Martin Kormunda Přednáška 10 Měření nízkých tlaků : membránové a kompresní vakuoměry, tepelné vakuoměry, ionizační vakuoměry.
Martin Kormunda
Přednáška 10
Měření nízkých tlaků : membránové a kompresní vakuoměry, tepelné vakuoměry, ionizační
vakuoměry.
Martin Kormunda
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
Martin Kormunda
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
Martin Kormunda
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, ..)
Martin Kormunda
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)
Martin Kormunda
Přímé měřící metody● Kapalinové manometry
● první byla Torricelliho trubice užitá pro měření atm. tlaku
● pro nízké tlaky se používaly U-trubice
p2
p1
p2
h h
p1 - p
2 = hρg p
2 = hρg
Martin Kormunda
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?
Martin Kormunda
Vylepšení U - trubice● zpřesnění odečítání pomocí naklonění ramena● ale pro ultra vakuum stále nepoužitelné
p2
h
p2 = hρg = h´ ρ g sin α
h´α
Martin Kormunda
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
Martin Kormunda
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 – px = p, pro px << p
a B-Marriot zákon pxV = phS = h2S, p
x = S/V h2 =
k*h2 – kvadratická závislost, k – kompresní poměr
Martin Kormunda
Postup měření● nebo zvedneme hladinu Hg ke značce B
(vzdálenost ho od konce měřící kapiláry) – tj.
konstantní kompresní poměr – pxV = ph
0S a opět
dosadíme h a pak px = h
0S/V * h = k´*h – lineární
stupnice
Martin Kormunda
Vlastnosti● McLeodův manometr se dodnes používá ke
kalibraci nepřímých vakuometrů● Nehodí se pro rutinní měření, měří pomalu,
neměří kondenzující páry, má páry Hg
Martin Kormunda
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)
Martin Kormunda
Přesné membránové vak.● stejný princip - pružná membrána● velmi tenké membrány - různé materiály● kapacitní snímání deformace● měřící rozsah od 0,001 Pa
Martin Kormunda
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
Martin Kormunda
Nepřímé měřící metody● Tepelné vakuoměry
● založeny na tom, že přenos tepla - tepelná vodivost plynu závisí na tlaku plynu
● nejčastější provedení je Piraniho (odporový) vakuoměr
Martin Kormunda
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 N2
Martin Kormunda
Piraniho vakuoměr
http://www.thinksrs.com/downloads/PDFs/ApplicationNotes/IG1pg1052app.pdf
Martin Kormunda
Piraniho vakuoměr● horní mez● dolní mez● malá lineární o.
Martin Kormunda
Závislost na druhu plynu
Martin Kormunda
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
Martin Kormunda
Viskózní manometry - ideje
Martin Kormunda
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
Martin Kormunda
Viscovac Leybold-Heraeus
Martin Kormunda
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
Martin Kormunda
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
Martin Kormunda
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
Martin Kormunda
Teslů transformátorhttp://www.teslacoil.ic.cz/
Martin Kormunda
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)
Martin Kormunda
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
Martin Kormunda
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
Martin Kormunda
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)
Martin Kormunda
Žhavená katoda● pro vyšší ionizaci je účinnější než mag. pole
použití žhavené katody pro udržení samostatného výboje za nízkého tlaku
Martin Kormunda
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, ...
Martin Kormunda
Ionizační vakuometr
2000 oC
http://matec.org/ps/library3/secure/modules/101/LA7/M101LA7.html
Martin Kormunda
Kalibrační křivka● hlavní výhoda, lineární stupnice● široká pracovní oblast od 1 mbar do 1*10-8
mbar●
Martin Kormunda
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
Martin Kormunda
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
Martin Kormunda
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?
Martin Kormunda
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
Martin Kormunda
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
http://matec.org/ps/library3/secure/modules/101/LA7/M101LA7.html
Martin Kormunda
Charakteristika
Martin Kormunda
Vlastnosti
● přímková charakteristika kde Ii = 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
Martin Kormunda
Vlastnosti● kalibrován na dusík● pro jiný plyn přepočet přes dusíková ekvivalent
- viz tabulky
http://matec.org/ps/library3/secure/modules/101/LA7/M101LA7.html