вакуумметры могут использоваться для замеров средней степени точности. Ограничением цифровых вакуумметров считается зависимость их показаний от степени зарядки батареи, питающей аналого-цифровой преобразователь.
Рассмотрим его на примере наиболее прогрессивных и точных вакуумметров, реализующих ионизационный принцип определения степени вакуума. В приборе искусственным образом создаётся разность потенциалов, т. е. газ, находящийся внутри, ионизируется любым из способов: электромагнитным полем, электрическим разрядом, повышением температуры на одном из катодов и т. п. В любом случае равновесное состояние молекул нарушается, что приводит к направленному потоку заряженных частиц от одного полюса к другому. Излучение сопровождается появлением ионного тока, который регистрируется, усиливается и преображается в показания контрольно-воспроизводящего устройства.
Ограничения таких приборов – зависимость показаний от рода газа: с изменением плотности газа интенсивность ионного потока изменяется, что скажется на конечном результате измерения. Поэтому производители подобной техники всегда указывают внешние условия, при которых целесообразна эксплуатация вакуумметра – внешняя температура, плотность газа и т. д. Эксплуатационные достоинства – практически вечный срок службы, поскольку в цифровых вакуумметрах нет трущихся и изнашивающихся узлов
В противоположность цифровым, аналоговые вакуумметры используют показания определённых физических характеристик воздуха или газа. Например, в стрелочных вакуумметрах измерение положения стрелки происходит вследствие разности давлений – эталонного, на который настроен прибор, и фактического. Использование таких вакуумметров намного проще, но необходимость частой тарировки усложняет их эксплуатацию.
Оптимальным является применение вакуумметров комбинированного действия, к которым относят термопарные. Там в результате нагрева термопарами воздуха внутри прибора изменяется его плотность и теплопроводность. Соответственно изменение плотности вызовет отклонение стрелки от начального положения, а изменение теплопроводности сопровождается появлением термоэмиссионного тока, значения которого отображаются на дисплее. В результате пользователь может сравнивать оба из показаний.
Выбираем подходящий вакуумметр
Обычно используют четыре основных критерия – цена, размеры, точность и воспроизводимость результатов измерения.
Для измерения низкого и среднего вакуума оптимальным сочетанием таких характеристик обладают комбинированные тепловые вакуумметры с термопарными датчиками 2А и 2С (отечественного производства) и АТС Edwards — импортного. Они не имеют трущихся механических частей и нечувствительны к внешним условиям применения и весьма компактны. При вполне приемлемой цене (7…8 тыс. руб.) могут фиксировать давления от 10-6 мм. рт. ст.
К лабораторному типу рассматриваемых приборов относятся электронные манометрические приборы серии ВИТ от компании Мерадат: ВИТ-1А, ВИТ-2, ВИТ-3, ВМБ и ряд других. Такая техника способна определить степень вакуума в широких пределах, но отличается сложностью и трудоёмкостью предварительной калибровки, для чего необходим вакуумный насос, тарировочный манометр и манометрический преобразователь. Цена приборов – от 8 тыс. руб. для ВИТ- 2, до 15 тыс. руб. для ВИТ-3. Приборы линейки ВИТ способны определить вакуум при давлениях от 10-7 до 1 мм рт. ст.
Для автомобилистов подходящим выбором является вакуумметр ADD622, при помощи которого возможна оперативная диагностика некоторых узлов автомашин. Точность прибора – 0…70 мм. рт. ст., цена – до 2000 руб.
