Вакуумметры с диаметром корпуса 100мм

Вакуумметры с диаметром корпуса 100 мм: классификация, принципы действия, применение и выбор

Вакуумметры с диаметром корпуса 100 мм представляют собой широко распространенный класс контрольно-измерительных приборов, используемых для измерения давления (разрежения) в вакуумных системах. Данный форм-фактор является отраслевым стандартом, обеспечивающим оптимальный баланс между габаритами, удобством монтажа, надежностью и функциональностью. Корпус диаметром 100 мм (часто соответствующий стандарту DIN 43 329 или его аналогам) позволяет разместить необходимую измерительную механику или электронику, совместим с большинством стандартных фланцев и переходников, и удобен для установки на панели управления, шкафы и вакуумные установки. В данной статье рассматриваются технические особенности, типы, принципы работы, области применения и критерии выбора данных приборов.

Классификация и принципы действия вакуумметров на 100 мм

Вакуумметры данного форм-фактора классифицируются по физическому принципу измерения, который определяет их рабочий диапазон давлений, точность, стоимость и применимость. Основные типы представлены ниже.

1. Механические (деформационные) вакуумметры

Принцип действия основан на измерении деформации чувствительного элемента под действием разности давлений.

• Манометрические трубки Бурдона: Изогнутая трубка эллиптического сечения, запаянная с одного конца. При изменении давления трубка стремится распрямиться или изогнуться сильнее. Это движение через механическую передачу преобразуется в перемещение стрелки по шкале. Приборы на основе трубки Бурдона в корпусе 100 мм обычно измеряют давление от атмосферного до примерно 1·10⁻³ бар (0.1 кПа, 1 мбар). Часто используются как указатели грубого вакуума.
• Мембранные и сильфонные манометры: Чувствительным элементом является упругая мембрана или сильфон. Прогиб мембраны под действием давления измеряется механическим или, в более точных моделях, емкостным методом. Диапазон измерений: от атмосферного давления до 1·10⁻³ мбар. Мембранные датчики с емкостным преобразованием (Capacitive Diaphragm Gauge, CDG) обеспечивают высокую точность в диапазоне от 1·10⁻³ до 1000 мбар и часто интегрируются в цифровые панели диаметром 100 мм.

2. Термические (тепловые) вакуумметры

Принцип основан на зависимости теплопроводности разреженного газа от давления.

• Пирани (термопарные): В измерительной ячейке находится нагревательная нить, температура которой зависит от скорости отвода тепла окружающим газом. Изменение температуры нити измеряется термопарой, припаянной к ней. Сигнал термопары (милливольты) калибруется в единицах давления. Типичный диапазон: 1·10⁻³ – 1 мбар. Приборы с сенсором Пирани в корпусе 100 мм часто имеют аналоговый или цифровой индикатор.
• Терморезистивные (с мостом постоянной температуры): Более современная реализация. Чувствительный элемент (обычно платиновая нить) является частью мостовой схемы, которая поддерживает его температуру постоянной. Мощность, необходимая для поддержания температуры, является мерой давления. Диапазон схож с пирани, но часто расширен в область более высокого давления (до 1000 мбар) и обладает большей стабильностью.

3. Ионизационные вакуумметры

Принцип основан на измерении ионного тока, возникающего при ионизации молекул остаточного газа.

• Лампы Пеннинга (холодного катода): Ионизация происходит в разряде, поддерживаемом в скрещенных электрическом и магнитном полях. Ионный ток пропорционален плотности газа (давлению). Диапазон: 1·10⁻⁷ – 1·10⁻² мбар. Датчики Пеннинга компактны, не имеют накаливаемого катода, что продлевает срок службы. Блок управления и индикации часто выполняется в корпусе 100 мм.
• Лампы Байарда-Альперта (горячего катода): Ионизация осуществляется электронами, эмитируемым раскаленной нитью (катодом). Образованные ионы собираются на ионном коллекторе. Это наиболее точные и чувствительные вакуумметры для высокого и сверхвысокого вакуума. Диапазон: 1·10⁻¹⁰ – 1·10⁻² мбар. Электронные блоки для управления и питания таких ламп также часто имеют стандартный диаметр 100 мм.

Комбинированные (гибридные) вакуумметры

Современные тенденции ведут к созданию комбинированных приборов, объединяющих в одном корпусе 100 мм два типа датчиков для расширения общего диапазона измерений. Наиболее распространенная комбинация: датчик Пирани (или терморезистивный) и датчик Пеннинга. Такие приборы покрывают диапазон от атмосферного давления (или 1 мбар) до 5·10⁻⁸ мбар, что делает их универсальным решением для большинства вакуумных систем.

Сравнительная таблица типов вакуумметров (корпус 100 мм)

Тип вакуумметра	Принцип действия	Диапазон измерений (типовой)	Точность	Преимущества	Недостатки	Основные области применения
Трубка Бурдона	Механическая деформация	Атмосфера – 1·10⁻³ бар	±1.5% от шкалы	Простота, надежность, не требует питания	Ограниченный диапазон, низкая точность на низких давлениях	Предварительное вакуумирование, контроль форвакуума
Мембранный (емкостной)	Деформация мембраны	1·10⁻³ – 1100 мбар	±0.25% от показания	Высокая точность, линейность, стабильность	Высокая стоимость, чувствительность к перегрузкам	Точный контроль в диапазоне среднего вакуума, процессы нанесения покрытий
Пирани / Терморезистивный	Теплопроводность газа	1·10⁻³ – 1000 мбар	±10-30% от показания (зависит от газа)	Широкий диапазон, быстрота отклика, надежность	Зависимость показаний от состава газа, необходимость калибровки	Общий контроль вакуума в широком диапазоне, сушильные установки, вакуумные печи
Пеннинг (холодный катод)	Ионизация в разряде	1·10⁻⁷ – 1·10⁻² мбар	±20-50% от показания	Долгий срок службы, устойчивость к загрязнениям, работа в агрессивных средах (с защитой)	Может иметь «пропадание» разряда на низких давлениях, требует высокого напряжения	Высокий вакуум в промышленных системах: CVD, PVD, вакуумная пайка
Байард-Альперт (горячий катод)	Ионизация электронами	1·10⁻¹⁰ – 1·10⁻² мбар	±10-20% от показания	Высокая чувствительность и точность в УВВ/СВВ	Чувствительность к загрязнениям, ограниченный срок службы катода	Научные исследования, электронная микроскопия, ускорители частиц, точные технологические процессы
Комбинированный (Пирани+Пеннинг)	Термический + Ионизационный	1·10⁻⁸ – 1000 мбар	Зависит от диапазона (см. выше)	Универсальность, один прибор на всю систему	Более сложная электроника, высокая стоимость	Универсальные технологические вакуумные системы, обслуживание и диагностика

Конструктивные особенности и интерфейсы

Вакуумметры в корпусе 100 мм имеют стандартизированную конструкцию, облегчающую интеграцию.

• Корпус и лицевая панель: Корпус из металла (алюминий, сталь) или ударопрочного пластика. Лицевая панель содержит индикатор (аналоговая шкала, ЖК- или LED-дисплей), органы управления (кнопки, потенциометры) и светодиоды состояния. Класс защиты обычно IP40-IP54.
• Присоединительный фланец: Для подключения к вакуумной системе используется стандартный фланец, чаще всего KF (ISO), CF или резьбовой порт (например, G1/2″ или 1/4″ VCR). Выбор фланца зависит от требуемой степени герметичности и технологии соединения.
• Электрические интерфейсы:
  • Питание: 24 В DC, 110/230 В AC.
  • Аналоговые выходы: 0-10 В, 0/4-20 мА для интеграции в АСУ ТП.
  • Цифровые интерфейсы: RS-232, RS-485 (Modbus), Ethernet, USB (для настройки и считывания данных).
  • Релейные выходы: 2-4 реле для задания пороговых значений (например, включение/отключение высоковакуумной станции при достижении определенного давления).

Критерии выбора вакуумметра на 100 мм

Выбор конкретной модели определяется требованиями технологического процесса.

1. Диапазон рабочих давлений: Ключевой параметр. Прибор должен перекрывать весь ожидаемый диапазон давлений в системе с запасом. Для систем с широким рабочим диапазоном предпочтительны комбинированные или терморезистивные датчики.
2. Точность и воспроизводимость: Для критичных процессов (научные эксперименты, точное напыление) требуются емкостные мембранные или ионизационные датчики горячего катода. Для общего контроля достаточно пирани или пеннинга.
3. Состав технологической среды: Термические датчики требуют калибровки под конкретный газ (обычно азот). В средах с агрессивными, конденсирующимися или проводящими парами необходимы датчики с защитными элементами (специальные покрытия, подогрев сенсора) или выбор датчиков холодного катода.
4. Скорость отклика: Важна для систем быстрого циклирования. Термические и ионизационные датчики имеют время отклика порядка долей секунды, механические – медленнее.
5. Интерфейсы управления: Наличие необходимых аналоговых/цифровых выходов и реле для автоматизации.
6. Надежность и срок службы: В условиях непрерывного производства приоритет имеют датчики без накаливаемых элементов (Пеннинг, емкостные) или с защищенными нитями.

Области применения в энергетике и промышленности

• Вакуумная изоляция: Контроль вакуума в криостатах сверхпроводящих кабелей, ускорителей частиц, исследовательских установок (используются датчики сверхвысокого вакуума).
• Вакуумные выключатели: Контроль давления внутри вакуумной дугогасительной камеры (ВДК) для диагностики и прогнозирования ресурса. Применяются специализированные датчики, способные работать в сильных электромагнитных полях.
• Производство электротехнической продукции: Вакуумная пропитка обмоток, сушка трансформаторов, вакуумное литье эпоксидных компаундов (диапазон среднего вакуума, датчики Пирани/емкостные).
• Вакуумные печи и установки термообработки: Контроль атмосферы для предотвращения окисления (термические датчики).
• Научно-исследовательское оборудование: Установки плазменного напыления, масс-спектрометры, ускорители (полный спектр датчиков от форвакуумных до СВВ).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается вакуумметр от манометра?

Термин «манометр» общий и означает прибор для измерения давления. «Вакуумметр» — это манометр, предназначенный specifically для измерения давления ниже атмосферного (разрежения). Многие приборы в корпусе 100 мм являются вакуумметрами или комбинированными вакуумметрами-манометрами, измеряющими как разрежение, так и избыточное давление.

Почему показания вакуумметра Пирани зависят от типа газа?

Принцип действия основан на измерении теплопроводности газа. Разные газы имеют разную теплопроводность при одном и том же давлении. Например, теплопроводность водорода в 7 раз выше, чем у азота. Поэтому вакуумметр, откалиброванный по азоту, для водорода покажет заниженное давление. Для точных измерений необходима поправка на газовый коэффициент или калибровка под конкретную среду.

Как часто нужно калибровать вакуумметры?

Периодичность калибровки зависит от типа прибора, условий эксплуатации и требований к точности. Для механических манометров — раз в 1-2 года. Для электронных датчиков (Пирани, емкостных, ионизационных) рекомендована ежегодная поверка/калибровка. В условиях агрессивных сред или непрерывной эксплуатации интервал может быть сокращен. Калибровка должна выполняться по цепочке прослеживаемости к государственным эталонам.

Что такое «пропадание разряда» у датчика Пеннинга и как с этим бороться?

В диапазоне давлений примерно 1·10⁻⁴ – 1·10⁻³ мбар в датчике холодного катода может самопроизвольно прекратиться разряд, что приводит к потере показаний. Современные контроллеры автоматически пытаются повторно зажечь разряд, подавая серию высоковольтных импульсов. Для минимизации проблемы важно правильно выбрать датчик, рассчитанный на требуемый диапазон, и обеспечить чистоту вакуумной системы.

Можно ли установить вакуумметр непосредственно на вакуумную камеру с вибрацией?

Механические вакуумметры (Бурдона) чувствительны к вибрации, что приводит к ускоренному износу механизма и ошибкам в показаниях. Для систем с вибрацией предпочтительны полностью электронные датчики (емкостные, термические, ионизационные), у которых измерительный элемент жестко закреплен и не имеет подвижных частей в механическом смысле. Сам корпус 100 мм должен быть надежно закреплен.

Как выбрать между датчиком горячего и холодного катода для высокого вакуума?

Датчик Байарда-Альперта (горячий катод) обеспечивает более высокую точность, линейность и стабильность в диапазоне сверхвысокого вакуума (<1·10⁻⁷ мбар). Однако он чувствителен к загрязнениям и имеет ограниченный срок службы нити накала. Датчик Пеннинга (холодный катод) более устойчив, долговечен и лучше подходит для промышленных условий с возможными загрязнениями, но может быть менее точен и стабилен на нижней границе диапазона. Выбор определяется приоритетом: максимальная точность (лаборатория) или надежность и долговечность (производство).