Medição de vácuo

A espessura de um gás também pode ser descrita pela densidade molecular do gás (o número de moléculas de gás por unidade de volume) n. Para uma molécula de gás ideal em perfeito equilíbrio, P = nkT, k é a constante de Boltzmann e T é a temperatura absoluta. O dispositivo para medir o grau de vácuo é chamado de medidor de vácuo, e o elemento sensível à pressão do medidor de vácuo é chamado de cabeça do medidor. Alguns medidores de vácuo podem medir diretamente a pressão total do gás. Embora alguns medidores de vácuo também forneçam leituras de pressão, a medição real é a densidade molecular do gás e os resultados da medição estão relacionados à temperatura ambiente. Quando há vários componentes de gás no recipiente ao mesmo tempo, a pressão total do gás no recipiente é igual à soma das pressões parciais de cada gás. Os métodos de medição de pressão total podem ser divididos em dois tipos: método direto e método indireto. O método direto usa os princípios de diferença de coluna de líquido e deformação mecânica para medir diretamente a pressão, incluindo medidores de pressão de nível de líquido, medidores de vácuo de compressão e medidores de vácuo de elemento elástico. De acordo com as grandezas físicas medidas pelos dois primeiros instrumentos, pode-se calcular o valor da pressão, que pertence ao medidor de vácuo absoluto. O método indireto usa algumas propriedades físicas do gás (como condução de calor, viscosidade, ionização e efeitos de dispersão de luz, etc.) para medir a pressão, incluindo medidor de vácuo de condução de calor, medidor de vácuo viscoso e medidor de vácuo de ionização. A grande maioria dos medidores de vácuo usados ​​na tecnologia de vácuo usa o método indireto, e esses medidores de vácuo devem ser calibrados com medidores de vácuo absolutos ou outros métodos. Para o vacuômetro medido pelo método indireto, devido às diferentes propriedades físicas dos diferentes tipos de gases, mesmo sob a mesma pressão, as leituras de pressão variam com o gás, portanto deve ser calibrado com o gás correspondente. Quando o gás que está sendo medido não é um único componente, o significado dessas leituras do medidor de vácuo é mais complicado. Como o gás usado na calibração geral do medidor de vácuo é nitrogênio puro, as leituras desses medidores de vácuo são coletivamente referidas como pressão de nitrogênio equivalente antes de serem corrigidas pelo tipo de gás. Quando o espaço medido contém uma variedade de componentes de gás, apenas a medição de pressão parcial pode refletir com precisão o estado de vácuo e a pressão total no recipiente

Vacuômetros comuns

1. Medidor de vácuo de condutividade térmica

A pressão do gás é medida usando o princípio de que a condutividade térmica do gás muda com diferentes pressões. Neste tipo de medidor de vácuo, uma certa corrente de aquecimento é passada através do cabeçote do medidor equipado com um fio quente, e a temperatura do fio quente é determinada pelo equilíbrio entre aquecimento e dissipação de calor. A capacidade de dissipação de calor é função da pressão do gás, de modo que a temperatura do fio quente varia com a pressão. Se um termopar adicional for usado para medir a temperatura do fio quente, esse cabeçote do medidor é chamado de medidor de termopar; se o valor da resistência do próprio fio quente for usado para refletir a temperatura, ele é chamado de medidor de resistência ou medidor de Pirani. A condução de calor do gás só muda com a pressão em baixa pressão (P <100 Pa), e a condução de calor do gás não é o principal método de dissipação de calor quando é tão baixo quanto 10-1 Pa. Portanto, o medidor de vácuo de condução de calor é usado principalmente em a faixa de 100-10-1 Pa. Medidas especiais podem estender a faixa de medição. A indicação do vacuômetro de condução de calor não está apenas relacionada ao tipo de gás, mas também facilmente afetada por fatores como contaminação da superfície do fio de aquecimento, temperatura ambiente, etc., portanto, a precisão não é alta e é apenas usado para indicação de vácuo aproximado.

2. Medidor de vácuo Pirani

Seu princípio de funcionamento é: o grau de vácuo é diferente, o número de moléculas de ar por unidade de volume é diferente, a capacidade do fio de resistência de aquecimento de retirar o calor (capacidade de dissipação de calor) é diferente e a temperatura do fio de resistência é diferente , porque a resistividade do fio de resistência é a temperatura. Portanto, diferentes graus de vácuo causam resistividade diferente, então a resistência é diferente e a queda de tensão da corrente no fio de resistência é diferente. De acordo com a mudança de tensão, a pressão do ar pode ser convertida, ou seja, o grau de vácuo é medido. O medidor de vácuo Pirani real é geralmente feito em uma ponte de quatro braços, e há um fio de resistência para compensação de temperatura em série com ele.

3. Medidor de vácuo de filme capacitivo

É um medidor de vácuo de elemento elástico, e o filme elástico divide a câmara de vácuo reguladora em duas pequenas câmaras, ou seja, a câmara de pressão de referência e a câmara de medição. Ao medir baixa pressão (P<100Pa), a câmara de referência é evacuada para um alto vácuo e sua pressão é aproximadamente zero. Quando a pressão na câmara de medição é diferente, o grau de deformação da membrana também é diferente. Há um eletrodo estacionário na câmara de medição, que forma um capacitor com a membrana. Quando o filme é deformado, o valor da capacitância muda de acordo, e a mudança na capacitância pode ser medida através da ponte de capacitância para determinar o valor de pressão correspondente. Para evitar que o filme rasteje, geralmente é usado o método de posição zero para medição, ou seja, uma tensão CC é aplicada entre o eletrodo fixo e o filme, e a força eletrostática é usada para compensar o estresse gerado pela pressão. diferença do filme para manter o diafragma na posição zero. O medidor de vácuo de filme de capacitância pode medir diretamente a pressão de gás ou vapor. O valor medido não tem nada a ver com o tipo de gás, a estrutura é firme e pode resistir ao cozimento. Se diferentes cabeçotes de medição forem usados ​​para diferentes faixas de pressão, maior precisão pode ser obtida. Os medidores de vácuo de filme de capacitância podem ser usados ​​para monitoramento de gás de alta pureza, medição de precisão de baixo vácuo e controle de pressão, e também podem ser usados ​​como padrão secundário para medição de baixo vácuo.

4. Medidor de vácuo de ionização

Abreviado como ionômetro, ele usa o princípio da ionização do gás para medir a pressão. Os medidores de vácuo de ionização são divididos em duas categorias: cátodo quente e cátodo frio. Geralmente, existem três eletrodos na cabeça do medidor de vácuo de ionização de cátodo quente, ou seja, cátodo, ânodo e coletor, que desempenham o papel de emitir elétrons, acelerar elétrons e coletar íons, respectivamente. Os elétrons ionizam o gás no processo de passar do cátodo para o ânodo. Se o efeito de ionização secundária for ignorado (o que significa que os novos elétrons gerados no processo de ionização são acelerados pelo campo elétrico e ganham capacidade de ionização e causam nova ionização), cada elétron emitido do cátodo é ionizado. O número de íons positivos produzidos é proporcional à densidade do gás no espaço e, portanto, proporcional à pressão a uma determinada temperatura. Portanto, a corrente iônica Ii=SIeP recebida pelo coletor, Ie é a corrente de emissão de elétrons do cátodo, e S é a constante de proporcionalidade, que é chamada de coeficiente ionômetro. Depois de verificar o coeficiente do medidor de ionização com um medidor de vácuo padrão em uma determinada temperatura, a pressão pode ser determinada de acordo com o tamanho da corrente de íons. O principal tipo de cabeça do medidor de ionização de cátodo quente O cátodo é geralmente feito de fio de tungstênio, e o ânodo pode ser feito em uma grade, para que os elétrons possam viajar para frente e para trás em ambos os lados para aumentar o deslocamento de elétrons, por isso também é chamado de grade. O coletor do ionômetro triodo é cilíndrico e colocado fora da grade, e sua faixa de medição de pressão é de 10-1 a 10-5 Pa. Quando a pressão de trabalho é superior a 10-1 Pa, a vida útil do fio de tungstênio é encurtada, e a relação entre a corrente iônica e a pressão começa a se desviar da linearidade devido ao efeito de ionização secundária. Os cátodos de filamento de irídio revestidos com óxido de tório ou óxido de ítrio podem trabalhar a pressões de até 100 Pa e ter uma vida bastante longa, e o filamento não será danificado mesmo quando aquecido na atmosfera. Se a cabeça do medidor de ionização adotar este filamento, e o ânodo e o coletor forem feitos em formas especiais, a distância entre os eletrodos é encurtada, a tensão do ânodo é reduzida e a probabilidade de ionização do gás é reduzida (ou seja, o coeficiente do medidor de ionização é reduzido), então este medidor de ionização pode ser Medindo a pressão de 10-3 a 100 Pa é chamado de medidor de ionização de alta pressão. O limite inferior da intensidade de baixa tensão medida pelo medidor de ionização triodo é determinado pela fotocorrente do coletor, ou seja, devido à fotoemissão causada pelo raio X suave gerado pelo elétron atingindo o ânodo que irradia o coletor, o fotocorrente constitui o fundo da corrente de coletor. Quando a fotocorrente representa 10% da corrente iônica, o limite inferior de medição do ionômetro é atingido. O coletor da cabeça do medidor de ionização é feito em um filamento e colocado no eixo da grade. O filamento está localizado fora da grade. Neste momento, a sensibilidade do medidor de ionização não muda muito, e devido à pequena área do coletor, o raio-X interceptado por ele é menor que três ordens de magnitude menos tipo triodo, este ionômetro pode medir pressões até 10-8 Pa. Foi proposto por Bayard e Albert em 1950, por isso é chamado de BA. Para medir a pressão de 10-9 Pa ou inferior, pode ser usado um medidor BA modulado, um medidor de ionização de pólo, um medidor de ionização de coluna curva ou um medidor de ionização de magnetron de cátodo quente. Esses ionômetros também excluem até certo ponto a influência de íons dessorvidos induzidos por elétrons de porta nas medições de pressão