Přednáška 10 Měření nízkých tlaků : membránové a kompresní vakuoměry, tepelné vakuoměry, ionizační vakuoměry.
Měření ve vakuové technice jde o metody měření fyzikálních veličin, které jsme dříve definovali: tlak plynu proud plynu tenze par čerpací rychlost mezní tlak základ je ale v měření tlaku (celkového a posléze parciálních), protože měření ostatních veličin ho také vyžadují
Metody měření tlaku dvě základní kategorie přímá měření z definice, tlak je síla působící na plochu, případně může způsobit deformaci pružných těles a to lze měřit tlak lze z naměřených hodnot spočítat absolutně nepřímá měření využívá se jiná f. veličina, která na tlaku závisí (tepelná vodivost plynu, elektrická vodivost plynu) obvykle závisí i na další velicinách jako teplota, druh plynu zjištěná hodnota tlaku není absolutní
Jaké metoda je vhodná pro konkrétní případ musíme posoudit zejména: měřící obor (rozsah tlaků) citlivost (poměr očekávané změny tlaku s citlivostí přístroje) přesnost (chyby měření) dobu odezvy přístroje vliv vakuometru na tlak plynu ve vak. systému (některé vakuometry mají čerpací efekt) vliv vakuometru na složení plynu ve vak. systému (tenze par pracovní náplně, ionizace,..)
Umístění vakuometru je důležité protože je nutné dát: pozor na tlaková spád ve vakuovém systému zejména při čerpání pozor na vliv samotné měrky vakuometru často malá komůrka připojená do systému pomocí malého otvoru efúze čerpací efekt adsorbce a desorpce se stěn měrky pomůže vnořený měřící systém do vak. komory (křehký)
Přímé měřící metody Kapalinové manometry první byla Torricelliho trubice užitá pro měření atm. tlaku pro nízké tlaky se používaly U-trubice p 1 p p 2 2 h h p 1 - p 2 = hρg p 2 = hρg
U - trubice náplně voda, olej nebo rtuť přesnost měření = přesnost odečtení výšky hladiny, mějme h = 0.1 mm pak pro Hg z rce p = hρg je přesnost cca 10 Pa pro olej dokonce 0.1 Pa to jsou současně i spodní hranice oboru tlaků jak to zlepšit?
Vylepšení U - trubice zpřesnění odečítání pomocí naklonění ramena ale pro ultra vakuum stále nepoužitelné p 2 h h α p 2 = hρg = h ρ g sin α
Mc Leodův kompresní rtuťový manometr jednoduchý princip: velký objem plynu o nízkém tlaku stlačíme na malý objem v měřící kapiláře, pokud to uděláme pomalu, tak pv = konst. tím tlak vzroste natolik, že je měřitelný pomocí principu U -trubice http://encyclopedia2.thefreedictionary.com/mcleod+gauge
Postup měření Zvýšíme tlak v zásobníku Hg (otevřeme ventil na atm.) - rtuť stoupá až dosáhne výšky označené C tj. Oddělí se objem plynu V od měřeného systému Další stoupání hladiny Hg stlačuje plyn v kompresním objemu stoupá tlak Další postup má dvě varianty Necháme stoupat hladinu Hg až do místa A (konec měřící kapiláry), pak platí h = p p x = p, pro px << p a B-Marriot zákon p x V = phs = h 2 S, p x = S/V h 2 = k*h 2 kvadratická závislost, k kompresní poměr
Postup měření nebo zvedneme hladinu Hg ke značce B (vzdálenost h o od konce měřící kapiláry) tj. konstantní kompresní poměr p x V = ph 0 S a opět dosadíme h a pak p x = h 0 S/V * h = k *h lineární stupnice
Vlastnosti McLeodův manometr se dodnes používá ke kalibraci nepřímých vakuometrů Nehodí se pro rutinní měření, měří pomalu, neměří kondenzující páry, má páry Hg
Mechanické manometry Mechanicky se snímá pohyb pružného elementu (membrány, spirálové Bourdonovy trubice) Měřící obor od atm. do cca 1 mbar Často se používali na hlídání vakua (relé)
Přesné membránové vak. stejný princip - pružná membrána velmi tenké membrány - různé materiály kapacitní snímání deformace měřící rozsah od 0,001 Pa
MKS Baratron existují i další výrobci obvykle předepsaná pozice v nabídce různé měřící rozsahy existují i vyhřívané pro maximální přesnost stabilní elektronika POZOR - nastavení nuly
Nepřímé měřící metody Tepelné vakuoměry založeny na tom, že přenos tepla - tepelná vodivost plynu závisí na tlaku plynu nejčastější provedení je Piraniho (odporový) vakuoměr
Piraniho vakuoměr přímým průchodem proudu se elektricky ohřívá odporový drát (W nebo Ni) asi na 200 oc míra jeho ochlazování plynem je závislá na tlaku se pak měří 2 způsoby udržuje se konstantní teplota drátu (odpor) a mění se topný příkon, který je mírou tlaku udržuje se konstantní příkon, mírou tlaku je pak teplota (odpor) drátu - méně časté údaje přístroje závisí na typu plynu, přístroj je obvykle kalibrován na N 2
Piraniho vakuoměr http://www.thinksrs.com/downloads/pdfs/applicationnotes/ig1pg1052app.pdf
Piraniho vakuoměr horní mez dolní mez malá lineární o.
Závislost na druhu plynu
Viskózní manometr využívají závislost koeficientu tření na tlaku plynu vyzkoušeny desítky konstrukcí rotující disk - měřím brzdící moment, pokles otáček, přenos impulzu na druhý kotouč,... kmitání vlákna - měříme rozkmit, jednoduchý princip, ale obtížně prakticky realizovatelný - tření v ložiscích a uchycení,.. prakticky nepoužitelné
Viskózní manometry - ideje
Viscovac Leybold-Heraeus malá ocelová kulička se roztočí na 425 ot/min. a pak se měří doba potřebná k poklesu otáček na 405 ot/min. složité - magnetický závěs kuličky při opakovaném měření lze spočítat přesnost, ta je obvykle cca 2% v oblasti tlaků 10-7 mbar až 1 mbar - u vyšších tlaků už tření na tlaku nezávisí u nízkých tlaků je doba dlouhá výhoda: tlak lze spočítat pro známý plyn
Viscovac Leybold-Heraeus
Ionizační vakuoměry využívají ionizace molekul měřeného plynu počet vzniklých iontů je přímo úměrný počtu neutrálních molekul počet vzniklých iontů lze změřit pomocí proudu takto: i = n e v je více možností ionizace: srážkou s elektrony (zdroj žhavená nebo studená katoda, fotokatoda, el. výboj), zářením, silným el. polem
Výbojový manometr využívá samostatného el. výboje inicializovaného srážkou s elektrony výbojový proud závisí na tlaku konstrukce - obyčejná výbojka přivedeme dc o velikosti několika kv a při tlaku 10 až 20 mbar se objeví výboj odhad tlaku z tvaru výboje - nejprve provazcový u nižších tlaků vyplní celou trubici a při 1 *10-3 mbar zmizí
Teslů transformátor vysoko napěťový vysokofrekvenční zdroj k skleněné stěně systému přiblížíme elektrodu sekundárního obvodu T. t. pak: 1 mbar - výboj bude v ose 0,1 mbar - výboj vyplní celou komoru 0,01 mbar - výboj ztrácí na intenzitě 1 * 10-3 - ustává a světélkuje u stěn barva: fialová - vzduch, červený - neon
Teslů transformátor http://www.teslacoil.ic.cz/
Problémy ionizačních vakuometrů zásadní - nemůžeme měřit nízké tlaky, protože elektrony mají malou účinnost ionizace řešení více elektronů - lze, žhavená katoda delší dráhy elektronů - lze, vnější magnetické pole (Penning)
Penningův vakuometr magnetické pole napětí několik kv např. 3 kv mag. pole 0,1 až 0,2 T může být i delší trubka ne jen tenký disk
Kalibrační křivky široká lineární log. oblast až do cca 1*10-2 mbar a do cca 1*10-8 mbar - pak vliv autoemise e. v el. poli vylepšená konstrukce se stínící elektrodou až do 1*10-12 mbar přesnost do 5% čerpací efekt - rozprašování a paměť. efekt
Praktické zkušenosti jednoduchý odolný častá kombinace s Piraniho vak. na který dobře navazuje rozsahem, dnes často v jednom těle s automatickým přepínáním hůře se odplyňuje - pozor na Curieho teplotu magnetu (někdy lze magnet sundat)
Žhavená katoda pro vyšší ionizaci je účinnější než mag. pole použití žhavené katody pro udržení samostatného výboje za nízkého tlaku
Ionizační vakuoměr konstrukce jako elektronka trioda - to je klasické uspořádání ze žhavené katody vystupují elektrony a dopadají na anodu (100 a 200 V) skrze velice řídkou mřížku proud iontů měříme na mřížce (-50V) která je přitahuje, jejich proud je I i = konst * I e *p konst - konstrukce, druh plynu,...
Ionizační vakuometr 2000 o C http://matec.org/ps/library3/secure/modules/101/la7/m101la7.html
Kalibrační křivka hlavní výhoda, lineární stupnice široká pracovní oblast od 1 mbar do 1*10-8 mbar
Jiné konstrukce mřížka nahrazena spirálou z drátu (nebo několik podélných drátků) anoda válcová, katoda z drátku uprostřed měřící obor 1 mbar až 1*10-6 mbar, pak je proud už příliš malý
Klystronové uspořádání prohodí se funkce mřížky a anody elektrony proletí mřížkou a pak se k ní vrací odpuzovány kolektorem iontů - dlouhé dráhy letu + žhavená katoda
Vlastnosti horní hranice tlaku - dána odolnosti žhavené katody - Iridium odolnější než W dolní hranice - rentgenova mez - elektrony dopadnou na kolektor a vznikne velice slabé a měkké rentgenové záření - dopadá všude kolem a na kolektoru iontů vyvolá sekundární emisi elektronů - vznikne fotoelektrický proud, který zkreslí měření Jak omezit foto proud?
Omezení fotoproudu Snadné. Zmenšíme plochu kolektorů iontů Místo mřížky nebo destičky použijeme drátek v průměru mikrony Tím snížíme i čerpací efekt, ale musíme změnit tvar měrky vznikne Bayard-Alpertova měrka
http://matec.org/ps/library3/secure/modules/101/la7/m101la7.html Bayard-Alpertova měrka tzv. inverzní uspořádání kolektor uvnitř anody - el. pole zvýší ionizaci povrch kolektoru zmenčen cca 1000 krát a stejně tak foto proud pracuje do 1 * 10-11 mbar
Charakteristika
Vlastnosti přímková charakteristika kde I i = konst * p * I e, el. proud ovlivňuje iontový, nutný stabilní proudový zdroj přesnosti i lepší než 1% nejpřesnější měrka pro ultravakuové a vysokovakuové použití často realizován jako vnořený systém na přírubě čerpací efekt do 1 l/s a také paměťový efekt dobře se odplyňuje - je to funkce elektroniky
Vlastnosti kalibrován na dusík pro jiný plyn přepočet přes dusíková ekvivalent - viz tabulky http://matec.org/ps/library3/secure/modules/101/la7/m101la7.html