Два типа манометров (слева) Манометр с U-образной трубкой, в котором перепад давления измеряется как разница ч между показаниями высокого и низкого давления, умноженная на плотность жидкости в трубка.(Справа) Манометр с трубкой Бурдона, в котором спиральная трубка, сплющенная в показанном поперечном сечении и прикрепленная к неподвижному блоку, открыта для жидкости под давлением. Трубка слегка выпрямляется под давлением до степени, измеренной стрелкой.

Манометр с трубкой Бурдона, изобретенный примерно в 1850 году, до сих пор остается одним из наиболее широко используемых инструментов для измерения давления жидкостей и газов всех типов, включая пар, воду и воздух до давлений. 100 000 фунтов на квадратный дюйм (70 000 ньютонов на квадратный см).Устройство (также изображенное на рисунке) состоит из плоской круглой трубы, свернутой по дуге окружности. Один конец припаян к центральному блоку и открыт для жидкости, давление которой необходимо измерить; другой конец запломбирован и соединен со шпинделем указателя. Когда давление внутри трубки превышает внешнее давление, трубка стремится выпрямиться, поворачивая указатель. Давление читается по круговой шкале.

Металлические сильфоны и диафрагмы также используются в качестве чувствительных к давлению элементов. Из-за больших отклонений при небольших изменениях давления сильфонные инструменты особенно подходят для давлений ниже атмосферного. Две гофрированные диафрагмы, герметизированные по краям для образования вакуумированной капсулы, используются в барометрах-анероидах для измерения атмосферного давления ( см. Высотомер ).

В этих приборах используются механические соединения, поэтому они в первую очередь полезны для измерения статического давления или давлений, которые медленно меняются.Для быстро меняющихся давлений больше подходят электрические преобразователи давления, которые преобразуют давление в электрический сигнал. К ним относятся тензодатчики; подвижные контактные элементы сопротивления; индуктивность, сопротивление, емкостные и пьезоэлектрические устройства. Электромеханические преобразователи, которые используются в гидравлических контроллерах, где необходимы скорость и мощность, преобразуют изменения давления жидкости в электрические сигналы.

Манометры и приборы — WIKA USA

Манометр — обычный компонент в различных отраслях промышленности по всему миру.Но не все датчики созданы одинаково или предназначены для каждой ситуации. WIKA Instrument LP уже более 60 лет находится на переднем крае инноваций и качества в области манометров и приборов для измерения давления, что делает нас экспертом в области манометров для различных отраслей и областей применения.

Манометры с трубками Бурдона являются наиболее распространенными приборами для измерения давления, используемыми сегодня. Они сочетают в себе высокий уровень измерительной техники, простоту эксплуатации, надежность и гибкость с преимуществами промышленного и экономичного производства.Манометры с трубкой Бурдона не нуждаются во внешнем источнике питания и являются лучшим выбором для большинства применений.

Манометры являются важнейшими компонентами большинства технологических систем. В таких условиях манометр должен быть надежным, точным и легко читаемым, чтобы предотвратить сбои в повседневных операциях. Таким образом, конструкция и испытания манометра чрезвычайно важны для обеспечения надежности, безопасности и спокойствия. В конце концов, сбои могут стоить времени, денег и потери производительности.

Применения для манометров с трубкой Бурдона от высокоавтоматизированных химических процессов, таких как нефтеперерабатывающие заводы и нефтехимия, до гидравлических и пневматических установок.Эти типы датчиков также можно найти во всех критических точках мониторинга и безопасности в сегодняшней энергетической отрасли, от разведочных скважин и нефтехимических заводов до электростанций и очистных сооружений.

Манометры технологического давления защищают от экстремальных условий окружающей среды, например, в нефтегазовой и нефтехимической промышленности, которые сталкиваются с вибрацией, пульсацией, скачками давления и коррозией. WIKA производит полную линейку манометров для всех ваших технологических, нефтегазовых и химических применений.

Манометры низкого давления подходят для агрессивных сред и газообразных или жидких сред, которые не будут препятствовать системе давления. Манометры низкого давления WIKA подходят для химической, нефтехимической промышленности, строительства заводов, пневматических систем и чистых помещений.

Манометры — это манометр в сочетании с изолятором разделительной диафрагмы, предназначенный для устранения возможных путей утечки. Манометры WIKA подходят для санитарной, химической, нефтехимической, фармацевтической и перерабатывающей промышленности.

Прецизионные измерительные приборы предназначены для калибровочных и испытательных лабораторий. Эти высокоточные контрольно-измерительные приборы подходят для коррозионных и промышленных применений. Высокоточные контрольно-измерительные приборы WIKA предназначены для панелей контроля давления в газообразных или жидких средах, которые не будут препятствовать работе системы давления или разрушать детали из медных сплавов и приложения в обрабатывающей промышленности.

Дифференциальные манометры и дуплексные манометры предназначены для нефтегазовой, альтернативной топливной, химической, климатической, холодильной и вентиляционной промышленности.Манометры дифференциального давления и сдвоенные манометры предназначены для измерения двух приложенных давлений; высокое и низкое давление и статическое рабочее давление. Дифференциальные и дуплексные манометры WIKA подходят для агрессивных сред с жидкими или газообразными средами, криогенными газами и когда требуется разделение сред.

Манометры абсолютного давления измеряют абсолютное давление без влияния изменения барометрического давления и используются для контроля давления конденсации и давления пара жидкостей.Манометры абсолютного давления WIKA подходят для промышленности и применения в агрессивных средах, а также в газообразных и жидких средах.

PSI: стандартное (относительное), абсолютное и дифференциальное давление

Что такое датчик PSI?

Манометр PSI — это манометр, показывающий значение в фунтах на квадратный дюйм. Существуют сотни различных моделей манометров PSI, предназначенных для самых разных промышленных и технологических применений.Манометры PSI обычно продаются и используются в США

WIKA — один из крупнейших производителей манометров PSI в мире, и наши надежные и точные манометры помогают производителям, медицинским работникам, розничным продавцам, ремонтным бригадам и потребителям выполнять свою работу правильно или быстро добираться до места назначения.

Типы манометров PSI

Манометр для стандартного (относительного) давления

Стандартный или относительный манометр измеряет давление с помощью трубки Бурдона или другой технологии.В большинстве случаев стандартный манометр используется для определения разницы между давлением в трубе или резервуаре и давлением окружающей среды. Следовательно, манометр относительного давления должен иметь вентиляционное отверстие для подключения к внешней атмосфере.

Технический термин в США для показания давления, выдаваемого относительным манометром, — фунты на квадратный дюйм манометра (PSIG).

WIKA предлагает полную линейку стандартных манометров PSI с большим разнообразием моделей, разработанных для удовлетворения потребностей различных отраслей и приложений.

PSI Манометр для измерения абсолютного давления

Манометры абсолютного давления работают по той же технологии, что и стандартные манометры, но имеют нулевую привязку к идеальному вакууму, а не к окружающей атмосфере. Устройства абсолютного давления используются при измерении величин, где необходимо определять абсолютные значения (высотомеры, лабораторные и научные приложения).

Технический термин в США для показания давления, измеряемого абсолютным манометром, — фунты на квадратный дюйм абсолютного давления (PSIA).

WIKA предлагает шесть отдельных моделей манометров абсолютного давления для промышленного и научного использования.

PSI Манометр для измерения перепада давления

Манометр дифференциального давления используется для определения разницы между двумя отдельными физическими областями. Например, манометр дифференциального давления обычно используется при мониторинге фильтра для проверки перепада давления от одной стороны фильтра к другой. При таком виде системы мониторинга, если перепад давления падает ниже критического порога, срабатывает аварийный сигнал, чтобы техник мог заменить фильтр.

Благодаря их высокому качеству и удобной для отрасли конструкции десятки тысяч манометров дифференциального давления WIKA сегодня используются на нефтеперерабатывающих, химических и производственных предприятиях, а также на фармацевтических предприятиях в США и Великобритании.

Служба технической поддержки WIKA здесь для вас. Не стесняйтесь звонить или писать по электронной почте, если у вас есть какие-либо вопросы о манометрах или измерении давления, или если вы просто хотите узнать больше о последних разработках в области приборов для измерения давления.

Свяжитесь с нами

Хотите получить дополнительную информацию? Напишите нам:

Манометры (для снятия показаний в нефти, воде и газе)

Часто задаваемые вопросы о манометрах

Что такое манометр?

Манометр — это устройство, измеряющее давление в сжатом газе или жидкости.

Манометры используются во многих отраслях промышленности. Примеры повседневного использования включают измерение давления в шинах или артериального давления.В промышленности датчики контролируют находящиеся под давлением системы, будь то холодильная установка в пищевой промышленности или оборудование на атомной электростанции.

Стандартные манометры измеряют давление относительно атмосферного давления.

Они будут использоваться в котлах и всевозможных системах сжатого воздуха. Вакуумметры и абсолютные датчики снимают показания против абсолютного вакуума. Оборудование для измерения атмосферного вакуума, глубокого вакуума или показаний высотомера должно измерять абсолютное давление.

Другие типы манометров включают манометры с цифровым дисплеем, которые могут облегчить считывание, или манометры с аналоговыми циферблатами, которые напрямую связаны с манометром.

Что такое калибровка?

Калибровка — это процесс тестирования и последующей корректировки точности измерительного оборудования.

Измерительное оборудование со временем теряет точность, и калибровка жизненно важна для обеспечения надежности записей. Для любой отрасли, где требуется точность измерений, например, показаний давления и температуры, необходима надежная служба калибровки.

Как часто следует калибровать манометр?

Повторная калибровка манометра определяется конечным пользователем. Как правило, чем важнее отрасль, тем чаще калибруется манометр. Обычно это записывается в процедуру или руководство сайта. После нашего многолетнего опыта мы, безусловно, чаще всего сталкиваемся с ежегодным опытом.

Какие стандартные технологические соединения используются для подключения манометра к моему приложению?

У нас есть информационная страница, посвященная технологическим соединениям манометров, щелкните здесь, чтобы посетить.

Наиболее распространенным технологическим соединением, используемым в Великобритании, является BSP (British Standard Pipe), которое имеет параллельную резьбу и втулку на дне. Герметичное уплотнение выполнено с помощью приклеенной шайбы.

Другое широко используемое технологическое присоединение — это NPT (национальная трубная резьба), которая используется в основном в других странах, особенно в США. Герметичное уплотнение выполняется на конической резьбе (обычно на ленте из ПТФЭ).

Присоединения к процессу обычно доступны с размерами 1/8 ″, 1/4 ″, 3/8 ″ и 1/2 ″ как для размеров BSP, так и для NPT *:

* Размеры технологических соединений BSP и NPT не связаны с физическим размером соединения или резьбы.

У нас есть страница с информацией о подключении к процессу, на которой представлена ​​полная информация о наиболее часто используемых потоках, включая их физические размеры.

Абсолютное, избыточное и дифференциальное давление — что они означают?

Absolut e, манометрический и дифференциальный — это совершенно разные методы измерения давления.

• Манометрическое давление — это отклонение определенного давления от атмосферного. Он может быть положительным или отрицательным.
  Например, манометр с круговой шкалой, стрелка которого показывает ноль при отсутствии давления, обычно измеряет манометрическое давление. Манометрическое давление — это, безусловно, наиболее распространенный метод измерения, используемый во всем мире.
• Абсолютное давление — это измерение давления относительно полного или абсолютного вакуума. Всегда будет положительно.
  Например, барометр измеряет абсолютное давление.
• Дифференциальное давление — это измерение любого давления относительно другого давления.Он может быть положительным или отрицательным.
  Например, манометр, используемый для измерения падения давления на воздушном фильтре, измеряет перепад давления.

Что такое класс точности?

Класс точности — это способ измерения допустимого уровня погрешности оборудования, работающего под давлением. Он указывается в процентах от диапазона показаний шкалы. Например, класс точности 4 манометра на 10 бар будет означать, что показания могут отличаться на + 4% или +0,4 бар во всем диапазоне измерения.

Почему на корпусе манометра есть желтые рычаги?

Для диапазонов давления ниже 363 фунтов на кв. Дюйм (25 бар) манометры, как правило, имеют что-то, называемое пробкой заливного отверстия. Эти заглушки поставляются с небольшими желтыми рычагами, которые при поставке закрыты. Убедитесь, что вы открыли их при установке, чтобы в корпусе не создавалось давление. Это давление вызывает неприемлемо высокие отклонения точности для манометра.

В чем разница между стандартным манометром и предохранительным манометром?

Защитные манометры обычно используются в газовой промышленности и разработаны с учетом требований безопасности оператора.Они имеют дополнительную прочную перегородку, приваренную между циферблатом и измерительной системой. В корпусе также есть окно из безопасного стекла и задняя стенка, которая может полностью взорваться в случае разрыва.

Когда следует использовать ограничитель?

Ограничители используются для регулирования потока внезапных изменений давления, иногда называемых «скачками». Ограничитель вставлен в гнездо манометра и проталкивает жидкость через небольшое пространство, ограничивая поток жидкости к элементу.Защищая датчик от внезапных колебаний давления, вы улучшите характеристики и срок службы вашего манометра.

Что такое ATEX?

ATEX — это комбинация двух директив ЕС, в которых подробно описывается, какое оборудование должно использоваться на рабочем месте с потенциально взрывоопасной средой: Директива 94/9 / EC по оборудованию и Директива 99/92 / EC на рабочем месте.

ATEX является синонимом французского названия директивы 94/9 / EC «Appareils destinés à être utilisés en Atmosphères Explosibles».

Что такое диафрагменный манометр?

Мембранные манометры часто используются там, где может возникнуть засорение. Мембрана не имеет небольшого впускного отверстия, поэтому среда не уплотняется и вызывает закупорку. Существует несколько различных типов, от фланцевых до гигиенических с гайкой и гильзой.

Сколько PSI в 1 баре?

Давление составляет 14,5038 фунтов на квадратный дюйм на 1 бар.

Сколько бар в 1 PSI?

Давление составляет 0,0689476 бар на 1 фунт / кв. Дюйм.

Что такое глицерин?

Глицерин — прозрачная вязкая жидкость пищевого качества. Обычно он используется в манометрах для стабилизации стрелки при установке на источнике давления или вокруг него.

Почему ваша измерительная жидкость заполнена?

Жидкость внутри головки датчика действует как демпфирование для движущихся частей. В результате можно предотвратить любые повреждения, вызванные вибрацией, пульсацией и общим износом.

Что означает f.s.d или f.s?

Ф.S.D или F.S относятся к точности манометра, это означает полное отклонение или полное отклонение. Это означает, что точность (C.L или K.L) датчика соответствует полному диапазону.

Что обозначают C.L или K.L на циферблате?

C.L — это класс точности манометра, чаще встречается в Великобритании. K.L имеет то же значение, но чаще встречается в Европе.

Как называется манометр и вакуумметр?

Манометр с отрицательным и положительным давлением называется составным манометром.

Как защитить манометр от скачков, скачков или внезапного сброса давления?

Есть несколько различных вариантов помощи при резком скачке давления. Самый простой способ — установить внутренний ограничитель. Это небольшой винт с очень тонким отверстием для ограничения скорости поступления давления в манометр.

Какой датчик помогает при засорении?

Датчики для диафрагмы и раствора не используются с засоряющейся средой. Диафрагма действует как перегородка между технологическим процессом и трубкой Бурдона.

— обзор

11.2 Считывание сигнала давления

Давление в качестве выходного сигнала имеет преимущества удобного и быстрого вывода, включая манометр, электронные весы, консоль и т. Д. Сигнал давления в качестве выходного значения можно быстро идентифицировать и использовать в качестве небольшого самодельного устройства.

Lin et al. использовали самые распространенные в лаборатории электронные весы в качестве выходного устройства для разработки нового аптамерного сенсора для количественного определения белка (рис.11,4; Wang et al., 2018). Они выбрали тромбин в качестве мишени, используя два аптамера в разных местах (один аптамер иммобилизован на поверхности магнитных частиц, а другой аптамер, меченный на наночастицах платины (PtNP)) для распознавания белка. И аптамеры, и тромбин специфически связываются с образованием сэндвич-структуры. Исходя из этого, частицы платины были связаны с магнитными частицами и легко отделялись магнитом. Таким образом, захваченные наночастицы платины эффективно катализируют разложение H ₂ O ₂ , производя большое количество O ₂ , которое вытесняет определенное количество воды в выпускном устройстве, поскольку давление во флаконе было выше, чем давление вне флакона.Используя давление в качестве выходного сигнала, можно выполнить точное измерение веса воды с помощью электронных весов. Поскольку концентрация PtNP была пропорциональна концентрации тромбина, можно было установить тесную взаимосвязь между водой и мишенью. Вес воды увеличивался с увеличением концентрации тромбина в диапазоне 0–100 нМ с пределом обнаружения 2,8 нМ.

Рисунок 11.4. Принцип использования электронных весов в качестве тромбин-чувствительного белкового сенсора для считывания сигналов.

Кроме того, поскольку PtNP не были загрязнены H ₂ O ₂ , чувствительность можно регулировать в соответствии с конкретными требованиями, изменяя время реакции. Когда электронные весы используются в качестве считывающего устройства, перепад давления, вызванный непрерывным генерированием O ₂ , может быть вытеснен в воду в канализацию; таким образом, сигнал давления может быть преобразован в усиленный весовой сигнал.

Манометр представляет собой портативное устройство для точного количественного определения давления и широко используется для обычных измерений. Благодаря своей портативности и чувствительности датчик подходит для широкого спектра анализов белка. Образование газа может привести к значительному увеличению давления внутри закрытого контейнера, что легко обнаружить с помощью манометра. Биосенсоры на основе давления могут применяться путем объединения биологических компонентов и считывания сигналов давления с усилением газового сигнала.

Путем каталитического разложения пероксида водорода в уплотнении до кислорода Yang et al. разработал основанный на давлении метод высокочувствительного биоанализа (Zhu et al., 2015). Как показано на фиг. 11.5A, сэндвич-биоанализ состоит из захватывающего антитела, связанного с твердой подложкой, целевого антигена из образца и детектирующего антитела, меченного катализатором, таким как фермент или каталитическая наночастица. При введении субстрата происходит быстро катализируемая реакция с выделением газа с последующим выделением газа, что приводит к значительному увеличению давления в уплотнительном устройстве.Повышение давления можно определить с помощью собственного манометра, который состоит из цифрового датчика атмосферного давления, литиевой батареи и ЖК-монитора для отображения давления воздуха. Затем этот подход, основанный на давлении, применяется для обнаружения С-реактивного белка (СРБ), биомаркера заболевания, путем преобразования распознавания СРБ / антител в сигнал давления, что позволяет проводить быструю и сверхчувствительную количественную оценку СРБ (Ji et al., 2016).

Рисунок 11.5. (A) Принцип работы биоанализа, при котором давление используется в качестве выходного сигнала.Высокая чувствительность анализа может быть достигнута путем преобразования сигналов молекулярного распознавания в измеряемые сигналы давления. (B) Быстрое и чувствительное обнаружение NF в раковых клетках с помощью ручного манометра. (C) Схема биосенсора на основе барометра.

Основываясь на том же принципе, Lin et al.разработали платформу для высокочувствительного количественного определения тромбина (Yang et al., 2015). Каталитические наночастицы были загружены на наносферы кремнезема, а затем полученный комплекс был модифицирован антителами перед проведением анализа на основе иммуноанализа (Wang et al., 2017). После разрушения высвободившиеся каталитические наночастицы впоследствии вызвали количественное измерение газовой реакции с помощью манометра дифференциального давления и повышение целевого давления.

Недавно Лу и др.сообщили о ручном манометрическом методе, в котором использовалось быстрое и чувствительное обнаружение раковых клеток (рис. 11.5B; Ding et al., 2017). В этом подходе конъюгированные с фолатом гетеропереходные нановолокна (NF) CuO / Co ₃ O ₄ выполняют две функции: одна — обеспечивать специфический лиганд для рецепторов фолиевой кислоты, сверхэкспрессируемых в раковых клетках, другая — эффективная фотокаталитическая активность, которая может разлагать комплекс боран-аммиак с образованием нетоксичного H ₂ . Tang et al. использовали наночастицы ядро-оболочка [защищенные по электронной почте] в качестве катализатора образования O ₂ и разработали пневматические биосенсоры для обнаружения различных целей (рис.11,5 ° C; Fu et al., 2017). Программное обеспечение для смартфонов было доработано для расчета и передачи результатов, чтобы технология стресса более способствовала обнаружению в реальном времени дома.

Биоанализ, в котором в качестве выходного сигнала используется давление, имеет два основных преимущества. Во-первых, сверхчувствительное обнаружение может быть достигнуто за счет двух мощных процессов усиления. При образовании газа объем реакционной системы увеличится на 2–3 порядка, что приведет к значительному увеличению давления в замкнутой системе.Более того, активный катализатор (например, PtNP) может катализировать 10 ⁶ молекул субстрата в секунду. Оба они вызывают значительное усиление сигнала, превышающее 10 ¹⁰ раз в течение нескольких минут после ответа. Во-вторых, измерение на основе давления не содержит шума электромагнитного излучения и шума магнитного поля. Эта уникальная функция упрощает конструкцию устройства и дополнительно способствует высокочувствительному и точному обнаружению.

Курт Дж. Лескер Компания | Технические примечания по измерению давления

Измерение давления

Единицы измерения

Давление ниже атмосферного измеряется в нескольких единицах, включая: торр (также называемый миллиметрами ртутного столба, мм рт. Ст.), Миллиторр (мТорр, но также называемый микрон, μ), дюймы ртутного столба («Hg»), миллибар (мбар) и паскаль ( Па).В США обычно используются три единицы измерения: микрон как единица измерения давлений, достигаемых обратными насосами, торр для насосов высокого вакуума и сверхвысокого вакуума и дюймы ртутного столба для насосов грубой очистки. В Европе миллибар является общей единицей измерения давления. В Японии используется паскаль, но часто торр является второстепенным. Большинству авторов научных / технических статей рекомендуется использовать паскаль в единицах СИ, а некоторые и делают.

Единицы производные от:

• Паскаль — сила в 1 ньютон (1 кг ускоряется со скоростью 1 м / сек./ сек) на 1 м ²
• Миллибар —1000 раз больше силы 1 дина (1 г при ускорении 1 см / с / с), действующей на 1 см ²
• Торр — 1/760 высоты ртутного барометра при «стандартном» атмосферном давлении
• Миллиторр или микрон —1000-я 1 Торр
• дюймов ртутного столба (вакуум) —1 / 29,92 высоты ртутного барометра при «стандартном» атмосферном давлении (принимая атмосферное давление за 0 дюймов ртутного столба)
• Дюймов рт. Ст. (Прогнозы погоды) —1/29.92 высоты ртутного барометра при «стандартном» атмосферном давлении (без давления 0 дюймов ртутного столба)

Диапазоны давления

Не существует «универсального» манометра, который может измерять давление от атмосферного до сверхвысокого (динамический диапазон 10 ¹⁵ ). По сути, для измерения давления используются три механизма, и выбор одного из них зависит от диапазона давления и остаточных газов в вакууме.

Базовые технологии:

Механические манометры имеют жидкостные или твердые диафрагмы, которые меняют положение под действием всех молекул газа, отскакивающих от них.Эти манометры измеряют абсолютное давление, не зависящее от свойств газа / пара. К сожалению, этот тип манометра неэффективен ниже 10 ^-5 Торр.

Приборы для измерения характеристик газа измеряют объемные свойства, такие как теплопроводность или вязкость. Они зависят от состава газа и эффективны в ограниченном диапазоне давлений от атмосферного до 10 ^-4 Торр.

Ионизационные манометры Для измерения высокого вакуума и сверхвысокого напряжения используется сбор заряда.Молекулы остаточного газа ионизируются электронами, и измеряется результирующий ионный ток. Хотя такие датчики будут ионизировать как пары, так и постоянные газы, их реакция зависит от других параметров, кроме потенциала ионизации, что затрудняет точное измерение общего давления в газовых смесях. Ионизационные манометры охватывают диапазон давления от 10 ^-4 Торр до 10 ^-10 Торр.

Типичное расположение двух датчиков, охватывающих интересующий диапазон от атмосферы до 1 x 10 ⁹ Торр, оставляет плохо закрытую полосу при давлениях, широко используемых при напылении, травлении, CVD и т. Д.К счастью, точные измерения, необходимые для воспроизводимой обработки между 10 ^-1 и 10 ^-3 Торр, могут быть выполнены путем добавления третьего датчика — емкостного манометра.

При выборе манометра, помимо диапазона давления, следует учитывать и другие характеристики: скорость откачки манометра; как на него влияют радиация, магнетизм, температура, вибрация и агрессивные газы; и повреждения, вызванные его включением при атмосферном давлении.Эти вопросы обсуждаются ниже в разделе «Как задать параметры в манометре», но их также можно найти в обширных текстах о вакууме, таких как «Руководство пользователя вакуумной технологии» Джона Ф. О’Хэнлона A.

Вакуумметры

Механические датчики

Давление газа — это сумма всех индивидуальных сил, вызванных каждым атомом или молекулой, сталкивающейся с поверхностью в любой момент. Механические датчики регистрируют эту общую силу, отслеживая движение поверхности против (восстанавливающей) силы, пытаясь удержать поверхность на своем первоначальном месте.Поскольку механические датчики реагируют только на молекулярный импульс, они измеряют давление любого газа или пара. Они могут быть очень точными или неточными в зависимости от того, как регистрируется движение.

Маклеод

Этот манометр, хотя и редко используется, в основном используется в качестве основного калибровочного стандарта для других манометров. Фактически, большой известный объем газа при неизвестном давлении улавливается в стеклянной колбе и сжимается за счет повышения уровня ртути до тех пор, пока газ не окажется в небольшом закрытом капилляре известного объема.Поскольку соотношение между исходным и конечным объемами известно и конечное давление можно измерить, исходное давление рассчитывается по закону Бойля (P1 x V1 = P2 x V2). Манометры МакЛеода особенно полезны в диапазоне от 1 Торр до 10 ^-4 Торр, но из-за сжатия не могут использоваться для измерения паров.

Бурдон

Бурдон

Типовые характеристики:

• Газ независимый
• от 1 до 760 торр
• Точность от 10 до 15%
• Типичная рабочая температура: от 0 ° C до 50 ° C

Когда закрытая изогнутая овальная трубка из медного сплава подключается к вакууму, атмосферное давление изгибает ее в большей или меньшей степени, в зависимости от внутреннего давления.Механическая сила перемещает стрелку индикатора через зубчатую связь. Манометры Бурдона используются в основном при измерении высокого давления (чаще всего присоединяются к регуляторам на газовых баллонах), но созданы различные варианты для измерения давления от 0 до 30 дюймов ртутного столба и используются для сублимационной сушки, «домашних» вакуумных систем, вакуума. пропитка и т. д., где основной проблемой является наличие вакуума, а не его точное измерение.

Пьезо

Типовые характеристики:

• Газ независимый
• 0.От 1 до 1000 торр
• Погрешность 1%
• Типичная рабочая температура: от 0 ° C до 40 ° C

Пьезорезистивные датчики давления обычно состоят из кремниевой пластины, которая обрабатывается на поверхности, которая превращает кристалл в подходящую отклоняющую диафрагму при воздействии нормального напряжения (давления). Толщина кристалла кремния в его минимальном сечении является основным фактором, определяющим диапазон давления манометра от 1500 до 0.1 торр. По мере того как диафрагма отклоняется под давлением, сопротивление пьезорезистивных элементов изменяется по величине, в результате чего сеть моста Уитстона выходит из равновесия. Подача напряжения на этот мост создает выходное напряжение, пропорциональное приложенному давлению. Если элементы имеют одинаковое сопротивление, будет нулевое выходное напряжение без перепада давления на диафрагме.

Емкостные манометры

Манометр

Типовые характеристики:

• Газ независимый
• Показывает четыре (4) декады ниже полной шкалы (F.S.) (т. Е. Манометр емкости 1000 Торр = от 1000 до 0,1 Торр, манометр емкости 0,1 Торр = 0,1 до 1e ^-5 Торр)
• Погрешность от 0,25 до 0,50%
• Версии для окружающей среды или с подогревом
• Типичная рабочая температура: от 0 ° C до 40 ° C

Отклонение тонкой металлической диафрагмы, отделяющей известное давление от неизвестного, является мерой разницы давлений между двумя объемами. В емкостном манометре, как следует из названия, отклонение измеряется с использованием электрической емкости между диафрагмой и некоторыми неподвижными электродами.Емкостные манометры — самые точные устройства для измерения перепада или абсолютного давления всех газов (включая пары, которые не конденсируются при рабочей температуре манометра).

Измерительные головки указаны по их максимальному измеренному давлению (от 25000 торр до 1 x 10 ^-1 торр), при этом каждая головка имеет динамический диапазон примерно на 10 ⁴ ниже этого. Обычно точность показаний датчика составляет 0,25%, при этом 0,08% можно получить из высокоточных продуктов.

В то время как манометры имеют заданную рабочую температуру, емкостные манометры можно настроить (перед покупкой) для работы при температурах выше окружающей среды. Эти «нагретые» блоки имеют внутри блока нагреватель, который нагревает мембрану до заданной температуры (например, 100 ° C). Это помогает поддерживать точность емкостного манометра, а также помогает снизить конденсацию паров на диафрагме (до тех пор, пока внутренняя температурная компенсация устройства не превышает температуру процесса).

Мембранные манометры

Подобно емкостному манометру, эти манометры используют отклонение тонкой металлической (или кремниевой) диафрагмы, отделяющей известное давление от неизвестного. Однако в этом типе датчика отклонение измеряется тензодатчиком, прикрепленным к диафрагме. Хотя это ограничивает минимальное измеряемое давление до 1 торр, оно обеспечивает стабильные, воспроизводимые показания устройства до 1200 торр.

Приборы для измерения состояния газа

Значения теплопроводности или вязкости для каждого конкретного газа различаются и нелинейно зависят от давления.Измерители свойств газа, представленные типичными газами вакуумной камеры, неточны. Это и множество других источников неотъемлемой погрешности позволяют предположить, что показания манометра приемлемы для регистрации повторяющихся событий давления, но мало полезны при измерении абсолютного давления.

Термопара

Термопара (T / C)

Типовые характеристики:

• Зависит от газа
• 1e ^-3 до 760 торр или 1e ^-3 до 1 торр
• Обычно пассивный (требуется контроллер)
• Погрешность 50% выше 10 Торр, 15% ниже 10 Торр
• Постоянный ток, переменная температура
• Типичная рабочая температура: от 0 ° C до 100 ° C

Нить накала в датчике термопары нагревается до определенной температуры с помощью постоянного тока.Когда молекулы взаимодействуют с нитью, тепло передается с заданной скоростью (в зависимости от теплопроводности молекул), что вызывает разницу температур. Эта переменная температура измеряется и преобразуется в выходное напряжение, за которым следует давление. Чем выше давление (больше молекул), тем больше перепад температур. Из-за конструкции датчика и размещения нити накала датчики термопары обычно не используются для измерений выше 10 Торр, поскольку множество молекул имеет тенденцию сливаться на определенной части нити, что приводит к неточности.

Со временем молекулы прилипают к нити, что приводит к неточным измерениям. В зависимости от того, чему подвергался датчик, нить накала можно очистить, налив небольшое количество растворителя на концевую часть фланца, установив контакт с нитью (при выключенном датчике). Это должно быть сделано после анализа SDS растворителя и молекул, используемых в процессе. Оказавшись внутри, устройство можно осторожно покрутить (не как марака), чтобы растворитель вступил в контакт со всей нитью в надежде растворить некоторые, если не все, застрявшие молекулы.После этого растворитель будет должным образом обработан, и все остаточные количества испарится. Это можно ускорить, включив устройство, которое будет обеспечивать тепло. Эта очистка не гарантирована, так как некоторые молекулы могли вызвать коррозию нити. В этом случае предлагается заменить датчик.

Пирани

Пирани

Типовые характеристики:

• Зависит от газа
• 1e ^{-4 от} до 1000 торр
• Точность 50% выше 10 Торр, точность 10% ниже 10 Торр
• Постоянная температура, переменный ток
• Типичная рабочая температура: от 0 ° C до 40 ° C

В датчике Пирани две нити, часто платиновые, используются в качестве двух плеч моста Уитстона.Эталонная нить накала погружается в газ с фиксированным давлением, а измерительная нить подвергается воздействию системного газа. Обе нити накала нагреваются током через мост, но, в отличие от большинства Т / К, датчик Пирани использует не постоянное напряжение или мощность, а постоянную температуру нити. Молекулы газа, ударяясь о погруженный элемент, отводят энергию, которая обнаруживается и заменяется цепью обратной связи к источнику питания. Датчик Пирани будет измерять в том же диапазоне, что и датчик термопары, но увеличен до 1e ^-4 Торр.Однако у этого манометра есть та же проблема, что и у термопары выше 10 Торр.

Со временем молекулы будут прилипать к нити, что приведет к неточным измерениям. В зависимости от того, чему подвергался датчик, нить накала можно очистить, налив небольшое количество растворителя на концевую часть фланца, установив контакт с нитью (при выключенном датчике). Это должно быть сделано после анализа SDS растворителя и молекул, используемых в процессе. Оказавшись внутри, устройство можно осторожно покрутить (не как марака), чтобы растворитель вступил в контакт со всей нитью в надежде растворить некоторые, если не все, застрявшие молекулы.После этого растворитель будет должным образом обработан, и все остаточные количества испарится. Это можно ускорить, включив устройство, которое будет обеспечивать тепло. Эта очистка не гарантирована, так как некоторые молекулы могли вызвать коррозию нити. В этом случае предлагается заменить датчик.

Конвекция

Пирани с улучшенной конвекцией

Типовые характеристики:

• Зависит от газа
• 1e ^{-4 от} до 1000 торр
• точность 5% выше 10 торр, точность 10% ниже 10 торр
• Постоянная температура, переменная температура
• Типичная рабочая температура: от 0 ° C до 40 ° C

Пирани с улучшенной конвекцией очень похож на датчик Пирани в том, что на нить накала подается ток для поддержания постоянной температуры.Когда молекулы взаимодействуют с нитью, тепло от нити отводится, и для поддержания постоянной температуры требуется больше тока. Этот перепад тока преобразуется в напряжение, а затем в давление. Однако такая конструкция датчика позволяет равномерно перемещаться вокруг нити за счет конвекции (правильного воздушного потока). Это сводит к минимуму карманы молекул, прилипающих к определенной части нити, обеспечивая более точное считывание. Это помогает поддерживать точность выше 10 торр.

Со временем молекулы будут прилипать к нити, что приведет к неточным измерениям.В зависимости от того, чему подвергался датчик, нить накала можно очистить, налив небольшое количество растворителя на концевую часть фланца, установив контакт с нитью (при выключенном датчике). Это должно быть сделано после анализа SDS растворителя и молекул, используемых в процессе. Оказавшись внутри, устройство можно осторожно покрутить (не как марака), чтобы растворитель вступил в контакт со всей нитью в надежде растворить некоторые, если не все, застрявшие молекулы.После этого растворитель будет должным образом обработан, и все остаточные количества испарится. Это можно ускорить, включив устройство, которое будет обеспечивать тепло. Эта очистка не гарантирована, так как некоторые молекулы могли вызвать коррозию нити. В этом случае предлагается заменить датчик.

Ионизационные манометры

Все ионизационные датчики с относительно небольшими различиями используют один и тот же принцип. Энергичные электроны ионизируют остаточные газы — положительные ионы собираются на электроде, и ток преобразуется в показания давления.Датчики с горячей нитью (Bayard-Alpert, Schulz-Phelps) используют термоэлектронную эмиссию электронов из горячей проволоки, в то время как датчики с холодным катодом (Penning, Inverted Magnetron) используют электроны из тлеющего разряда или плазмы.

На все измерения ионным манометром серьезно влияет состав газа. Например, отчет в J. Vac. Sci. Tech. указывает, что относительная чувствительность ионного датчика (относительно N ₂ = 1) составляет 5 для паров ацетона и 0,18 для He. То есть одно и то же абсолютное давление этих чистых (газообразных) материалов даст показания манометра, отличающиеся почти в 28 раз.Ионизационные датчики не дают точных измерений абсолютного давления, если они не были недавно откалиброваны с использованием точной газовой смеси, которая должна быть измерена.

Чувствительность

Термин относительная чувствительность, использованный выше, не следует путать с параметром, называемым «чувствительность датчика». Последнее происходит из уравнения, связывающего ток положительных ионов датчика (i _p ) для данной эмиссии электронов (i _e ) при данном давлении газа (P): i _p = S xi _e x P или P = 1 / S xi _p / i _e

Константа пропорциональности (S в единицах обратного давления) — это чувствительность датчика.’ Практические (накаливания) ионные манометры имеют чувствительность в диапазоне от 0,6 торр ^-1 до 20 торр ^-1 . Это важно при выборе контроллера ионного датчика, поскольку чувствительность датчика должна находиться в пределах доступного диапазона контроллера. Чем выше чувствительность датчика, тем выше вероятность ионизации молекулы.

Манометры горячей нити

Ион

Типовые характеристики:

• Зависит от газа
• 1e ^-9 до 1e ^-4 Торр (B-A) или 1e ^-11 до 1e ^-4 Торр (Nude UHV)
• 30% точность
• Типичная рабочая температура: от 0 ° C до 40 ° C

Два обычных ионных манометра с горячей нитью накала, Bayard / Alpert (B-A) и Schulz-Phelps (S-P), различаются только физическим размером и расстоянием между их электродами.Обе имеют нагретые нити, смещенные для получения термоэлектронных электронов с энергией 70 эВ, достаточно энергичной, чтобы ионизировать любые молекулы остаточного газа, с которыми они сталкиваются. Образовавшиеся положительные ионы перемещаются в коллектор ионов, поддерживаемый при -150 В. Сила тока зависит от плотности газа (количества молекул в каждом куб. См), которая является прямой мерой давления газа.

Со временем датчик с горячей нитью накапливает множество ионизированных молекул, которые необходимо удалить для поддержания точности датчика.Это легко сделать путем «дегазации» агрегата. Это обычная практика для любого датчика с горячей нитью накала, когда через сетку и коллектор пропускается большой ток, по существу, спекающий эти части. Этот «прогрев» помогает удалить эти ионизированные молекулы, возвращая устройство в чистое состояние. Однако дегазация не гарантирует удаления всех молекул, поскольку некоторые из них останутся прилипшими к коллектору или даже могут вызвать эрозию. В таких случаях рекомендуется заменить датчик.

Ионный манометр Bayard-Alpert имеет достаточно линейный отклик от 1e ^-9 до 1e ^-4 Торр, с чувствительностью от 5 до 20 Торр ^-1 .Манометры BA доступны с одной или двумя нитями накала (вторая действует как запасная) и с двумя нитями из иридия, покрытого торием, который используется в системах с высоким содержанием кислорода и для защиты от выгорания при случайном сбросе воздуха, и вольфрам, используемый для нижнего стоимость и в остаточных газах, содержащих галогены.

Стандартный манометр B-A измеряет до 1e ^-9 Торр. Она не опускается ниже, потому что первичные электроны при попадании на сетку генерируют мягкое рентгеновское излучение. Рентгеновское излучение, попадающее на электрод-коллектор ионов, высвобождает фотоэлектрон, который неотличим от поступающих туда положительных ионов.Ниже 1e ^-9 Торр фотоэлектронная эмиссия составляет достаточно большую часть ионного тока, чтобы искажать показания давления. Специальные структуры B-A с ультратонкими коллекторами ионов будут достигать 10 ^-10 Торр и, возможно, даже 10 ^-11 Торр.

Ионный манометр Nude UHV работает по тому же принципу, что и стандартные датчики Bayard-Alpert, но позволяют проводить более глубокие измерения вакуума, от 1e ^-11 до 1e ^-4 Торр.Это изменение базового давления связано с конструкцией манометра, которая включает решетчатую конструкцию в виде корзины и плотные нити.

Манометры с холодным катодом

ColdCathode

Типовые характеристики:

• Зависит от газа
• 1e ^-10 до 1e ^-2 Торр
• 30% точность
• Типичная рабочая температура: от 0 ° C до 55 ° C

В датчиках с холодным катодом ионизирующие электроны являются частью самоподдерживающегося разряда.Однако, поскольку CCG не имеет (термоэмиссионной) нити накала, разряд инициируется паразитной полевой эмиссией или внешними событиями (космическими лучами или радиоактивным распадом). При низком давлении это может занять несколько минут, и обычно CCG включаются при высоком давлении (1e ^-2 Торр или выше). После запуска магнитное поле датчика удерживает электроны на спиральных траекториях, обеспечивая им большую длину пути и высокую вероятность ионизации остаточного газа. Ионы собираются и измеряются для определения давления газа.

Использовались электроды различной геометрии — цилиндры, пластины, кольца, стержни в различных комбинациях с направлением и силой магнитного поля, выбранными для максимизации измеряемого тока. Если центральный или «концевой» электрод датчика отрицательный, это принято называть магнетроном. Если одни и те же электроды положительные, датчик называется перевернутым магнетроном.

Магнетрон: Первоначальная конструкция Пеннинга (цилиндрический анод и катоды с торцевой пластиной) не была ни точной, ни точной, и ее заменили на другие геометрические формы.Однако название Пеннинга до сих пор используется даже для магнетронов с центральными проволочными или кольцевыми катодами. Рабочее напряжение ограничено (обычно ~ 2 кВ), чтобы избежать эффектов полевой эмиссии, которые вызывают увеличение ионного тока, не связанного с давлением. Хотя новые конструкции магнетронов являются удовлетворительными, они ограничены верхним пределом диапазона высокого вакуума и не привлекают большого внимания коммерческой общественности.

Инвертированный магнетрон: Во многом благодаря усилиям Редхеда и его коллег, эта конструкция работает в диапазоне давления сверхвысокого вакуума.Его центральный осевой анод входит в катод цилиндра / торцевых пластин через кольца защиты от напряжения (для предотвращения полевой эмиссии, влияющей на измерение ионного тока). Анод имеет гораздо более высокий потенциал, чем нормальный магнетрон (~ 6 кВ), и параллелен магнитному полю датчика. Некоторые коммерчески доступные конструкции инвертированного магнетрона обладают хорошей линейностью и рабочими характеристиками до 1 x 10 ^-11 Торр. Однако попытка запустить его при таком низком давлении может занять часы или дни.

В отличие от датчика с горячей нитью, датчик с холодным катодом не имеет нитей или сетки для дегазации. Вместо этого некоторые датчики с холодным катодом могут разбираться, обнажая ионизационную камеру и внутренние стенки датчика. Это воздействие позволяет пользователю буквально протирать внутренние стенки датчика с холодным катодом, помогая удалить молекулы, которые «распылились» на стену. Эта физическая очистка делает датчик с холодным катодом, как правило, более прочным, чем датчик с горячей нитью.

Комбинированные манометры

Комбинированные датчики, также известные как датчики с широким диапазоном, — это устройства, в которых используются несколько технологий для обеспечения более широкого диапазона измерений, чем любая отдельная технология. Например, наиболее распространенными датчиками широкого диапазона являются комбинация холодного катода / пирани или комбинация горячего накала / усиленной конвекции пирани. Эти типы позволяют проводить измерения от сверхвысокого напряжения до атмосферы. Поскольку эти датчики сочетают в себе разные технологии, обычно существует переходный регион, когда одна технология переходит в другую.Наиболее распространенная область между 10 ^-2 и 10 ^-3 , где пирани с усилением пирани / конвекции переходят в технологию ионизации с холодным катодом или горячей нитью. Эти блоки обычно находятся в одном корпусе, что помогает свести к минимуму беспорядок и помогает автоматизировать измерение давления, поскольку пользователю не нужно вручную активировать технологию высокого вакуума.

Анализаторы остаточных газов

Специальные масс-спектрометры, предназначенные для анализа газов, оставшихся в вакуумной камере, называются анализаторами остаточных газов или RGA.Обилие информации об экспериментальных или технологических условиях, предлагаемых анализатором арматуры, делает стационарно присоединенное устройство удобным, а зачастую и необходимым диагностическим устройством.

Квадрупольные RGA, названные в честь четырех стержней, используемых в секции массового фильтра, питаются от смешанных высокочастотных и постоянных напряжений. Полная информация о работе выходит за рамки этого текста, но адекватно рассматривается во многих книгах, таких как Dawson’s Quadrupole Mass Spectrometry And Its Applications и монография AVS Дринквайна и др., Partial Pressure Analyzers and Analysis .Квадрупольный анализатор (или головка датчика) прикручивается к вакуумной системе. Он состоит из ионизатора (источника ионов), подключенного к массовому фильтру, который, в свою очередь, присоединен к ионному детектору, и все они установлены на фланце сверхвысокого вакуума (часто наружный диаметр 2–3⁄4 дюйма), через который проходят вводы для питания и сигналов. . Комбинированное РЧ / постоянное напряжение генерируется рядом с головкой датчика. Отсюда к шасси управления и дисплею или настольному ПК подключается только напряжение основного источника питания и информация о возвращаемом сигнале.В ионизаторе атомы и молекулы нейтрального газа бомбардируются электронами с напряжением 70 эВ от горячей нити. Ионизированные частицы извлекаются в квадруполь, где передаются только те ионы с соответствующим отношением массы к заряду (m / e) для приложенных напряжений RF / DC. Путем изменения РЧ / постоянного напряжения со временем сканируются отношения m / e, и ионный ток на каждой массе записывается в виде спектра.

Для диагностики проблем с вакуумом с помощью RGA требуется только набор схем фрагментации, по которым можно быстро определить следующее: наличие утечек воздуха и воды; неприемлемые уровни активных газов, таких как O ₂ , H ₂ и H ₂ O, обратный поток масла в насосе, присутствие соединений Fl или Cl; требования к регенерации крионасоса и чистота засыпных газов.Поскольку RGA работает при 10 ^-4 Торр или ниже, процессы высокого давления анализируются с помощью RGA, установленного во вспомогательной вакуумной системе, часто на мобильной тележке, перемещаемой на различные вакуумные станции.

Детекторы утечки

Детекторы утечки — это масс-спектрометры, которые обнаруживают только ионы гелия при m / e = 4. Поскольку они специфичны, они обнаруживают чрезвычайно малые концентрации гелия в присутствии большого количества других газов. Как следует из названия, эти устройства определяют наличие утечек и помогают их обнаружить.Превосходные инструкции по обнаружению утечек можно найти в книге Харриса, Modern Vacuum Practice , или как часть учебной программы нашего университета Лескера.

Испытуемая камера и течеискатель соединены через вакуум-герметичную трубку, и камера откачивается с помощью собственной вакуумной системы течеискателя. Гелий распыляется из тонкого сопла на поверхность камеры, где он вытесняет воздух, диффундирующий через утечку, только тогда, когда зонд направлен на место утечки.Распространенное заблуждение, что давление в камере должно быть низким, прежде чем можно будет начать испытание на герметичность. Фактически, давление в камере ниже 10 ^-2 Торр требуется редко. Как только впускной клапан течеискателя полностью открыт, дальнейшие усилия по снижению давления в камере только тратят время. Например, в течение 11-летнего опыта работы одного оператора по проверке утечек большинство утечек было обнаружено, тогда как впускной клапан течеискателя был сломан лишь частично.