Вакуумметры-(от вакуум и греч. metreo — измеряю), служат для измерения давления газов ниже атмосферного. Каждый из рассмотренных ниже типов вакуумметров рассчитан на измерение в определенной области давлений.
Области применения в химии и химической технологии: жидкостные — обычно в лабораторной практике и для поверки вакуумметров др. типов; деформационные, вязкостные, тепловые, ионизационные — в системах управления вакуумированием непосредственно в производственных условиях; ионизационные (в т.ч. радиоизотопные) — для регулирования давления в криогенных системах, контроля качества готовой продукции, в производстве особо чистых веществ и т.д.
Жидкостные (гидростатические) вакуумметры. В одном из колен U-образной трубки газ находится под измеряемым давлением ри, в другом — под известным (так называемом опорным) роп. Разность давлений уравновешивается столбом жидкости высотой h и плотностью d:
где-ускорение свободного падения. Обычно рироп. Применяемые жидкости (ртуть или вакуумные масла) имеют при рабочей температуре малое парциальное давление пара и химически нейтральны по отношению к газам и материалу трубки. Жидкостные вакуумметры могут быть с открытым или закрытым коленом. В последнем случае роп0 и, следовательно, измеряется абсолютное давление газа. Достоинства жидкостных вакуумметров: простота конструкции, наглядность измерений. Недостатки: проникновение паров жидкости в вакуумную систему, небольшой диапазон определяемых давлений, большие габариты, недостаточная прочность конструкции, трудность автоматизации измерений и записи отсчетов. Погрешность до 10 Па.
Деформационные вакуумметры. Измеряемое давление воздействует на упругий элемент (мембрану, сильфон, спиральную трубку), деформация которого пропорциональна давлению и определяется оптическим или электрическим методом, либо непосредственно превращ. с помощью механической передачи в показания стрелки прибора. Упругий элемент может также принудительно возвращаться в исходное положение посредством электрического или пневматического источников силы. В этом случае критерием давления служит компенсирующая сила или какая-либо другая величина, связанная с этой силой (например, напряжение, ток, пневматическое давление). В мембранных вакуумметрах разрежение определяют по изменению емкости конденсатора, образованного мембраной и неподвижной пластиной. Достоинства деформационных простота и надежность конструкции, недостаток: небольшой диапазон измерений. Погрешность до 0,4%.
Компрессионные факуумметры (вакуумметр Мак-Леода). Прибор состоит из баллона объемом V, двух капилляров одинакового диаметра d, один из которых запаян, и трубки, соединяющей вакуумметр с системой, где измеряется давление. Снизу вводится жидкость (обычно ртуть), которая отсекает в объеме V газ при измеряемом давлении ри и затем сжимает его до давления plри в малом объеме запаянного капилляра , где h — высота части капилляра, не заполненного жидкостью. Давление р1 определяют по разности уровней столбов жидкости в запаянном и открытом капиллярах. По закону Бойля — Мариотта ри = p1V1/V, т.е. давление можно найти, если известны d и V. Благодаря небольшой погрешности (1-2%) компрессионные вакуумметры используют как образцовые при градуировке вакуумметров других типов.
Вязкостные вакуумметры. Действие основано на зависимости вязкости разреженного газа от давления. В демпферном вакуумметре мера давления — время затухания колебаний в газе кварцевых нитей, закрепленных с одного или двух концов. В вакуумметре с вращающимися элементами (диски, коаксиальные цилиндры) момент силы от быстро движущегося элемента передается через газ к другому элементу, подвешенному на чувствительной подвеске. Мера давления -угол поворота неподвижного элемента. Вязкостные вакуумметры обладают высокой чувствительностью. Погрешность до 0,1%.
Тепловые вакуумметры. Герметичные баллоны, внутри которых расположен нагреваемый электрическим током элемент. При изменении давления газа в баллоне изменяется теплоотвод от нагревательного элемента, что приводит к изменению его температуры. Нагревательный элементом может служить тонкая металлическая проволока, температуру которой измеряют с помощью термопары или по электрическому сопротивлению, полупроводниковый термистор с большим температурным коэффициентом сопротивления, а также длинная металлическая нить или биметаллическая пластина, температуру которых находят по изменению линейных размеров либо по углу изгиба. Тепловые вакуумметры позволяют определять низкие абсолютные давления. Их недостатки: зависимость показаний от состава газа и температуры окружающей среды, большая инерционность. Погрешность 10-40%.
Ионизационные вакуумметры. Действие основано на ионизации молекул газа и измерении ионного тока, который является функцией давления. В электронных вакуумметрах ионизация осуществляется потоком электронов, испускаемых накаленным катодом. Такой вакуумметр снабжен еще двумя электродами — анодом и коллектором . Анод — сетка, создающая электрическое поле, которое ускоряет электроны. Коллектор имеет отрицательный потенциал относительно катода и собирает образующиеся в газе положительные ионы. Ионный ток в цепи коллектора служит мерой давления газа. Диапазон измерений (10-5 -1 Па) ограничен: при высоких давлениях — малым сроком службы и нарушением линейности градуировочной характеристики из-за возрастающей вероятности объемной рекомбинации ионов и увеличения тока вторичных ионов, также участвующих в ионизации; при низких давлениях — остаточным фоновым током коллектора, который не зависит от давления.
Для измерения сверхвысокого вакуума применяют вакуумметры, где фоновый ток коллектора значительно снижен. С помощью так называемой лампы Байярда-Альперта можно определять давление до 10-8 Па. В этом вакуумметре катод расположен вне анодной сетки, а коллектор (тонкая проволока) -внутри нее. Модулируя ионный ток в лампе посредством дополнит. электрода (тонкий стержень между анодом и коллектором), диапазон измерений удается расширить до 10-9 Па.