Вакуумные датчики используемые на установках

Вакуумные датчики измеряют показания давления в диапазоне от атмосферного давления до более низкого давления, приближающегося к абсолютному нулю. Некоторые датчики читают полный диапазон давлений с низким разрешением, а другие могут читать только часть диапазона, но с  лучшим разрешением.

Существует три типа вакуумных датчиков, которые отличаются методом работы:

• Механические

• Теплопроводные

• Ионизационные

В этой статье мы будем рассматривать только теплопроводные и ионизационные датчики, потому что механические вакуумметры обычно не используются в вакуумных камерах

Типичный вакуумметр состоит из чувствительного сенсора и вакуумметра (показометра) (рис.1). Он снабжен силовым кабелем питания (220 В) на показометр и электрическим кабелем для подачи питания на измерительный сенсор, а также для передачи сигнала от измерительной головки. Датчики обычно монтируются сверху. Это необходимо для правильного считывания, а также для предотвращения попадания мусора в сенсор.

В вакуумных системах часто используется вакуумметр Пеннинга с холодным катодом, который работает в диапазоне от 10 ^-2 мм рт.ст. до 10 ^-9 Торр. Он оборудован прочной трубкой из нержавеющей стали и может быть демонтирован и очищен, если он загрязнен.

В последние годы  в результате кропотливой работы диапазон измерений емкостных вакууметров (рис.3), было улучшен до 10 ^-5Торр. Это улучшение позволяет использовать их в процессах с высоким вакуумом, потому что их датчики устойчивы к коррозии и также являются наиболее точными вакуумными измерителями.

Для измерения давления форвакуумного насоса  есть несколько возможных  вариантов: 

• термопарный вакуумметр (рис.4)

• датчик Пирани

• конвекционный
  

Ранние вакуумные датчики

Ранние конструкции вакуумных датчиков использовали коаксиальный кабель для подключения сенсора к показометру, поскольку сигнал с сенсора был небольшим (в миллиамперах, либо милливольтах). Коаксиальные кабели имеют слой перекрещивающихся тонких медных проводов, вокруг центрального провода или проводов, чтобы уменьшить потери сигнала. Эти кабели часто использовали различные разъемы, чтобы гарантировать, что конкретный сенсор не сможет быть подключен к другому показометру (рис.5). Электрические схемы в считывающем устройстве были совместимы только с сигналом своего датчика.

Современные вакуумметры

В восьмидесятые годы, когда твердотельная электроника стала распространённой, произошло существенное изменение технологии в разработке вакуумных датчиков. Относительно большие печатные платы, используемые для усиления сигнала с сенсора, стали значительно меньше с использованием технологии поверхностного монтажа. Эта миниатюризация позволила монтировать схему преобразования сигнала прямо в корпусе датчика, а не в показометре (рис.7). Когда начинается считывание давления, сигнал усиливается прямо на сенсоре. Это делает вакуумный датчик автономным преобразователем. Большему не нужно использовать дорогой коаксиальный кабель, так как потеря сигнала незначительна. Современные «активные» датчики, как известно, используют недорогой телефонный провод и обычно разъемы RJ-45 (рис. 8).

Бонус такого подхода считывания сигнала заключается в том, что сигнал можно снимать  непосредственно компьютером, а показометр (вторичный  прибор) от производителя можно не использовать. Компьютер может быть запрограммирован на то, чтобы связать любое напряжение в сигнале от 0 до 10 вольт до эквивалентного давления, а затем отобразить его на экране. Пользователи простых или небольших систем по-прежнему могут купить показометр, и он может показывать давления от одного или нескольких типов сенсоров в зависимости от производителя и модели.

Одновременно с изменением электроники стали использоваться цифровые индикаторы (рис.9). На цифровом дисплее отображается показание давления, указывается декада давления, название используемого вакуумного блока.

Один из недостатков использования телефонного кабелей для различных типов измерительных головок вместо коаксиального кабеля для каждого типа сенсора заключается в том, что теперь система не знает, какой тип сенсора подключается к ней. Напряжение от каждого типа вакуумного датчика будет относиться к разному давлению в зависимости от измеряемого диапазона давления и формы кривой напряжения/давления для этого сенсора. Система должна знать, какую таблицу значений надо выбрать в соответствии с сигналом измерительной головки. Чтобы справиться с этой проблемой, в вакуумных измерителях,  напряжение от 0 до 2 вольт используется для определения конкретного типа датчика, подключенного к системе управления. Каждый тип измерительной головки имеет специальный сигнал напряжения, который позволяет элементам управления идентифицировать его. Когда вакуумметр подключен, сигнал посылается из блока управления в датчик, чтобы определить его тип. Как только датчик идентифицирован, система управления выбирает правильную таблицу для него. Более поздние улучшения в электронных вакуумметрах линеаризуют кривые напряжения / давления «s» для упрощения таблиц поиска. Это дает сигнал напряжения прямо пропорционально давлению. Некоторые датчика имеют цифровой считыватель, установленный прямо на головке. Это может быть полезно для небольших лабораторных вакуумных систем, но менее полезно для больших систем с центральными панелями управления.

Вакуумметр для откачки высоковакуумного насоса

Первый этап цикла откачки вакуумной системы, как правило, заключается в предварительной откачке высоковакуумного турбомолекулярного насоса до давления старта, при котором насос сможет включиться. Для контроля этого давления в трубопроводе рядом с выхлопным соединением насоса  должен быть смонтирован низковакуумный вакуумметр. Этот трубопровод называется линией форвакуумного насоса. Датчики, используемые в данном месте, имеют диапазон измерений от 20 Торр до 1 × 10 ^-3 Торр в зависимости от производителя и модели. Позже в технологическом цикле вакуумной камеры, когда высоковакуумный насос работает и откачка перешла в высоковакуумную, этот датчик используется для контроля давления насоса. 

Вакуумметр предварительной откачки камеры

Второй вакуумный датчик представляет собой тип термопарный, Пирани либо конвекционный (рис.10) и смонтирован в вакуумной камере для измерения давления, достигнутого во время «форвакуумной» фазы откачки cпиральным насосом. Это часто является вторым этапом откачки, когда механические насосы подключаются непосредственно к камере через форвакуумную линию.

Высоковакуумный датчик  камеры

Третий датчик устанавливают на вакуумную камеру, обычно это ионизационный или емкостной вакуумметр для измерения высокого вакуума, необходимого для конкретного процесса. Положение сенсоров в вакуумных камерах зависит от того, что установлено внутри камеры. Для процессов, проходящих в вакууме необходимо знать давление, при котором происходит процесс, обычно в середине камеры. Сенсор, однако, смонтирован около стенки камеры и может измерять вакуум только внутри собственной оболочки. Поэтому должен быть определён коэффициент для вычисления  вакуума в центре камеры. Этот коэффициент  вычисляется  методом проб и ошибок во время откачки камеры, а также используется опыт производителя по предыдущим системам.