(от вакуум и ...метрия ), совокупность методов измерения давления разреженных газов. Универсального метода измерений вакуума не существует. При измерении давления основываются на различных физических закономерностях, прямо или косвенно связанных с давлением или плотностью газа. Единица давления в Международной системе единиц (СИ) - ньютон на квадратный метр ( н / м 2). В вакуумной технике применяется также внесистемная единица мм рт. ст. 1 мм рт. cт. 133,322 н / м 2.Измеряют вакуум вакуумметрами, каждый из которых имеет свой диапазон измерения давлений ( рис. 1 ). По устройству вакуумметры разделяются на жидкостные, механические (деформационные, мембранные и др.), компрессионные (например, вакуумметр Мак-Леода), тепловые (термопарный и теплоэлектрический), ионизационные, магнитные, электроразрядные, вязкостные, радиометрические. Этими вакуумметрами измеряют полное давление.
При оценке вакуума, помимо полного давления, часто необходимо измерять парциальные давления компонентов газа. Для этого пользуются некоторыми типами масс-спектрометров и специальными измерителями. В отличие от аналитических масс-спектрометров, измерители парциальных давлений не имеют собственной вакуумной системы и устанавливаются непосредственно на откачиваемых объёмах. Диапазон измерений парциальных давлений 103-10-10 н / м 2 (10- 10-12 мм рт. ст. ).
В жидкостном (гидростатическом) вакуумметре ( рис. 2 ) газ давит на жидкость, находящуюся в U-oбразной трубке. В одном из колен находится газ при измеряемом давлении р в,а в другом - при известном (опорном) давлении р к. Если плотность жидкости r, то разность давления в коленах уравновесится столбом жидкости высотой h :
р в - p k g r h ,
где g - ускорение свободного падения; обычно p k ' р в. Применяемые жидкости (ртуть или вакуумные масла ) имеют малое парциальное давление пара при рабочей температуре и химически нейтральны по отношению к газам и материалу трубки. Жидкостные вакуумметры бывают с закрытым и открытым коленом, колокольные и др. Недостатки жидкостных вакуумметров: проникновение паров жидкости в вакуумную систему, небольшой диапазон измерения давлений с нижним пределом до 10-1 н / м 2 (10-3 мм рт. ст .).
В механическом вакуумметре газ давит на чувствительный элемент (спиральную трубку, сильфон, мембрану). Например, в мембранном вакуумметре ( рис. 3 ) мембрана герметически отделяет вакуумную систему от объёма, в котором поддерживается постоянное опорное давление, обычно в 100-1000 раз меньше измеряемого. Деформация мембраны передаётся стрелке, передвигающейся по шкале. При измерении малых давлений для повышения чувствительности мембрану соединяют с электрическим датчиком. Механический вакуумметр обычно позволяет измерять давления до 102 н / м 2(1 мм рт. ст. ).
Компрессионным вакуумметром ( рис. 4 ) можно измерять более низкие давления 10-3 н / м 2 ( 10-5 мм рт. ст. ). Действие такого вакуумметра основано на Бойля - Мариотта законе . Основные части прибора: баллон объёмом V, два капилляра одинакового диаметра d , один из которых запаян, и трубка, соединяющая прибор с системой, в которой измеряется давление; снизу вводится жидкость (в большинстве случаев ртуть), которая отсекает в объёме V газ при измеряемом давлении р и затем сжимает его до давления p 1³ р в малом объёме запаянного капилляра
где h - высота части капилляра, не заполненная жидкостью. Давление p 1 определяется по разности уровней столбиков жидкости в запаянном и открытом капиллярах. По закону Бойля - Мариотта p p 1 V 1/ V , таким образом измеряемое давление можно определить, если известны d и V .
Показания жидкостных, механических и компрессионных вакуумметров не зависят от природы газа.
Для измерения вакуума до 10-2 н / м 2 (10-4 мм рт. ст. ) можно применять также и тепловой вакуумметр, принцип действия которого основан на зависимости теплопроводности разреженных газов от давления. Датчиком прибора служит герметичный баллон с проволокой, нагреваемой электрическим током. При изменении давления в системе изменяется отвод тепла от нити датчика и, следовательно, её температура (при постоянной мощности). Различают термопарные вакуумметры, температура нити которых измеряется присоединённой к ней термопарой, и теплоэлектрические вакуумметры сопротивления, температуру нити которых определяют по её электрическому сопротивлению.
В ионизационном вакуумметре газ ионизуется каким-либо источником постоянного ионизующего излучения. Интенсивность ионизации газа зависит от давления. В электронных ионизационных вакуумметрах ионизация производится потоком электронов. Обычно такой вакуумметр имеет три электрода ( рис. 5 ): катод К , анод А , создающие электрическое поле, которое ускоряет электроны и сообщает им энергию, необходимую для ионизации; отрицательный коллектор Кол , собирающий образующиеся в газе положит, ионы. Сила ионного тока в цепи коллектора служит мерой давления газа. Ионизационными вакуумметрами можно измерять вакуум в широких пределах (см. рис. 1 ). Сверхвысоковакуумным ионизационным вакуумметром, так называемой лампой Байярда-Альперта ( рис. 6 ), можно измерять давления в широких пределах. Этот вакуумметр имеет катод, находящийся снаружи, и коллектор, которым служит тонкая проволока, помещенная внутри анодной сетки. Таким вакуумметром можно измерять давления до 10-8 н / м 2 (10-10 мм рт. ст. ). Ионизационный вакуумметр Лафферги ( рис. 7 ) работает в магнитном поле. Это позволяет удлинить пути электронов в рабочем пространстве и обеспечить высокую эффективность ионизации при очень малом электронном токе. Нижний предел измерений такого вакуумметра - 10-11 н / м 2 (10-13 мм рт. ст. ). Для измерения давлений до 10-5 н / м 2 (10-7 мм рт. ст. ) применяют ионизационный радиоизотопный вакуумметр ( альфатрон ), в котором ионизация газа осуществляется a-частицами.
В магнитном электроразрядном вакуумметре использована зависимость тока электрического разряда в магнитном поле от концентрации газа, а следовательно, и от его давления. Этими вакуумметрами также можно измерять сверхвысокий вакуум до 10-12 н / м 2 (10-14 мм рт. cm. ). Вакуумметр ( рис. 8 ) состоит из преобразователя, имеющего 2 плоскопараллельные катодные пластины К и помещенный между ними кольцевой анод А , плоскость которого параллельна пластинам. Трубка расположена в магнитном поле постоянного магнита с напряжённостью Н 32 ка / м (400 э ); направление поля перпендикулярно пластинам. Между электродами приложено напряжение U 2-3 кв через сопротивление R 1 Мом . Сила разрядного тока служит мерой давления и измеряется гальванометром Г. Совместное действие электрического и магнитного полей многократно удлиняет траектории электронов и увеличивает вероятность ионизации газа. Это приводит к возникновению и существованию самостоятельного разряда при очень низких давлениях. Первыми электроразрядными вакуумметрами измеряли давления до 10-2 н / м 2(10-4 мм pт . ст .), а современными электроразрядными вакуумметрами (в том числе выпускаемыми в СССР) - до 10-12 н / м 2(10-14 мм рт . ст .).
Вязкостный вакуумметр применяют в лабораторной практике для измерения давлений до 10-4 н / м 2(10-6 мм рт . ст .). Принцип его действия основан на зависимости вязкости разреженного газа от его давления. Существуют демпферный вязкостный вакуумметр и вязкостный вакуумметр с диском. В первом мерой давления служит время затухания свободных колебаний какого-либо вибратора в газе. Во втором - вращающийся с большой скоростью диск передаёт через газ вращающий момент др. диску, подвешенному на тонкой нити; угол поворота этого диска служит мерой давления.
В радиометрическом вакуумметре используется радиометрический эффект . Между двумя неодинаково нагретыми пластинами, помещенными в разреженный газ, возникают силы, отклоняющие пластины на величину, пропорциональную давлению газа. Показания такого вакуумметра почти не зависят от природы газа. Предел измерения 10-5 н / м 2(10-7 мм рт . ст .).
Лит.: Дэшман С., Научные основы вакуумной техники, пер. с англ., М., 1964; Эшбах Г. Л., Практические сведения по вакуумной технике, М.-Л., 1966; Лекк Д. Х., Измерение давления в вакуумных системах, пер. с англ., М., 1966; Востров Г. А. и Розанов Л. Н., Вакуумметры, Л., 1967.
А. П. Аверина, А. М. Григорьев, Л. П. Хавкин.