Типы датчиков для измерения остаточного давления: общие сведения

• ДИАГРАММА ДИАПАЗОНОВ ИЗМЕРЕНИЯ ДАТЧИКОВ ОСТАТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ РАЗНЫХ ТИПОВ

ПРИМЕРЫ: ПАССИВНЫЕ ДАТЧИКИ АКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ ← — PBR260, HPT200 ← АВ3277 WRG, PKR251/PKR261, PKR360/PKR361, MPT200, PTR91 ← — ← ПМИ-2, ПМИ-10-2, ПМИ-27, ПМИ-51 AIGX, IMR265 ← АВ3276, ПММ-32-1, ПММ-46, IKR050, IKR060, IKR070 AIM, IKR251/IKR261, IKR360/IKR361, PTR225, PTR227 ← — CCR36x, CMR36x, CCR37x, CMR37x, ← — APR250-APR267 ← , ПМТ-6-3, ПМТ-6-3М-1 APG100-X, TPR280, TPR281, PPT200, TTR91/91S/96S ← ПМТ-2, ПМТ-4M — ВНИМАНИЕ! На диаграмме показаны типовые диапазоны измерения датчиков с различными принципами измерения. Диапазоны измерения конкретных датчиков могут отличаться от приведенных на диаграмме.

Традиционные вакуумметры состоят из пассивного датчика - манометрического преобразователя, который формирует сигнал, пропорциональный давлению в вакуумной камере, и специализированного измерительного блока, который этот сигнал обрабатывает и обеспечивает индикацию давления. Основным недостатком таких вакуумметров является то, что сигнал с пассивного манометрического преобразователя мал по величине (особенно на высоком вакууме). Передача этого сигнала к измерительному блоку осуществляется по проводам, иногда достаточно длинным. Из-за малой величины сигнала, во-первых, неизбежны ограничения, накладываемые на длину кабеля, связывающего пассивный манометрический преобразователь и измерительный блок. Во-вторых, необходима хорошая экранировка такого кабеля - только при таких условиях можно без потерь и искажений передать малый сигнал. В третьих, в некоторых случаях для работы манометрических преобразователей необходимы высокие напряжения (инверсно-магнетронные, ионизационные) и питание к преобразователю подводится от измерительного блока по тому же кабелю, что также сказывается на удобстве пользования прибором и точности измерений (например, напряжение, необходимое для работы инверсно-магнетронного преобразователя составляет единицы киловольт). Измерительный блок такого вакуумметра является узкоспециализированным и рассчитан, как правило, на работу только с преобразователями одного типа.

Вакуумметры с активным датчиком лишены этих недостатков. Активный датчик состоит из собственно манометрического преобразователя - датчика и расположенной в непосредственной близости к его выводам электронной схемы. Манометрический преобразователь и электронная схема монтируются на фланце, который присоединяется к вакуумной системе. Электронная схема:
- обеспечивает обработку сигнала, зарегистрированного датчика, и его преобразование в стандартный аналоговый и/или цифровой сигнал. Передача такого сигнала существенно проще и надежнее, чем в случае традиционных вакуумметров.
- формирует все необходимые для манометрического преобразователя рабочие напряжения из подаваемого на ее вход напряжения малой величины (как правило 24В) - соответственно нет необходимости передавать высокое напряжение от измерительного блока (блока индикации).
Блок индикации (контроллер) в этом случае универсален и может быть рассчитан на подключение нескольких активных датчиков. Эти датчики могут быть разных типов - блок индикации распознает их тип по сигналу с электронной схемы.

Активный датчик может использоваться как совместно с блоком индикации, так и самостоятельно - благодаря стандартным интерфейсам он может непосредственно подключаться к системам сбора информации, построенным с использованием компьютера или промышленного контроллера. Кроме того, современные активные датчики могут состоять из двух преобразователей - одного низковакуумного и одного высоковакуумного, причем для пользователя такой датчик воспринимается как один, рассчитанный на весь необходимый диапазон измерений (так называемые "full-range" датчики).

Пассивные датчики используются в тех случаях, когда использование активных датчиков нежелательно или невозможно. К таким случаям относятся, например, работа датчика в условиях наличия ионизирующих излучений, эксплуатация при повышенных температурах окружающей среды и др.

Измерение величины остаточного давления в вакуумной камере тепловыми манометрическими преобразователями основано на принципе зависимости теплопроводности газа от его давления в вакуумной магистрали (камере): при изменении давления в вакуумной камере камере теплопроводность газа также изменяется, вследствие чего изменяется и температура чувствительного элемента манометрического преобразователя (термопары или терморезистора). Тепловые процессы происходят достаточно медленно, поэтому тепловые вакуумметры обладают значительной инерционностью.

Существует два типа тепловых манометрических преобразователей: термопарные и терморезисторные (терморезисторные также называют Пирани).

Принцип действия терморезисторного (Пирани) манометрического преобразователя основан на принципе зависимости теплопроводности от давления газа в вакуумной системе: при изменении давления в вакуумной камере камере теплопроводность газа также изменяется, вследствие чего изменяется и температура чувствительного элемента манометрического преобразователя (терморезистора). В качестве терморезистора чаще всего используется спираль из вольфрамовой проволоки. В химически стойких датчиках используется Ni или Pt. В процессе измерений на спираль терморезисторного преобразователя подается напряжение, за счет протекания тока спираль разогревается. При измерениях температура спирали (терморезистора) поддерживается постоянной. По величине напряжения, подаваемого на терморезистор для поддержания заданной температуры, определяется остаточное давление в вакуумной системе. Точность измерений терморезисторного датчика позволяет регистрировать изменения давления остаточного давления в диапазоне 1×10³ – 2× 10^-4 мбар.

Термопарный манометрический преобразователь конструктивно состоит из нагревательного элемента и измерительной термопары, находящейся на определенном расстоянии от нагревательного элемента. Измерение величины остаточного давления в вакуумной камере термопарным манометрическим преобразователем основано на принципе определения измерительной термопарой температуры нагревательного элемента, которая зависит от теплопроводности газа и, соответственно, от его давления в обследуемом объеме. Ток через нагревательный элемент преобразователя необходимо поддерживать постоянным в процессе измерения.
При условии постоянства тока, протекающего через нагревательный элемент, его температура однозначно связана с величиной тепловодности окружающего газа и, соответственно, с величиной остаточного давления в вакуумной камере. При понижении давления теплопроводность газа уменьшается, температура нагревательного элемента увеличивается, а, следовательно, увеличивается и электродвижущая сила термопары манометрического преобразователя. По известной зависимости термоэлектродвижущей силы от давления газа определяется давление в обследуемой вакуумной системе. Точность измерений, основанных на описанном методе, позволяет регистрировать изменения давления остаточного давления в диапазоне 2×10^-1 – 2× 10^-4 мбар.

Принцип действия тензорезистивного датчика давления основан на изменении сопротивления полупроводникового кристалла при его механической деформации под воздействием внешнего давления. Отличительными особенностями датчиков такого типа являются: высокая точность измерения давления (до 1-2%), независимость от рода газа, возможность измерения давлений выше атмосферного. Диапазон измерения в области низких давлений ограничен 0.1-10 Торр (в зависимости от исполнения датчика).

Для увеличения диапазона измерений в некоторых случаях используются комбинированные датчики - в одном корпусе монтируются два чувствительных элемента - один из них тензорезистивный (измеряет давления от атмосферного до единиц Торр с высокой точностью), второй - терморезисторный (Пирани) - используется для измерения давлений от единиц Торр до (1-5)х10^-4 мбар (в этом диапазоне погрешность измерения терморезисторного датчика минимальна).

Емкостные датчики - это прецизионные (высокоточные) датчики, предназначенные для измерения давления в области низкого и среднего вакуума (1х10^-5 ÷ 1х10³ мбар). Погрешность измерения давления от 0,15% до 0.25% в зависимости от исполнения. Емкостные датчики также называют "баратронами" по наименованию серии приборов, разработанных и выпускаемых американской компанией MKS Instruments.

Принцип действия основан на измерении емкости конденсатора, изменяющейся при деформации мембраны (которая является одной из обкладок конденсатора) при изменении давления в вакуумной камере.

Магниторазрядные датчики предназначены для измерения остаточного давления в области среднего и высокого вакуума. Принцип действия магниторазрядного манометрического преобразователя основан на измерении зависимости ионного тока газового разряда, возникающего в разрядном промежутке преобразователя, от величины остаточного давления. Электроны, всегда присутствующие в рабочей камере, обеспечивают первые акты ионизации в развитии газового разряда, локализующегося между катодом и анодом. Электроны двигаются по сложным замкнутым траекториям в скрещенных электрическом и магнитном полях до тех пор, пока не произойдет несколько ионизирующих столкновений с атомами рабочего газа. Большая часть энергии электрона, прежде чем он попадет на анод, используется на ионизацию и возбуждение молекул рабочего газа. Образовавшиеся в результате актов столкновения ионы двигаются к катоду, участвуя в образовании тока через разрядный промежуток преобразователя. По известной зависимости тока через разрядный промежуток преобразователя от давления газа определяется величина давления в обследуемой вакуумной системе.

Ионизационные датчики предназначены для измерения остаточного давления в области среднего и высокого вакуума. Принцип действия ионизационного манометрического преобразователя основан на измерении зависимости ионного тока от величины остаточного давления. Эмиссия электронов, обеспечивающих ионизацию газа в камере, происходит с нагреваемого катода. Остаточное давление определяется по величине ионного тока: при постоянном токе эмиссии электронов и постоянном анодном ускоряющем напряжении количество образующихся ионов пропорционально молекулярной концентрации газа в межэлектродном пространстве преобразователя.
Ионизационные датчики обеспечивают самую высокую точность определения давления в области высокого и среднего вакуума. К недостаткам относится нагреваемый катод, который выходит из строя при взаимодействии с кислородом - например, при прорыве атмосферы в вакуумную камеру. Для увеличения диапазона измерений в области высоких остаточных давлений используют иттриевые катоды.

В корпусе комбинированных датчиков находится два датчика: один из них как правило высоковакуумный, другой рассчитан на измерения давления в области низкого вакуума. Если датчик активный, электроника обеспечивает автоматическое переключение преобразователей и для пользователя такой датчик воспринимается как единый датчик, рассчитанный на объединенный диапазон измерений низковакуумного и высоковакуумного датчика. Наиболее распространены следующие комбинации датчиков: магниторазрядный + терморезисторный (Пирани); ионизационный + терморезисторный (Пирани); терморезисторный (Пирани)+ тензорезистивный.