|
|
|
ВАКУУМНЫЕ ДАТЧИКИПри производстве подложек для микроэлектронных устройств, оптических компонентов, а также в ходе проведения химических и других технологических процессов бывает необходимо измерять очень низкие давления. Без таких измерений не обходятся и при проведении некоторых научных экспериментов, к примеру, в космических исследованиях. Термин вакуум означает давление ниже атмосферного, но, как правило, он употребляется в случаях практического полного отсутствия давления газов. Абсолютный вакуум получить невозможно, даже в космическом пространстве нет ни одной зоны, где бы полностью отсутствовала материя. Вакуум можно измерять и традиционными датчиками, при этом будут регистрироваться отрицательные значения давления по отношению к атмосферному, но это очень неэффективный подход. Обычные датчики давления не могут определять очень низкие концентрации газов из-за низкого отношения сигнал/шум. В отличие от традиционных сенсоров давления измерители вакуума работают на совершенно других принципах, которые основываются на некоторых физических свойствах молекул газов и заключаются в определении числа молекул в заданном объеме. К таким физическим свойствам относится теплопроводность, вязкость, ионизация и другие. В этом сайте будут даны краткие описания самых популярных сенсоров давления, используемых для измерения вакуума.Вакууметры Пирани Вакууметры Пирани — это датчики, измеряющие давление по теплопроводности газа. Этот тип измерителей вакуума был разработан первым. В конструкцию самого простого датчика Пирани входит нагреваемая пластина. Измерение вакуума заключается в определении количества тепла, теряемого этой пластиной, то зависит от давления газа. В основу принципа действия вакууметра Пирани положено открытие Мариана Ван Смолючовски [15], который установил, что при нагревании объекта его тепловые потери формируются. При отсутствии паразитных теплопотерь теплопроводность газа линейно снижается вплоть до абсолютного вакуума. Поэтому при разработке таких устройств всегда стремятся минимизировать факторы, составляющие G0. Для этого либо используют конструкцию с подвешенной нагреваемой пластиной для уменьшения теплового контакта с корпусом датчика, либо применяют дифференциальный метод снижения влияния G0. 
Рис. 10.14. А — тепловые потери нагреваемой пластины, Б — передаточная
функция вакууметра Пирани
Существует несколько конструкций сенсоров Пирани, используемых в вакуумной технике. В состав некоторых из них входят две пластины, находящиеся при разных температурах. В таких датчиках давление газа определяется по количеству энергии, затраченной на нагрев пластин. Другие датчики используют только одну пластину, при этом теплопроводность газа измеряется по величине теплопотерь в окружающие стенки. Для измерения температуры в состав сенсоров обычно входят либо термопары, либо платиновые терморезисторы. На рис. 10.15 отображен дифференциальный вакууметр Пирани. Камера датчика сайтена на две идентичные секции. В одной из секций газ находится при эталонном давлении (к примеру, при 1 атм =760 торр), а вторая расположена в вакуумной камере, давление в той необходимо измерить. В каждой камере есть нагреваемая пластина, которая для уменьшения кондук-тивной теплопередачи через окружающие твердые предметы подвешена на очень тонких соединительных элементах. Вакуу-метрам иногда приходится работать с газами, которые могут загрязнить их чувствительную пластину, поэтому в их состав также должны входить соответствующие фильтры. Ионизационные датчики Такие датчики напоминают вакуумные лампы, используемые в качестве усилителей в старых радиоприемниках. Ток ионов между пластиной и нитью накаливания почти линейно зависит от плотности молекул (давления) [16,17]. Желательно, чтобы обе камеры имели одинаковые форму, конструкцию и размеры, для того чтобы кондуктивные и радиационные потери тепла в них были идентичными. Чем симметричнее конструкция камер, тем лучше компенсируются паразитные теплопо-тери GQ. Пластины нагреваются при помощи электрических нагревателей. В рассматриваемом датчике нагревательным элементом является термистор с отрицательным температурным коэффициентом (ОТК) (см. главу 16). Сопротивления термисторов равны и имеют сравнительно низкий номинал, поэтому в них возможно протекание процесса саморазогрева Джоуля 
Рис. 10.15. Вакууметр Пирани с термисторами с ОТК
работающими в режиме саморазогрева
Рис. 10.16. Ионизационный вакуумный датчик (А), измеритель
Баярда-Алперта (Б), датчик газового сопротивления (В)
Эталонный термистор Sr включен в схему самобалансирующегося
моста, в состав того входят также резисторы: R^ /?,, Л2 и ОУ. Мостовая
схема автоматически выводит температуру термистора Sr на постоянный уровень Г,
определяемый сопротивлениями резисторов моста, на который окружающая
температура не оказывает никакого влияния. Отметим, что уравновешивание
мостовой схемы осуществляется при помощи цепей как положительной, так и
отрицательной ОС, включенных относительно ее плечей. Конденсатор С не допускает
возникновения в схеме колебательных режимов. То же самое напряжение Е, то
используется для нагрева эталонной пластины, подается на термистор Sv,
расположенный на чувствительной пластине, через резистор Rv, равный резистору
Rr. Выходное напряжение снимается относительно чувственного термистора и
моста. Передаточная функция такого датчика отображена на рис. 10.14Б. Лампы вакуумных сенсоров имеют обратное включение: на сетку подается высокое
положительное напряжение, а пластина подсоединяется к низкому отрицательному
напряжению. Выходным сигналом ионизационного датчика является ток ионов /, снимаемый
с пластины, пропорциональный давлению и току электронов / на сетке. В настоящее
время используется усовершенствованная модель этого датчика, называемая
измерителем Баярда-Алперта [18]. Он обладает большей чувствительностью и
стабильностью и может измерять более низкие давления. Его принцип действия
аналогичен предьщущему датчику, но измеритель Баярда-Алперта имеет другую
конструкцию, в нем пластина заменена на провод, окруженный сеткой, а нить
накаливания катода вынесена наружу (рис. 10.16Б).
Датчик газового сопротивления При столкновении молекул газа с подвижным объектом, они теряют свою энергию. В этом заключена основная идея датчика с вращающимся ротором [19]. В рассматриваемом датчике (рис. 10.16В) маленький стальной шарик диаметром 4.5 мм при помощи магнитов удерживается в подвешенном состоянии внутри вакуумной камеры и при этом вращается с частотой 400 Гц. Магнитный момент шарика индуцирует напряжение в расположенных по бокам чувствительных катушках. Молекулы газов, сталкиваясь с шариком, замедляют его скорость вращения. По величине изменения скорости вращения судят о давлении газа в камере: .
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
