Измерение разряжения. Измерение вакуума и давления: единицы, принципы и приборы — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое вакуум и как его измеряют. Какие единицы измерения используются для вакуума и давления. Как работают основные типы вакуумметров и манометров. Какие принципы лежат в основе измерения вакуума и давления.

Содержание

Основные единицы измерения вакуума и давления

Измерение вакуума и давления имеет важное значение во многих отраслях промышленности и научных исследованиях. Для этого используются различные единицы измерения и приборы. Рассмотрим основные единицы измерения вакуума и давления:

Паскаль (Па) — основная единица давления в Международной системе единиц (СИ). 1 Па равен силе в 1 ньютон, действующей на площадь 1 м².
Бар — внесистемная единица давления. 1 бар = 100 000 Па.
Торр — внесистемная единица давления. 1 торр примерно равен 133,3 Па.
Миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.) — внесистемная единица давления. 1 мм рт. ст. = 1 торр = 133,3 Па.
Атмосфера (атм) — внесистемная единица давления. 1 атм = 101 325 Па = 760 мм рт. ст.

Для измерения вакуума часто используются производные единицы, такие как миллибар (мбар), микрон (мкм рт. ст.) и другие.

Принципы измерения вакуума и давления

В основе измерения вакуума и давления лежат различные физические принципы:

Гидростатический принцип — измерение высоты столба жидкости, уравновешивающего измеряемое давление. На этом основаны жидкостные манометры.
Деформационный принцип — измерение деформации упругого чувствительного элемента под действием давления. Используется в мембранных, сильфонных и других механических манометрах.
Тепловой принцип — измерение теплопроводности разреженного газа, зависящей от его давления. Применяется в тепловых вакуумметрах.
Ионизационный принцип — измерение тока ионизации разреженного газа, пропорционального его давлению. Используется в ионизационных вакуумметрах.

Выбор принципа измерения зависит от требуемого диапазона и точности измерений.

Жидкостные манометры для измерения давления

Жидкостные манометры являются простейшими и наиболее точными приборами для измерения давления. Их принцип действия основан на уравновешивании измеряемого давления столбом жидкости:

U-образный манометр состоит из U-образной трубки, частично заполненной жидкостью (обычно ртутью). Одно колено сообщается с измеряемым давлением, другое — с атмосферой. Разность уровней жидкости в коленах пропорциональна измеряемому давлению.
Чашечный манометр имеет широкий сосуд (чашку) и вертикальную измерительную трубку. Измеряемое давление подается в чашку, вызывая подъем жидкости в трубке.
Барометр-анероид представляет собой герметичную коробку с гофрированной крышкой, деформирующейся под действием атмосферного давления. Деформация передается на стрелку прибора.

Жидкостные манометры обеспечивают высокую точность измерений, но имеют ограниченный диапазон и неудобны в эксплуатации.

Деформационные манометры для измерения давления

Деформационные манометры широко применяются в промышленности благодаря компактности и надежности. Их принцип действия основан на деформации упругого чувствительного элемента под действием давления:

Мембранные манометры имеют гофрированную мембрану, прогибающуюся под действием давления. Прогиб передается на стрелку прибора.
Сильфонные манометры используют гофрированную трубку (сильфон), растягивающуюся или сжимающуюся под действием давления.
Трубчато-пружинные манометры (манометры Бурдона) содержат изогнутую трубку овального сечения, которая распрямляется при повышении давления.

Деформационные манометры просты, надежны и обеспечивают достаточную точность для большинства промышленных применений. Они позволяют измерять как избыточное, так и абсолютное давление.

Тепловые вакуумметры для измерения низкого давления

Тепловые вакуумметры применяются для измерения низкого и среднего вакуума. Их принцип действия основан на зависимости теплопроводности разреженного газа от его давления:

Термопарный вакуумметр содержит нагреваемую нить и термопару. При понижении давления теплоотвод от нити уменьшается, что фиксируется термопарой.
Терморезисторный вакуумметр использует зависимость сопротивления нагретого проводника от температуры, которая в свою очередь зависит от давления окружающего газа.
Вакуумметр Пирани содержит нагреваемую проволоку, включенную в мостовую схему. Изменение сопротивления проволоки из-за изменения теплоотвода позволяет определить давление.

Тепловые вакуумметры обеспечивают непрерывное измерение в диапазоне от 100 до 10⁻³ Па. Они относительно недороги и удобны в эксплуатации.

Ионизационные вакуумметры для измерения высокого вакуума

Ионизационные вакуумметры применяются для измерения высокого и сверхвысокого вакуума. Их принцип действия основан на ионизации молекул остаточного газа и измерении ионного тока:

Вакуумметр с горячим катодом содержит нить накала (катод), испускающую электроны. Электроны ионизируют молекулы газа, создавая ионный ток, пропорциональный давлению.
Вакуумметр с холодным катодом использует высоковольтный разряд для ионизации газа. Ионный ток также пропорционален давлению.
Экстракторный манометр имеет дополнительный электрод для извлечения ионов из зоны ионизации, что повышает чувствительность.

Ионизационные вакуумметры позволяют измерять давление до 10⁻¹² Па и ниже. Однако они требуют осторожного обращения и могут влиять на измеряемый вакуум.

Особенности измерения вакуума на больших высотах

При измерении вакуума на больших высотах необходимо учитывать ряд особенностей:

Атмосферное давление с высотой уменьшается, что влияет на показания приборов, измеряющих избыточное давление.

Максимально достижимый вакуум ограничен атмосферным давлением на данной высоте.
Чувствительность некоторых типов вакуумметров может меняться с высотой из-за изменения состава воздуха.

Для точных измерений на больших высотах рекомендуется использовать приборы абсолютного давления и учитывать поправки на высоту при работе с приборами избыточного давления.

Выбор прибора для измерения вакуума и давления

При выборе прибора для измерения вакуума или давления следует учитывать следующие факторы:

Требуемый диапазон измерений — от этого зависит тип прибора.
Необходимая точность измерений — определяет класс точности прибора.
Условия эксплуатации — температура, вибрации, агрессивные среды и т.д.
Совместимость с измеряемой средой — некоторые приборы не подходят для определенных газов.
Необходимость регистрации или передачи данных.

Правильный выбор прибора обеспечит надежные и точные измерения вакуума или давления в конкретных условиях применения.

Измерение давления и разрежения

Навигация:
Главная → Все категории → Производство железобетонных изделий

Измерение давления и разрежения

Во многих технологических процессах давление является одним из основных параметров, определяющих их протекание. К ним относятся: давление в автоклавах и пропарочных камерах, давление воздуха в технологических трубопроводах и т. п.

В системе единиц СИ за единицу давления принято действие силы в 1 Н (ньютон) на площадь 1 м2, т. е. 1 Па (паскаль). Так как эта единица очень мала, для практических измерений применяют килопаскаль (кПа=103 Па) или мегапаскаль (МПа=106 Па). Кроме того, на практике применяют такие единицы давления, как миллиметр водяного или ртутного столба (мм вод. ст., мм рт. ст.), а также кг/см2. При этом 0,1 МПа = = 1 кг/см2 = 104 мм вод.

ст.

Приборы, служащие для измерения давления выше атмосферного, называют манометрами, а для измерения давления ниже атмосферного — вакуумметрами. Для измерения малых давлений (до 500 мм вод. ст. или 5 кПа) применяют микроманометры, а для измерения малых разрежений — микровакуумметры. Микроманометры и микровакуумметры называют также тягомерами или на-поромерами.

По принципу действия приборы для измерения давления подразделяют на жидкостные, пружинные, поршневые и электрические.

Жидкостные манометры. Такие приборы широко применяют для измерения малых давлений. Их изготовляют U-образные, чашечные и колокольные. Жидкостные манометры обладают достаточно высокой точностью показаний— в пределах ± 1 деления шкалы.

U-образный манометр представляет собой два сообщающихся сосуда, заполненных рабочей жидкостью (вода, ртуть, глицерин и т. п.). Один из сосудов соединен с пространством, в котором требуется измерить давление, а второй — с атмосферой или с другой точкой, если требуется измерить разность давлений.

Чашечные манометры. Принцип действия приборов это – типа также основан на уравновешивании измеряемого давления (разрежения) гидростатическим напором столба жидкости. При измерении давления полость над чашей соединяйся с измеряемой средой, а трубка соединяется с атмосферой.

Рис. 1. Схемы жидкостных и пружинных приборов для измерения давления и возможные изображения их в схемах

У колокольных манометров давление подводится под колокол, который погружен в жидкость. Колокол поднимается и опускается в зависимости от величины давления.

Колокол связан со стрелкой, которая, перемещаясь по шкале, показывает величину измеряемого давления.

Поплавковые манометры предназначены в основном для измерения равности двух давлений. В промышленности применяют поплавковые дифманометры масляные и ртутные. Такими манометрами измеряют давление и разрежение. Их применяют и в устройствах, измеряющих уровень и расход различных жидкостей и газов.

Пружинные приборы служат для измерения давления жидкостей и газов. Принцип действия пружинных приборов основан на использовании упругой деформации специальных пружин, возникающей под действием измеряемого давления.

К пружинным приборам относятся приборы с одновитковой пружиной, с многовитковой пружиной (геликсом), с гармоникооб-разной сильфонной мембраной (сильфонные манометры), с плоской гофрированной мембраной.

Одновитковая трубчатая пружина — эллиптического или овального сечения, запаяна с одного конца. Другим концом пружина закреплена и соединена со средой, в которой измеряют давление. Под действием давления трубка разгибается и свободный конец ее через поводок 2 поворачивает зубчатый сектор 3 и вместе с ним стрелку.

Пружинные манометры выпускают четырех типов: технические, контрольные, образцовые и манометры для точных измерений. Технические манометры рассчитаны на большой интервал давлений; выпускают их в корпусах, имеющих диаметры от 40 до 400 мм.

Контрольные манометры служат для периодических, более точных замеров давлений, а также для проверки технических манометров непосредственно на месте их установки.

Образцовые манометры применяют для проверки технических и контрольных манометров, а также для измерения давления в лабораторных условиях. Манометры для точных измерений применяют на технологических установках, где необходимо измерить давление среды с повышенной точностью. С одновитковой трубчатой пружиной изготовляют манометры, вакуумметры (нуль шкалы справа), мановакуумметры (нуль посредине). Одновитковые пружинные манометры изготовляют с электрической и пневматической системой передачи показаний на расстояние (преобразователи).

В манометрах с многовитковой трубчатой пружиной (геликсом) рабочим органом служит многовитковая трубчатая пружина. Вследствие большой длины пружины ее свободный конец под действием давления может перемещаться до 15 мм. Большие усилия, развиваемые пружиной, дают возможность перемещать не только указывающие стрелки, но и перья, которые записывают показания автоматически.

Сильфонные манометры применяют для измерения и записи давления. Их используют также в качестве вторичных приборов в сочетании с различными первичными приборами, имеющими пневматические преобразователи, описанные выше.

Как видно из схемы на рис. 1, ж, если сильфон соединить с измеряемым давлением, то оно деформирует сильфон, и при этом переместится стрелка.

Мембранные манометры. Воспринимающая часть такого манометра состоит из мембранной коробки с двумя гифрированными мембранами. Перемещение мембраны под действием давления или разрежения передается на стрелку прибора.

Поршневые (грузовые) манометры. Эти приборы применяют как образцовые для поверки технических и контрольных манометров и градуировки шкалы при изготовлении манометров. Принцип действия их заключается в уравновешивании силы давления измеряемой среды на свободно передвигающийся в цилиндре поршень силой, создаваемой грузом.

Грузопоршневой манометр имеет грузовую и прессовую части. Первая часть состоит из измерительной колонки с поршнем, снабженным устройством для наложения на него грузов; вторая часть — из ствола, в который вставлен пришлифованный к нему поршень, шток которого выполнен в виде винта, имеющего штурвал.

Всю систему каналов, цилиндр и ствол прибора заполняют маслом через воронку, имеющую канал. Этот канал перекрывают игольчатым вентилем.

Поверку манометра 8 можно проводить путем набора грузов или путем поворота штурвала. Величину создаваемого давления можно определить и по образцовому манометру.

В электрических манометрах давление определяется по изменению электрических величин (емкости, сопротивления, силы тока). Электрические манометры в промышленности строительных материалов применения не получили.

Похожие статьи:
Поверка регулирующего клапана с мембранным исполнительным механизмом

Навигация:
Главная → Все категории → Производство железобетонных изделий

Поверка регулирующего клапана с мембранным исполнительным механизмом
Регулирование температуры регулятором непрямого действия типа БР-3
Автоматизация процесса контроля прочности железобетонных изделии
Контроль качества заполнителей и толщины бетонного слоя
Контроль качества железобетонных изделий

Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум

Манометр.

Конструкция, описание и области применения прибора.

МАНОМЕТР, ВАКУУММЕТР И МАНОВАКУУММЕТР – НАЗНАЧЕНИЕ ПРИБОРОВ.

Манометр – прибор, с помощью которого производят измерение избыточного и вакуумметрического давления. Измерение производится за счет деформации трубчатой пружины (трубка Бурдона), которая находится внутри корпуса.

Вакуумметр — прибор, с помощью которого производят измерение разряжения рабочей среды. Давление позволяет контролировать чувствительный элемент прибора — трубчатая пружина. Стандарты шкалы вакуумметра от — 1.0 атм. Шкала всегда отрицательная, т. к. вакуумметры измеряют разряжение. Производится измерение давления ниже атмосферного.

Мановакуумметр — это прибор, с помощью которого производят измерение избыточного давления и разряжения рабочей среды. Механизм, позволяющий производить измерение — деформация трубчатой пружины. Мановакуумметры перекрывают область вакуума и избыточного давления.

Отличие приборов:
Манометр измеряет только положительное давление. Вакуумметр измеряет только отрицательное давление. Мановакуумметр – как отрицательное, так и положительное.

На основании всех выше перечисленных приборов, наше производство конструирует и производит манометрические головки различных типов. С данной продукцией вы можете ознакомиться в каталоге.

ВИДЫ МАНОМЕТРОВ

Технические манометры – наиболее распространены для измерения избыточного давления сред (воды, воздуха, газа). Широко применяются на промышленных предприятиях и в сере ЖКХ. Технический манометр подходит, если прибор не планируется применять в специфических условиях.

Виброустойчивые — манометры данного вида применяют в условиях повышенной вибрации. Поскольку конструкция прибора позволяет компенсировать вибрационную среду. Данные манометры широко применяют на насосных станциях, компрессорных установках, автотранспорте, судах и ж/д транспорте.

Коррозионностойкие манометры – приборы для измерения контроля давления в условиях агрессивных сред. Детали манометра изготовлены из нержавеющей стали, устойчивой к воздействию агрессивных сред.

Манометры точных измерений или образцовые манометры — обладают более высоким классом точности (0,15; 0,25; 0,4; 0,6). Данные манометры, чаще всего применяют в качестве эталона при поверке и калибровке приборов для измерения давления. Также, с их помощью измеряют давление технологических линий, для которых нужна повышенная точность измерения.

Манометры аммиачные — применяют для измерения вакууметрического давления в агрессивных средах, в том числе для аммиака. Также, применяют для систем хладоснабжения. Данный тип манометров изготовлен на основе коррозионностойких материалов, только с измененным циферблатом.

Манометры электроконтактные — это приборы с электроконтактной группой. Основное назначение которой, является коммутация контактов в системах автоматизации. Прибор осуществляет управление электрическими цепями от устройства, которое подает сигнал, путем замыкания и размыкания электрических цепей при достижении определенного предела давления.

Железнодорожные манометры — данный вид манометров предназначен для измерения и контроля давления в системах (тормозных и пр.) и установках подвижного ж/д состава. А также, метрополитена, трамваев и для измерения давления в холодильных машинах в вагонах-рефрижераторах.

Измерение вакуума: основное руководство

4 комментария

Часто возникает путаница в отношении единиц, используемых для измерения уровня вакуума, создаваемого в промышленности. В этой статье объясняется, какие из них являются наиболее распространенными, их происхождение, когда следует использовать один вместо другого и как конвертировать между ними.

Наиболее распространенная единица измерения вакуума, используемая в Северной Америке для общего вакуума, равна дюймов ртутного столба обозначается как «Hg», где («») относится к линейным дюймам, а Hg — это химический символ ртути. Самый важный момент, который нужно понять о «Hg», заключается в том, что это измерение дифференциального давления. С точки зрения вакуума это означает, что «Hg — это разница между атмосферным давлением окружающей среды и вакуумом, созданным в приложении. На рис. 1 это показано графически.

Дюймы ртутного столба означают именно это — линейное измерение ртутного столба. На рис. 2 показана стеклянная трубка высотой около 3 футов. Ртуть наливается в эту трубку и оседает на одинаковой высоте по обеим сторонам аппарата, потому что атмосферное давление одинаково на каждой колонке. Когда к одной стороне трубки прикладывается вакуум, более высокое атмосферное давление толкает ртуть вниз, в данном случае, на 27 дюймов. Следовательно, создаваемый вакуум составляет 27 дюймов ртутного столба или 27 дюймов ртутного столба.

30″Hg считается максимальным уровнем вакуума, доступным на уровне моря, и, поскольку океаны имеют одинаковую высоту по всей планете, это хорошая исходная точка для справки. Это число на самом деле округлено от 290,92 дюйма ртутного столба. 29,92″ ртутного столба — это максимальная разница давлений, основанная на известном условии атмосферного давления, которое на международном уровне принято как 1013 мбар или 14,7 фунта на квадратный дюйм на уровне моря. Это атмосферное давление постоянно меняется по всему земному шару. Фактически, самые высокие атмосферные условия, когда-либо зарегистрированные на уровне моря, составляли 15,6 фунтов на квадратный дюйм, а самые низкие — около 12,5 фунтов на квадратный дюйм, которые были получены во время урагана. При изменении атмосферного давления максимально доступный перепад изменяется вместе с ним.

Если, например, техника находилась на очень большой высоте, как, например, в Денвере, штат Ко, атмосферное давление снижается и, следовательно, также снижается возможный ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ давление, которое может быть создано. Среднее атмосферное давление в Денвере составляет около 12,1 фунта на квадратный дюйм, а перепад давления, который может быть создан, составляет всего 24,63 дюйма ртутного столба. Следовательно, вакуумный подъемный аппарат будет менее эффективным из-за более низкого перепада давления или уровня вакуума.

Из-за этого постоянно меняющегося состояния атмосферы «Hg следует использовать только в качестве ориентира и в тех случаях, когда не требуются точные уровни вакуума, например, в технологических процессах. Дюймы ртутного столба идеально подходят для вакуумного подъема с помощью вакуумных присосок, поскольку требуемый уровень вакуума редко бывает высоким. Типичная вакуумная обработка использует что-то между 15″Hg и 25″Hg. Следовательно, «Hg подходит для измерения производительности системы в этом типе операций.

Для более точных вакуумных приложений, когда пользователю необходимо знать уровень вакуума, следует использовать устройство абсолютного вакуума. Абсолютное давление является важным фактором здесь, и абсолютное измерение берет свое показание на основе нулевой точки отсчета. Ноль всегда равен нулю и никогда не меняется. В Северной Америке «торр» [единица измерения, разработанная итальянским ученым Эванджелистой Торричелли (b. 1608) ] очень популярен. Торричелли просто измерил линейное движение ртути, используя миллиметры и отталкиваясь от нуля при нулевых атмосферных условиях. Следовательно, 29,92 дюйма, преобразованные в миллиметры, составляют 760 (759,97). Система, работающая при 50% вакууме, составляет либо 380 Торр, либо 15″Hg. Однако шкала измерения торр является более точной, поскольку она имеет исходную точку при нулевом атмосферном давлении. 15″ рт. Это преобразование просто с использованием 50%, но если бы показание торра было 200, то эквивалент в «Hg был бы 21,75. См. Рис. 3 для этой сравнительной шкалы.

За пределами Северной Америки для измерения вакуума используется мбар(абс.). Как и торр, это шкала абсолютного давления, где 0 — нулевое атмосферное давление, а 1013 мбар (абс.) — стандарт атмосферного давления. Эту единицу легко преобразовать в торр, просто умножив на 0,760. Следовательно, 500 мбар соответствует 380 торр. Сравнительную шкалу см. на рис. 4 .

Часто используется на вакуумметре –кПа. Это полезная единица измерения, поскольку она представляет процент вакуума и широко используется при обсуждении общей вакуумной системы. Пользователь может, например, объяснить инженеру, что им требуется «около 80% вакуума», что составляет -80 кПа от атмосферного давления. Независимо от местонахождения этих двух людей и того, с какой единицей измерения они более знакомы, процент вакуума легко понять и устно передать. Рис. 5 сравнивает все эти измерительные шкалы для удобства.

Вакуум – удаление или снижение атмосферного давления. В зависимости от приложения уровень вакуума может требовать высокой точности, что означает, что следует использовать абсолютные единицы измерения, такие как торр или мбар (абс.), но в общих вакуумных приложениях «Hg предлагает простой способ достижения основных условий вакуума. .

Эта статья предназначена для использования в качестве общего руководства, и, как и в случае любого промышленного применения, связанного с выбором оборудования, для обеспечения правильного выбора и установки следует обратиться за независимой профессиональной консультацией.

Даниэль Паско, Davasol Inc.

Компания Vacuforce LLC является производителем и дистрибьютором компонентов и систем вакуумного оборудования для промышленности в Северной Америке. С Vacuforce можно связаться через веб-сайт (www.vacuforce.com) или напрямую по адресу [email protected]. Иллюстрации и 3D-модели предоставлены Дэниелом Паско из Davasol Inc., компании, занимающейся брендингом в сфере промышленной дистрибуции. С Дэниелом можно связаться по адресу [email protected].

основная направляющая
dan pascoe
мера
вакуум

Поделитесь этой информацией.

Твитнуть

Принципы измерения вакуума

Решения
Полупроводник

Электроника и упаковка

Специализированная промышленность

Поддержка
Глобальная служба
Техническая поддержка
Технические ресурсы
Контакт МКС

Компания
О МКС
Отношения с инвесторами
Новости и СМИ
Карьера

Контакты

Корпоративные офисы

Продажа и поддержка приложений

Калибровка, обслуживание и ремонт

Техническая поддержка продукта

Первое истинное измерение давления было сделано Эванджелистой Торричелли в 17 веке, когда он изобрел ртутный барометр и измерил атмосферное давление. Ртутный барометр представляет собой просто стеклянную трубку, наполненную ртутью и помещенную вверх дном в сосуд с ртутью, не допуская проникновения воздуха (рис. 1). Торричелли обнаружил, что сила, с которой атмосфера воздействует на ртуть в чашке (на уровне моря), достаточна для поддержания столба ртути в трубке высотой 760 мм. Вес (сила) ртутного столбика точно уравновешивает давление (силу), которое атмосфера оказывает на ртуть в чашке. Если давление на поверхность ртути в посуде меньше нормального атмосферного давления, столбик ртути будет иметь высоту менее 760 мм, так как сила на ртуть в посуде будет меньше. Если бы на ртуть в чашке не оказывалось давления газа (т. е. если бы она находилась в вакууме), уровень столба был бы равен уровню ртути в чашке. Так, вакуум, т. е. давление ниже атмосферного, исторически делился на 760 единиц, исходя из высоты ртутного столба в манометре. Этот эксперимент является причиной того, что сегодня мы используем единицу измерения вакуумного давления, названную в честь Торричелли — торр — и почему торр составляет ровно 1/760 нормального атмосферного давления на уровне моря. Производная от торра, часто используемая в измерениях вакуума в полупроводниковых процессах, — это миллиторр или 1/1000 торр. Давление ниже 1,0 миллиторр обычно выражается в виде научного уведомления (например, 1,0 x 10 ^-6 Торр). Вакуумные и метеорологические измерения в европейских и азиатских системах обычно относятся к давлению в «атмосферах», где 1 атмосфера (обозначаемая как 1 бар) является нормальным атмосферным давлением на уровне моря. Измерения вакуума в этой системе обычно выражаются в 1/1000 атмосферы (миллибар). Паскаль, еще одна единица, часто используемая для измерения давления, — это единица измерения давления в системе СИ, равная 1 ньютон/м2.

Со времен Торричелли заполненные жидкостью манометры по-прежнему используются в качестве основного стандарта для измерения абсолютного вакуумметрического давления, при этом было разработано множество индивидуальных конструкций. Поскольку жидкостные манометры выполняют прямое и абсолютное измерение вакуума и давления, их часто считают основным эталоном измерения, на который можно ссылаться при измерениях, сделанных другими типами устройств измерения давления. Многие виды устройств для измерения вакуума, обычно называемые вакуумметрами, были разработаны со времен Торричелли.

Рисунок 1 . Ртутный манометр.

Вероятно, самый распространенный тип вакуумметров, встречающихся в технологической среде, — это те, которые используют механическую деформацию в качестве основного принципа измерения давления. К ним относятся мембранные, сильфонные и манометры Бурдона. Поскольку давление является мерой силы на единицу площади, давление может деформировать различные виды материальных элементов воспроизводимым образом. Степень деформации, которой подвергается элемент, пропорциональна как свойствам материала элемента, так и оказываемому на него давлению. Таким образом, тонкие и гибкие элементы можно использовать для измерения низких давлений (более толстые и жесткие элементы можно аналогичным образом использовать для измерения высоких давлений). Степень отклонения этих элементов можно измерить различными способами, включая прямое механическое измерение, изменение электрических свойств устройства, содержащего элемент, и отклонение оптических датчиков. На рис. 2 показаны некоторые конструкции, которые можно использовать в качестве деформационных элементов в устройстве измерения давления. К механическим деформационным датчикам относятся емкостные манометры, датчики Бурдона, резонансные мембранные датчики, сильфонные датчики, пьезоэлектрические датчики и др.

Рисунок 2 . Общие механические деформации элементов, используемых в устройствах измерения давления, и характер их деформации при изменении давления.

Емкостные манометры обнаруживают отклонение диафрагмы по изменению емкости между диафрагмой и питаемым электродом. Они обычно используются для измерения давления/вакуума. Вариантом этого подхода являются тензометрические датчики, которые обычно встречаются в приложениях с положительным давлением (т.е. выше атмосферного давления). В тензодатчиках используется тонкая диафрагма с электронной схемой тензодатчика, установленной на ее задней стороне. Изменение давления заставляет диафрагму отклоняться, вызывая деформацию, регистрируемую датчиком.

Некоторые конструкции вакуумметров основаны на реакции на плотность газа и некоторых молекулярных свойствах, зависящих от вида, таких как удельная теплоемкость. Например, в датчиках теплопроводности давление газа определяется путем измерения передачи энергии от нагретой проволоки окружающему газу. Тепло передается газу за счет столкновений молекул с проволокой, и частота (и, следовательно, степень передачи тепла) этих столкновений зависит от давления газа и молекулярного веса молекул газа. Эти манометры показывают простую пропорциональность между давлением и теплопередачей только при относительно низких давлениях, с типичными диапазонами измерения, находящимися между 10 ^-4 и 10 торр. Измерители теплопроводности включают термопары, термисторы и датчики Пирани. Как правило, они относительно недороги и надежны. На рис. 3 представлена физическая конфигурация головки манометра Пирани и электрическая схема, используемая для измерения давления. В измерении тепловой элемент используется как одно плечо моста Уитстона. С помощью моста можно измерить изменения электрического сопротивления элемента, и эти изменения пропорциональны его температуре. Используя эту информацию и известные электрические характеристики элемента, можно рассчитать теплопередачу и связать ее с давлением газа. Термопарные и термисторные манометры очень похожи на манометры Пирани с основным отличием в том, что температура горячей проволоки измеряется непосредственно с помощью термопары или термистора, прикрепленного к элементу.

Рисунок 3 . Физическая и электрическая конфигурация датчика теплопроводности Пирани.

Другой тип измерения плотности включает ионизацию окружающего газа. Принцип работы одной из разновидностей ионизационного датчика этого типа, датчика с горячим катодом, показан на рис. 4. Нить накала (катод) испускает электроны посредством термоэлектронной эмиссии, и положительный электрический потенциал на сетке ускоряет эти электроны вдали от датчика. нить. Электроны колеблются в сетке, пока в конце концов не ударяются либо о сетку, либо о молекулу газа. Когда электрон сталкивается с молекулой газа, создается положительно заряженный катион, который ускоряется и собирается отрицательным электродом, известным как коллектор. Создаваемый таким образом электрический ток прямо пропорционален количеству ионов, образующихся в газовой фазе, что, в свою очередь, прямо пропорционально давлению газа.

Рисунок 4 . Принцип работы ионизационного датчика с горячим катодом.

Анализаторы остаточных газов (RGA) часто используются для измерения давления, особенно в полупроводниковой промышленности, где они обычно используются для других технологических целей. RGA — это компактные масс-спектрометры, которые могут обнаруживать и анализировать остаточные газы в вакуумной системе. В RGA поступающие газы ионизируются способом, аналогичным тому, который используется в ионизационных датчиках, а ионы фильтруются по массе с использованием электромагнитного квадруполя. Квадруполь может управляться для создания переменного электромагнитного поля, которое можно перемещать для обнаружения ионов с различным отношением массы к заряду. После выхода из квадруполя ионы обнаруживаются с помощью цилиндра Фарадея или других более чувствительных детекторов. Подробное обсуждение принципов работы и характеристик RGA обсуждается в Разделе E. 9.0005

Другие специальные методы использовались для измерения вакуумметрического давления в режимах от сверхвысокого до сверхвысокого вакуума. Это разновидности ионизационных датчиков.

Выбор метода измерения для данного применения вакуума во многом зависит от ожидаемой вакуумной среды и степени точности, необходимой для измерения. Например, манометр, предназначенный для измерения технологического давления во время осаждения или травления, должен по необходимости подвергаться воздействию технологических газов. Это может повлиять или не повлиять на точность измерения, а также может вызвать физико-химические проблемы для компонентов датчика, в зависимости от типа газа, используемого в процессе. Если вакуумметр необходим для измерения базового давления в системе, в которой химическая природа остаточных газов неизвестна, то манометры, в которых измерение имеет зависимость от молекулярных свойств измеряемого газа, могут оказаться непригодными. В производственной среде также важно, чтобы выбор калибра был экономически выгодным. В случае вакуумметров, в зависимости от конструкции и связанного с ними вспомогательного оборудования, стоимость вакуумметров может варьироваться на порядки. После определения характеристик диапазона, точности, совместимости с технологическими процессами и стоимости вакуумметра важно выбрать манометр, который наилучшим образом соответствует этим характеристикам. В таблице 1 приведено сравнение различных типов манометров по относительной производительности в нескольких областях, а также относительная стоимость таких манометров. В этом разделе содержится более подробная информация о типах вакуумметров, обычно используемых в производстве полупроводниковых устройств.

	Механические датчики	Термометры	Тензодатчики	Измерители емкости	Датчики ионизации	Манометры вращающегося ротора
Диапазон давления/вакуума	0–500 атм	10 ^{-4 9от 0113 до 760 торр}	от 0 до 500 атм	10 ^-4 до 500 атм	10 ^-9 до 0,01	10 ^-7 до 1
Чувствительность к газу	Нет	Высокий	Нет	Нет	Высокий	Высокий
Точность	От бедного к хорошему	Ярмарка	От честного до хорошего	Отлично	Ярмарка	Отлично
Основное питание	№	Да	Да	Да	Да	Да
Электрический выход	№	Да	Да	Да	Да	Да
Коррозионная стойкость	Бедный	Ярмарка	Хорошо	Отлично	Бедный	Бедный
Физический размер	От хорошего к бедному	Хорошо	Отлично	Отлично	Ярмарка	Ярмарка
Общая безопасность персонала	Ярмарка	Бедный	Ярмарка	Хорошо	Ярмарка	Хорошо
Относительная стоимость	От удовлетворительного до отличного	Хорошо	От удовлетворительного до отличного	Ярмарка	Ярмарка	Высокий

Таблица 1 . Производительность и относительная стоимость основных типов манометров.

Из-за почти всеобщей потребности в датчиках давления, которые могут подавать сигналы для управления процессом и автоматизации в производстве полупроводников, простые механические манометры, такие как манометр Бурдона и сильфонный манометр, находят лишь ограниченное применение на фабриках полупроводниковых устройств и не будут обсуждаться далее.

Измерение вакуумного давления

Основы вакуумного давления
Создание вакуума
Вакуумметр Пирани для теплопроводности Физика
Емкостной манометр Физика
Ионизационный вакуумметр Физика
Вакуумметр с вращающимся ротором Физика

Для получения дополнительной информации по таким полупроводниковым темам загрузите наш бесплатный справочник MKS Instruments: Semiconductor Devices & Process Technology

Запрос справочника

Чтобы предоставить вам лучший сервис и продукты, мы просим предоставить краткую информацию ниже. Будущие загрузки будут доступны автоматически.

Имя Обязательно
Фамилия: Требуется
Компания/Организация/Школа:Требуется
Адрес электронной почты: обязательно
Страна/регион: требуется
Штат/провинция: необязательно
Электронная почта: Необязательный Да, согласен.