Medición de vacío

La delgadez de un gas también se puede describir por la densidad molecular del gas (el número de moléculas de gas por unidad de volumen) n. Para una molécula de gas ideal en perfecto equilibrio, P=nkT, k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura absoluta. El dispositivo para medir el grado de vacío se denomina vacuómetro, y el elemento sensible a la presión del vacuómetro se denomina cabezal de medición. Algunos vacuómetros pueden medir directamente la presión total del gas. Aunque algunos vacuómetros también dan lecturas de presión, la medida real es la densidad molecular del gas y los resultados de la medida están relacionados con la temperatura ambiente. Cuando hay varios componentes de gas en el recipiente al mismo tiempo, la presión total del gas en el recipiente es igual a la suma de las presiones parciales de cada gas. Los métodos de medición de presión total se pueden dividir en dos tipos: método directo y método indirecto. El método directo utiliza los principios de la diferencia de columna de líquido y la deformación mecánica para medir directamente la presión, incluidos los manómetros de nivel de líquido, los manómetros de vacío de compresión y los manómetros de vacío de elementos elásticos. De acuerdo con las cantidades físicas medidas por los dos primeros instrumentos, se puede calcular el valor de la presión, que pertenece al vacuómetro absoluto. El método indirecto utiliza algunas propiedades físicas del gas (como la conducción del calor, la viscosidad, la ionización y los efectos de dispersión de la luz, etc.) para medir la presión, incluido el indicador de vacío de conducción de calor, el indicador de vacío viscoso y el indicador de vacío de ionización. La gran mayoría de los vacuómetros utilizados en la tecnología de vacío utilizan el método indirecto, y estos vacuómetros deben calibrarse con vacuómetros absolutos u otros métodos. Para el vacuómetro medido por el método indirecto, debido a las diferentes propiedades físicas de los diferentes tipos de gases, incluso bajo la misma presión, las lecturas de presión varían con el gas, por lo que se debe calibrar con el gas correspondiente. Cuando el gas que se mide no es un solo componente, el significado de estas lecturas del indicador de vacío es más complicado. Dado que el gas utilizado en la calibración general del vacuómetro es nitrógeno puro, las lecturas de estos vacuómetros se denominan colectivamente como presión de nitrógeno equivalente antes de corregirse según el tipo de gas. Cuando el espacio medido contiene una variedad de componentes de gas, solo la medición de presión parcial puede reflejar con precisión el estado de vacío y la presión total en el recipiente.

Manómetros de vacío comunes

1. Medidor de vacío de conductividad térmica

La presión del gas se mide utilizando el principio de que la conductividad térmica del gas cambia con diferentes presiones. En este tipo de vacuómetro, cierta corriente de calentamiento pasa a través del cabezal del medidor equipado con un cable caliente, y la temperatura del cable caliente está determinada por el equilibrio entre el calentamiento y la disipación de calor. La capacidad de disipación de calor es función de la presión del gas, por lo que la temperatura del hilo caliente varía con la presión. Si se usa un termopar adicional para medir la temperatura del alambre caliente, este cabezal de medición se llama medidor de termopar; si el valor de la resistencia del propio cable caliente se utiliza para reflejar la temperatura, se denomina indicador de resistencia o indicador Pirani. La conducción de calor de gas solo cambia con la presión a baja presión (P<100 Pa), y la conducción de calor de gas no es el principal método de disipación de calor cuando es tan bajo como 10-1 Pa. Por lo tanto, el vacuómetro de conducción de calor se utiliza principalmente en el rango de 100-10-1 Pa. Medidas especiales pueden ampliar el rango de medición. La indicación del vacuómetro de conducción de calor no solo está relacionada con el tipo de gas, sino que también se ve afectada fácilmente por factores como la contaminación de la superficie del cable calefactor, la temperatura ambiente, etc., por lo que la precisión no es alta y solo es utilizado para la indicación de vacío aproximado.

2. Vacuómetro Pirani

Su principio de funcionamiento es: el grado de vacío es diferente, la cantidad de moléculas de aire por unidad de volumen es diferente, la capacidad del cable de resistencia de calentamiento para eliminar el calor (capacidad de disipación de calor) es diferente y la temperatura del cable de resistencia es diferente , porque la resistividad del cable de resistencia es la temperatura. Por lo tanto, diferentes grados de vacío causan una resistividad diferente, entonces la resistencia es diferente y la caída de voltaje de la corriente en el cable de resistencia es diferente. De acuerdo con el cambio de voltaje, la presión del aire se puede convertir, es decir, se mide el grado de vacío. El medidor de vacío Pirani real generalmente se convierte en un puente de cuatro brazos, y hay un cable de resistencia para compensación de temperatura en serie con él.

3. Manómetro de vacío de película capacitiva

Es un indicador de vacío de elemento elástico, y la película elástica divide la cámara de vacío de regulación en dos cámaras pequeñas, a saber, la cámara de presión de referencia y la cámara de medición. Al medir baja presión (P<100Pa), la cámara de referencia se vacía a un alto vacío y su presión es aproximadamente cero. Cuando la presión en la cámara de medición es diferente, el grado de deformación de la membrana también es diferente. Hay un electrodo estacionario en la cámara de medición, que forma un condensador con la membrana. Cuando la película se deforma, el valor de la capacitancia cambia en consecuencia y el cambio en la capacitancia se puede medir a través del puente de capacitancia para determinar el valor de presión correspondiente. Para evitar que la película se deslice, generalmente se usa el método de posición cero para la medición, es decir, se aplica un voltaje de CC entre el electrodo fijo y la película, y la fuerza electrostática se usa para compensar el estrés generado por la presión diferencia de la película para mantener el diafragma en la posición cero. El indicador de vacío de película de capacitancia puede medir directamente la presión del gas o vapor. El valor medido no tiene nada que ver con el tipo de gas, la estructura es firme y puede soportar la cocción. Si se utilizan diferentes cabezales de manómetro para diferentes rangos de presión, se puede obtener una mayor precisión. Los manómetros de vacío de película de capacitancia se pueden usar para el monitoreo de gas de alta pureza, la medición de precisión de bajo vacío y el control de presión, y también se pueden usar como un estándar secundario para la medición de bajo vacío.

4. Vacuómetro de ionización

Abreviado como ionómetro, utiliza el principio de ionización de gases para medir la presión. Los vacuómetros de ionización se dividen en dos categorías: cátodo caliente y cátodo frío. Por lo general, hay tres electrodos en el cabezal del medidor de vacío de ionización de cátodo caliente, a saber, cátodo, ánodo y colector, que desempeñan el papel de emitir electrones, acelerar electrones y recolectar iones, respectivamente. Los electrones ionizan el gas en el proceso de pasar del cátodo al ánodo. Si se ignora el efecto de ionización secundario (lo que significa que los nuevos electrones generados en el proceso de ionización son acelerados por el campo eléctrico y ganan capacidad de ionización y provocan una nueva ionización), cada electrón emitido por el cátodo se ioniza. El número de iones positivos producidos es proporcional a la densidad del gas en el espacio y, por lo tanto, proporcional a la presión a una determinada temperatura. Por lo tanto, la corriente de iones Ii=SIeP recibida por el colector, Ie es la corriente de emisión de electrones del cátodo, y S es la constante de proporcionalidad, que se denomina coeficiente del ionómetro. Después de verificar el coeficiente del medidor de ionización con un indicador de vacío estándar a una temperatura determinada, la presión se puede determinar de acuerdo con el tamaño de la corriente de iones. El tipo principal de cabeza de calibre de ionización de cátodo caliente El cátodo generalmente está hecho de alambre de tungsteno, y el ánodo se puede convertir en una rejilla, de modo que los electrones puedan viajar de un lado a otro en ambos lados para aumentar el viaje de electrones, por lo que también es llamada rejilla. El colector del ionómetro triodo es cilíndrico y se coloca fuera de la rejilla, y su rango de medición de presión es de 10-1 a 10-5 Pa. Cuando la presión de trabajo es superior a 10-1 Pa, la vida útil del alambre de tungsteno se acorta. y la relación entre la corriente de iones y la presión comienza a desviarse de la linealidad debido al efecto de ionización secundaria. Los cátodos de filamento de iridio recubiertos con óxido de torio u óxido de itrio pueden funcionar a presiones de hasta 100 Pa y tienen una vida bastante larga, y el filamento no se dañará incluso cuando se calienta en la atmósfera. Si el cabezal del indicador de ionización adopta este filamento, y el ánodo y el colector tienen formas especiales, la distancia entre los electrodos se acorta, el voltaje del ánodo se reduce y la probabilidad de ionización del gas se reduce (es decir, el coeficiente del indicador de ionización se reduce), entonces este medidor de ionización puede medir la presión de 10-3 a 100 Pa se llama medidor de ionización de alta presión. El límite inferior de la intensidad de bajo voltaje medida por el medidor de ionización triodo está determinado por la fotocorriente del colector, es decir, debido a la fotoemisión causada por los rayos X suaves generados por el electrón que golpea el ánodo que irradia el colector, el la fotocorriente constituye el fondo de la corriente del colector. Cuando la fotocorriente representa el 10% de la corriente de iones, se alcanza el límite inferior de medición del ionómetro. El colector del cabezal del indicador de ionización se convierte en un filamento y se coloca en el eje de la rejilla. El filamento se encuentra fuera de la rejilla. En este momento, la sensibilidad del manómetro de ionización no cambia mucho, y debido a la pequeña área del colector, el rayo X interceptado por este es más pequeño que Tres órdenes de magnitud menos tipo triodo, este ionómetro puede medir presiones hasta 10-8 Pa. Fue propuesto por Bayard y Albert en 1950, por lo que se llama BA. Para medir la presión de 10-9 Pa o menos, se puede utilizar un medidor BA modulado, un medidor de ionización de polo, un medidor de ionización de columna curva o un medidor de ionización de magnetrón de cátodo caliente. Estos ionómetros también excluyen hasta cierto punto la influencia de los iones desorbidos inducidos por electrones de puerta en las mediciones de presión