Прямой и косвенный датчик - В чем разница? и когда какой использовать?

Измерение вакуумного давления является фундаментальным элементом всех вакуумных систем, но универсального вакуумметра не существует. Когда дело доходит до измерения вакуумного давления, ни один датчик не будет точно реагировать во всем диапазоне вакуума (от атмосферного давления до 10^-12 мбар). Вот почему необходимо четкое представление о различиях между типами, чтобы они соответствовали подходящим условиям эксплуатации. Далее мы сравним прямые и косвенные датчики и расскажем об основных характеристиках каждого, для того чтобы было легче подобрать нужный.

Прямые датчики

Датчик прямого действия измеряет вакуумное давление независимо от вида газа. Существует четыре вида прямых датчиков. Ниже приведен общие сведения о том, как работает каждый из них:

Деформационный вакуумметр

Вакуумметры с неупругим элементом, герметичная и вакуумированная вакуумная камера отделена диафрагмой от камеры, в которой измеряется вакуумное давление. Первая служит эталонной камерой. С увеличением откачки разница между измеряемым давлением и давлением внутри контрольной камеры уменьшается. Это приводит к изгибу диафрагмы — ‘эластичного элемента’. Это движение затем передается на циферблат, электрически или механически, преобразуется в электрический измерительный сигнал.

Вакуумметр Бурдона

Этот манометр с циферблатом помогает приблизительно определить давление в диапазоне от 10 мбар до атмосферного давления. Он считается самым простым и наиболее распространенным из прямых датчиков. Он состоит из внутренней части трубки, которая согнута в дугу и соединена с вакуумной системой. Трубка изгибается во время процесса откачки из-за атмосферного давления. Этот изгиб приводит в действие устройство стрелки, прикрепленное к трубке, и соответствующее давление считывается по линейной шкале.

Капсульный вакуумметр

Этот датчик дает показания независимо от изменений атмосферного давления и получил свое название от герметично закрытой вакуумной капсулы с тонкостенной диафрагмой внутри. По мере уменьшения вакуумного давления капсула расширяется. Это движение передается на циферблат с помощью системы рычагов и затем может быть считано как давление на линейной шкале.

Емкостной мембранный датчик

Емкостное измерение производится, когда пластинчатый конденсатор образован диафрагмой с неподвижным электродом позади нее. Когда расстояние между двумя пластинами этого конденсатора изменяется, мы регистрируем “изменение емкости”. Это изменение пропорционально изменению давления и преобразуется в соответствующий электрический измерительный сигнал. Вакуумированная эталонная камера используется в качестве эталона для измерений.Эти датчики могут измерять давление от 10^-5 мбар до давления, значительно превышающего атмосферное. В зависимости от того, какой диапазон давления необходимо измерить, емкостные датчики имеют диафрагмы разной толщины и, следовательно, чувствительности.

Косвенные датчики 

Косвенные датчики измеряют физическое воздействие, пропорциональное вакуумному давлению; необходимо знать 3 основных косвенных датчика. Это датчики Пирани, вакуумметры с ионизацией с горячим катодом и ионизационные датчики с холодным катодом.

Датчик Пирани

Этот датчик использует теплопроводность газов для измерения давления в диапазоне от 10^-4 мбар до атмосферного давления. Нить накала внутри измерительной головки образует одно плечо моста Уитстона. В одном рабочем режиме напряжение, подаваемое на мост, регулируется таким образом, чтобы сопротивление нити накала и, следовательно, температура оставались постоянными независимо от количества выделяемого тепла. Поскольку теплопередача от нити накала к газу увеличивается с повышением давления, напряжение на мосту является мерой давления.

Ионизационный вакуумметр с горячим катодом

1 - катод; 2 - коллектор; 3 - анод 

Этот датчик испускает электроны с катода, которые притягиваются к положительно заряженному аноду, ионизируя молекулы газа во время их переноса. Создаваемый ионный ток пропорционален измеряемому давлению газа. Датчики с горячим катодом, которые в основном используются сегодня, основаны на принципе Байярда-Альперта. Датчики такого типа предназначены для измерения давления вакуума в диапазоне от 10^-3 до 10^-12 мбар.

Ионизационный вакуумметр с холодным катодом

В этих датчиках катоды обычно работают по принципу перевернутого магнетрона. Газовый разряд зажигается при подаче высокого напряжения, и результирующий ток выводится в виде сигнала, пропорционального преобладающему давлению. При этом газовый разряд поддерживается при низких давлениях с помощью создаваемого магнитного поля.Эта система требует высокого напряжения розжига до 3,5 кВ постоянного тока. Это высокое ускоряющее напряжение заставляет электроны выбирать кратчайший путь к положительному анодному кольцу или контакту. Постоянное магнитное поле заставляет их двигаться по узким спиральным траекториям, что увеличивает время их "пребывания" и вероятность ионизации атомов газа. Это создает постоянный ионный ток, пропорциональный вакуумному давлению. Их используют в области давления ниже 10^-3 мбар.