Tepelné manometry Princip je založen na závislosti tepelné vodivosti plynu na tlaku. Podstatnou částí manometru je nějaký citlivý element, který je elektrickým příkonem P vyhříván na teplotu T, vyšší než je teplota okolí To. Nejčastěji měříme teplotu T: • z velikosti odporu - odporové manometry • pomocí termočlánku - termočlánkové manometry • z deformace bimetalu - dilatační manometry Vakuová fyzika 1 1 / 43 Odporové manometry - Pirani roszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 □ s Vakuová fyzika 1 2/43 Odpor vlákna R = f(T) Tj2 Pe = UI = I2R= — ; R = R0(1 + /3(T ti Pe=Pc+Pz+Pp • Pc - výkon odváděný molekulami plynu • Pz - výkon odváděný zářením vlákna • Pp - výkon odváděný přívody vlákna Pz = S0ae(T4 - Tq) Pc = [«AT(p)]So(T-T0) a - akomodační koeficient Xt(p) - tepelná vodivost co co o ct3 o? 10* 10" 10"3 10"2 10-Pressure [mbar] 10 100 I Thermal dissipation due to radiation and conduction in the metallic ends il Thermal dissipation due to the gas, pressure-dependent 111 Thermal dissipation due to radiation and convection firemní materiály firmy Pfeiffer Vakuová fyzika 1 4/43 odečtená hodnota (laku (Po) Závislost na druhu plynu, na ose x je tlak z Piraniho manometru J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 □ 5 ^) c\ o Vakuová fyzika 1 Tab. 5.3. Měrný odpor q a teplotní součinitel odporu (í (orientační údaje) Kov q (ř = 0°C) 0 (r = 0ažl00oC) (Qcm) (K"1) 4 konstantan (60 % Cu, 40 % Ni) 50 .10-6 -0 měď (obyčejná, vyžíhaná) 1,6.10"6 4,5.10"3 molybden (vyžíhaný) 4,5.10" 6 3,3.10" 3 nikl (obyčejný) 6,5.10" 6 6 .10~3 platina 10 .10~6 3 .10~3 slitina Pt-Rh (90%Pt) 21 A0'6 4 .KT3 stříbro elektrolytické 1,5.10" 6 4 .10* 3 tantal 15 .10"6 4,5.10" 3 wolfram (vyžíhaný) 4,5-5,5.10" 6 4,5.10" 3 železo (čisté) 9 .10"* 5 -10"3 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 6/43 Metody měření Metoda konstantního proudu Metoda konstantní teploty (odporu) Vakuová fyzika 1 7 / 43 Metoda konstantního proudu J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 8/43 a) U(V) 6 6 O b) 1 I-kt UM 8 V ÍS 20 ' p f Po) ! ľ-kot tO*2 1QT1 10° V1 ro* fo3 p (Po) Obr 5.19, Závislost U =/(p) u manometru měřícího při / = konst a) lineární stupnice, b) semilogarítmická stupnice J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 Metoda konstantní teploty (odporu) J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 10 / 43 o Obr. 5.18. Závislost U u2. ^ mm Při nízkých tlacích je lineární J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 11 / 43 Tepelný vakuometr s konstantním odporem J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 □ S1 12 / 43 Vlákno d= 50 /im, L= 50 mm, teplota T = 470 K, měřící obor 10 — 5000 Pa J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Kompenzace teploty »3 #|- Stará metoda kompenzace teploty, dnes se používají teplotní čidla termistor, PtlOOO,... L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 Pirani manometr velmi jednoduchá konstrukce měřící rozsah 10~2 — 105 Pa, v rozsahu 104 — 105 Pa měří s velkou chybou chyba měření asi ~ 15%, typicky v rozsahu 10~2 — 104 Pa závisí na druhu plynu a na okolní teplotě MicroPirani - MKS 910 l/O Connector KF16flange manuál MKS - 910 Vakuová fyzika 1 16 / 43 MKS 910 Analog output VDC (MKS Standard) 4 5 6 8 MicroPirani Piezo 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 1.0E-02 1,0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 Pressure torr (PR3/PR4 output) manuál MKS - 910 Vakuová fyzika 1 17 / 43 MKS 910 Specifications Measuring range (N2 and MicroPirani Accuracy <1> (N2) Repeatability <1> (N2): Piezo absolute Accuracy Piezo ^ Repeatability <1> (N2): Supply Voltage: Power consumption: Fuse (thermal recoverable): manual MKS - 910 Vakuová fyzika 1 Y): 5x104 to 1x103 Torr: 1x103 to 100 Torr: 100 Torr to Atm.: 1x103 to 100 Torr: 0.1 to 10 Torr: 10 to 1000 Torr: 1000 to 1500 Torr: 10 to 800 Torr 1x105 to 1500 Torr ±10% of reading ± 5% of reading ± 25% of reading ± 2% of reading ±1% of reading ± 0.75% of reading ± 2% of reading ± 0.2% of reading 9-30 VDC < 1.2 Watt 200 mA 18 / 43 Convectron TEMPERATURE CONPENSATOR firemní materiály firmy Kurt J. Lesker ■«□►■-<^> - -O Q, O Vakuová fyzika 1 19/43 využíva i tepelnou konvekci plynu předepsaná orientace měřící rozsah 10~2 — 105 Pa chyba měření asi ~ 15% Vakuová fyzika 1 5 ^) c\ o 20 / 43 Termistorový manometr roszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 b) o) p(Pa) 105 10' 10" 10' 101 10° 10 N \ \ f \ \ \ \ \ \ \ \ \ N N \ —--- \ \ \ \ \ \ \ \ O 20 40 60 80 100 Obr. 5.23. Termistorový vakuometr (podle Pytkowského, 1955) a) elektrické schéma: / — výbojový stabilizátor napětí; 2 — usměrňovač proudu; 3 - b) kalibrační křivky pro vzduch při můstku v rovnováze: můstek vyrovnán při tlaku p <š 10"1 Pa (plně); můstek vyrovnán při atmosférickém tlaku (čárkovaně) filtr; J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 □ <3 1 ► < - 1 O^O Vakuová fyzika 1 22 / 43 Termočlánkový-manometr b) 10' K) p(Pa) J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 Dilatační manometr Obr. 5.26. Dvojkovový dilatační vakuometr (dle Klumba a Haase, 1936). Dvě dvojkovové (bimetalové) spirály jsou upevněny na svých koncích xx a jejich druhé konce jsou spojeny s ručičkou. Spirálami prochází proud, který je zahřívá. Ručička se otáčí v závislosti na tlaku 5W; 0,1-100 Pa J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Indikace tlaku podle výboje Aston Dark Space Cathode Glow <> Cathode Dark Space Negative Glow Faraday Dark Space Positive Column T Anode Glow Anode 'Dark Space Potential & Electric Field Charge \ Density Current Density commons.wikimedia.org Vakuová fyzika 1 25 / 43 Pouze přibližná metoda. P[Pa] Tvar výboje 5 x 103 - 103 hadovitý výboj 103 - 5 x 102 elektrody se pokryjí doutnavým světlem 102 kladný sloupec vyplní 2/3 trubice 5 x 101 vrstvy v kladném sloupci 10 vrstvy mizí, záporné světlo 1/2 trubice 5 záporné světlo v celé trubici, fluorescence skla 1 fluorescence mizí Kalibrace manometrů Přímé porovnání Redukce tlaku • metody statické • metody dynamické Pomalý nárůst Molekulární proud Statická expanze Pn = Pl ■ Vi v2 Vn- n—l ^1+^2 V2 + V3 Vn-l + V7 n V2 = 1000 cm3 Pi P3 \i or «m3 ^ V, = 25 cm —o i V3 = 25 cm firemní materiály firmy Pfeiffer □ S1 Dynamická expanze 6 p' * výveve s velkou čerpací rychlostí Obr. 5.92. Aparatura pro kalibraci vakuometrů metodou s konstantním proudem. Místo dvou vakuometrů (7,8} je možno použít jen jeden (9) s dvoucestným kohoutem (10); 1,10 — kohouty; 2,4,6 — komory; 3,5, 7, 8, 9 — vakuometry; Gls G2 — vodivosti otvorů mezi příslušnými komorami > roszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 I = G2(P2 - Pi) = G1(p1 -p') P2 = i + ^(i-^) pí g2 pro velkou čerpací rychlost p' • P' > P T2 > Ti ; A >d 2 V W 2 Vři 39) Určete relativní chybu měření kapacitního manometru při změně teploty o 1 °C. Maximální měřitelný tlak 1000 torr. Chyby měření podle manuálu 0,2 % z čtené hodnoty + 0,005 % z rozsahu (F.S.) p změně teploty o 1 °C. Relativní chybu určete pro měřené tlaky 100 torr a 1 torr. a) 100 torr: A P = 0,2 torr + 0,05 torr, chyba - 0,2 % b) 1 torr: A P = 0,002 torr + 0,05 torr, chyba - 5 % 40) Odhadněte čerpací rychlost ionizačního manometru se žhavenou katodou. Konstanta manometru je K = 0,075 Pa"1 , proud elektronů je Ie = 1 mA, teplota plynu 20 °C. N dP ,mdNl P = —kT , — = -kT— — V dt dt V dN Ip = e—,IP = KIeP dP _ _S_ ~dt ~ V T kT S = fcT^f = — UK = 0,00189 L/s Pe e □ ► « iS 41) Jak dlouho bude trvat vyčerpat vakuovou komoru z tlaku Px = 10"1 Pa na tlak P2 =10-2 Pa? Objem komory je 1 L, čerpací rychlost vývěvy 0,00189 L/s, mezní tlak zanedbejte. Aí = 1220 s = 20 min 20 s 42) Odhadněte čerpací rychlost ionizačního manometru se studenou katodou. Teplota plynu 20 °C, tlak je 0,02 Pa, proud iontu manometrem je 0,1 mA. 43) Jak dlouho bude trvat vyčerpat vakuovou komoru z tlaku Pi = 10_1 Pa na tlak P2 =10~2 Pa pomocí ionizačního manometru se studenou katodou ? Objem komory je 1 L, čerpací rychlost viz. příklad 42, mezní tlak zanedbejte. Vakuová fyzika 1 □ S - 1 -O QvO 41 / 43 44) Určete vztah mezi odpory v můstku, který je vyvážen □ t3 Vakuová fyzika 1 42/43 45) Spočítejte elektrický odpor platinového drátku při teplotách 0 °C , 197 °C , 187 °C. Rozměry drátku jsou průměr D = 50 /im, délka L = 50 mm.