Методы измерения остаточного давления в вакуумной рабочей камере
Современная техника измерения вакуума позволяет регистрировать остаточное давление в пределах от атмосферного до 10в-8—10в-10 мм рт. ст. Некоторые из вакуумметрических систем широко применяются на практике, другие еще испытываются. Различные манометры для измерения низких давлений подробно описаны в монографии. Кроме того, вакуум метрические устройства различных типов рассматриваются в работах.
В установках для изучения металлов при нагреве в вакууме в основном применяются описываемые ниже электрические измерительные устройства двух видов.
В последние годы начали широко использоваться для контроля вакуума в пределах от 10в-1 до 10в-4 мм рт. ст. электрические манометры, работа которых основана на измерении температуры платиновой нити датчика, нагреваемой протекающим по ней электрическим током неизменной величины. По мере снижения остаточного давления в камере ухудшается теплоотвод от нити; следовательно, по мере увеличения разрежения температура ее повышается. К нити прикреплен спай термопары, выводы которой присоединяют к гальванометру; по показаниям последнего непрерывно контролируют остаточное давление в рабочей камере.
На рис. 24 приведена принципиальная электрическая схема вакуумметра с термопарной манометрической лампой типа ЛТ-2 производства Московского электролампового завода. В стеклянном баллоне 1 лампы типа ЛТ-2 имеется патрубок 2, присоединяемый к вакуумной системе. Вакуумметр на лампе ЛТ-2 можно легко собрать в любой лаборатории. Для этого через прикрепленную к вертикальным никелевым стойкам 3 и 4 платиновую нить 5 пропускают переменный ток порядка 115—140 ма (величина которого определяется для каждой лампы в запаянном на заводе состоянии) и контролируют его значение по показаниям миллиамперметра 6. Ток можно регулировать реостатом 7 (20 ом, 0,2 а). Для питания нити лампы требуется маломощный понижающий трансформатор 8 (220/2 в), присоединенный к питающей сети переменного тока 220 в, 50 гц через феррорезонансный стабилизатор напряжения 9.
К электродам 10 и 11 прикреплена хромель-копелевая термопара 12, горячий спай которой 13 приварен к платиновой нити. Выводы от термопары проходят через цоколь лампы ЛТ-2 и присоединяются к гальванометру 14 на 10 мв. Вместо стеклянной лампы ЛТ-2 можно применять лампу ЛТ-4М, имеющую такие же характеристики, но выполненную в металлическом баллоне.
Для определения величины остаточного давления P в вакуумной системе по показаниям гальванометра служит график, приведенный на рис. 25. При разрежении до 10в-4 мм рт. ст. на шкале гальванометра должно быть 10 мв.
Промышленностью выпускаются блоки питания лампы ЛТ-2 в виде компактных приборов, известных под названием термопарных вакуумметров типов УТВ-49 и ВТ-2; такие же измерения можно выполнять при помощи универсального вакуумметра типа ВИТ-1.
Другой вид устройств для определения остаточного давления — ионизационные вакуумметры, применяемые для измерения разрежений порядка 1*10в-3—5*10в-8 мм рт. ст.
В этих приборах (рис. 26, о и б) используются трехэлектродные электронные лампы типа ЛМ-2, баллон которых при помощи стеклянного патрубка соединяется с контролируемой вакуумной системой.
Газы, находящиеся внутри баллона лампы, ионизируются электронами, эмитируемыми (излучаемыми) накаленным вольфрамовым катодом лампы ЛМ-2. При разрежении в указанных выше пределах и анодном напряжении порядка 200 в отношение тока iи вызываемого перемещением ионов от сетки лампы к катоду, к току іэ, создаваемому эмиссией электронов из катода, определяется остаточным давлением в баллоне лампы и в вакуумной системе.
Если сохранять неизменным анодное напряжение на лампе 1 (схема на рис. 26, а) и поддерживать постоянным ток эмиссии iэ, то величина ионного тока iи будет служить характеристикой степени разрежения в измеряемой вакуумной системе.
В некоторых схемах ионизационных вакуумметров (в частности, в описываемом ниже вакуумметре типа ВИ-3, а также в вакуумметре типа ВИТ-1, в котором объединены термопарный и ионизационный методы контроля разрежения) положительный относительно катода потенциал подается на сетку лампы ЛM-2, а ионный ток измеряется в цепи анода, имеющего отрицательный по отношению к катоду потенциал (рис. 26, б). При такой схеме получается большее отношение iиiэ, чем при схеме, приведенной на рис. 26, а.
Ионный ток, возникающий в лампе ЛM-2, усиливается электронным усилителем постоянного тока и измеряется по показаниям прибора, включенного в анодную цепь усилителя. Поскольку ионный ток лампы при постоянном токе эмиссии пропорционален давлению газа в ее баллоне, ионизационные вакуумметры градуируются в единицах давления (мм рт. ст.).
В ионизационном вакуумметре типа ВИ-3 (рис. 26, в) применяется лампа 1 типа ЛМ-2, а усилитель постоянного тока работает на лампе 2 типа 6Н7.
Питание вакуумметра осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 в, 50 гц. Трансформатор S и конденсатор 4 представляют собой элементы феррорезонаноного стабилизатора, поддерживающего напряжение в цепи питания вакуумметра с точностью ±1,5%. Стабилизатор соединен с накалом всех ламп (кроме лампы типа ЛМ-2), а также с выпрямителем, работающим на лампе 5 типа 6Ц5С.
Лампа типа ЛМ-2 соединена непосредственно с сетью через трансформатор 6 и регулируется реостатом 7.
Цепь сетка — катод лампы ЛМ-2 присоединена к выходному напряжению выпрямителя.
При токе эмиссии іэ = 5 ма, напряжении на сетке, равном 200 в, и напряжении на аноде (являющемся в данной схеме коллектором ионов), составляющем —25 в, постоянная лампы типа ЛМ-2 равна 1*10в-5 мка на 1 мм рт. ст. давления в измеряемой вакуумной системе.
Ниже приведены величины остаточного давления и соответствующие им значения тока в цепи анода:
Для измерения этих токов используется симметричный усилитель 8 постоянного тока. О силе ионного тока можно судить по показаниям микроамперметра 9, рассчитанного на ток 100 мка.
Для сохранения неизменным тока эмиссии лампы типа ЛМ-2 (5 ма) служит регулятор, работающий на лампе 10 типа 6ПЗ. Сопротивление, образуемое цепью анод — катод лампы 10, через трансформатор 11 воздействует на нить накала лампы 1 типа ЛМ-2.
Выпускаемые отечественной промышленностью ионизационные вакуумметры типа ВИ-3 и ВИТ-1 позволяют измерять остаточное давление (мм рт. ст.) в четырех диапазонах:
В указанных приборах при подготовке лампы ЛМ-2 к измерению сетку прогревают, присоединяя ее выводы к источнику питания.
Возможность непрерывного контроля остаточного давления в системе при помощи ионизационных вакуумметров типа ВИ-3 и ВИТ-1 широко используется в установках для вакуумной металлографии,
В последние годы для непрерывного контроля разрежения в рабочих камерах вакуумных установок (8*10в-4—2*10в-6 мм рт. ст.) и для автоматической сигнализации об изменениях остаточного давления начали применяться магнитно-электроразрядные блокировочные вакуумметры типа ВМБ-1. Датчиком таких вакуумметров служит магнитноионизационный манометр типа ММ-5, на который подается напряжение 3000 в (±2,5%).
Для измерения давления при этом используется явление электрического разряда в разреженном газе в магнитном поле. Изменение давления в камере сказывается на значении тока, протекающего через манометр ММ-5 и контролируемого по показаниям прибора на вакуумметре типа ВМБ-1.
В схеме вакуумметра ВМБ-1 имеется тиратрон типа ТГ1-0,1-1,3, в анодную цепь которого включено исполнительное реле, коммутирующее сигнал «плохой вакуум» и отключающее питание на ионизационные вакуумметры (ВИТ-3 или ВИТ-1), манометрические лампы которых (типа ЛM-2) могут выйти из строя при резкам повышении давления в контролируемой системе. Кроме того, на реле имеются свободные контакты, которые могут быть использованы для управления различной аппаратурой, связанной с вакуумной рабочей камерой контролируемой установки. При улучшении вакуума в заданных заранее пределах сигнал «плохой вакуум» на приборе ВМБ-1 выключается.
Для предварительной установки пределов срабатывания вакуумного реле служат источник постоянного напряжения и потенциометр. При помощи этих приборов можно отрегулировать ток срабатывания в пределах от 0 до 350 мка, эквивалентный значению тока в магнитном манометре при указанном выше диапазоне измеряемых давлений. «Петля срабатывания» схемы блокировки вакуумметра ВМБ-1 (разница между нижним и верхним пределами контролируемого давления) может быть от 5 до одной единицы одного и того же порядка давления: например, 5*10в-4/1*10в-4 или 2*10в-4/1*10в-4 мм рт. ст.
Описанные выше вакуумметры (ВТ-2, ВИ-3, ВИТ-1 и ВМБ-1) выполняются в двух вариантах — переносные приборы и приборы, предназначенные для монтажа на панелях (в этом случае в индекс прибора добавляют букву П, например ВИТ-1П).
Габаритные размеры панелей этих приборов составляют, мм2:
