Коснувшись измерений остаточного давления в вакуумной системе на примере старинных барометрических манометров и разрядной трубки [1], следом рассмотрим условно несложные вакуумметры ходовые ныне — тепловые и ионизационные — как выглядят, как работают, варианты (исторические, фабричные, самодельные), способы включения, особенности, интересные моменты. Условия задачи: любительская лаборатория-мастерская, общий курс — самодельные электронные и газоразрядные лампы.

Как уже говорилось — для нашего дела, как правило, требуется остаточное давление, создаваемое вакуумной установкой, около 10^-5…10^-7 Торр (высокий вакуум). Вакуум сверхвысокий, обычно получают в уже герметизированной (отпаянной) лампе, активированием геттера. Классическая схема вакуумной установки лабораторного откачного поста: две ступени — механический масляный насос предварительного разрежения (форвакуум — 10^-2…10^-3 Торр) и паромасляный (диффузионный) высоковакуумный насос. При повышенных требованиях к откачке и по возможности могут быть применены и другие типы насосов, например, не требующие для работы масла, с миграцией которого в откачиваемый прибор, приходится бороться.

На эскизе (Рис. 0.1. А) виден принцип работы насоса: при каждом обороте ротора 2, пластины-золотники 6, 7 зачерпывают и выбрасывают в атмосферу небольшую порцию газа из вакуумной системы; Б, В — обычная современная компоновка — насос (здесь, внутри одного корпуса два насоса последовательно — две ступени) и электромотор объединены в единый компактный агрегат

Также как не существует удобного практического высоковакуумного насоса, работающего «с атмосферы», нет и вакуумметра, охватывающего весь диапазон откачки до высокого вакуума. Исключение здесь составляют вакуумметры компрессионного типа, например, манометр Мак-Леода, способный напрямую измерять до 10^-5 Торр, но прибор это громоздкий, сложный, работает медленно и неудобно, содержит много ртути. Его удел — служить эталонным прибором для градуировки.

Для обычных же повседневных технологических измерений используют способы косвенные — использующие зависимость некоторых физических явлений от (остаточного) давления. И самой распространённой парой таких преобразователей, перекрывающих диапазон давлений от атмосферного до высокого вакуума, остаются манометры тепловые (для высоких и средних давлений — форвакуума) и ионизационные (для низких давлений, высокого вакуума).

1. Тепловые вакуумметры. Манометр Пирани (манометр сопротивления)

Принцип работы тепловых преобразователей построен на связи потерь тепла нагретой металлической нити (или тончайшей, иногда гофрированной, ленты; полупроводникового элемента) с остаточным давлением газа вокруг неё: 1 — электрическое сопротивление металлической нити при нагревании возрастает; 2 — в высоком вакууме нагретое тело теряет тепло только посредством излучения, при наличии же газа — излучением и теплопроводностью.

Классический манометр сопротивления (Пирани) представляет собой одну металлическую нить, натянутую в колбе лампы-преобразователя, подключённой к вакуумной системе. С изменением давления газа изменяется количество отведённого тепла от нагретой нити — изменяется температура нити, изменяется её сопротивление.  

Существует два распространённых метода измерений: 1 — постоянным поддерживается ток нагрева нити, а при изменении давления в манометре, регистрируется изменение сопротивления; 2 — постоянной поддерживается температура нити (и её сопротивление), а при изменениях давления, регистрируется изменение приложенного напряжения.

Для изготовления нити манометра применяют металлы с выраженным тепловым коэффициентом, часто — вольфрам, платину. Изменение их сопротивления очень небольшое, для его регистрации применяют мостик Уитстона (Рис. 1.1. Б), или мостик Уитстона вкупе с инструментальным усилителем.

Теплопотери нагретой нити, перенос тепла, происходит от нити к стенкам колбы прибора-преобразователя, отсюда — зависимость показаний от температуры окружающей среды. Надёжнее всего эти возмущения компенсировать — изготовить лампу-датчик, в точности повторяющую основной измеритель, но в отпаянной (запаянной) колбе, откачанной до возможно более высокого вакуума. Компенсатор включают в соответствующее плечо мостика (Рис. 1.1. В), а при необходимости обе лампы располагают компактно и термостатируют. Если давление в системе с таким манометром весьма низкое, сопротивления нитей F₁ и F₂ (Рис. 1.1. В) равны, мостик уравновешен, стрелка индикатора стоит на нуле. Как только в колбу манометрической лампы из вакуумной системы попадает газ, горячая нить, например, F₁, теряет тепла больше, становится холоднее, её сопротивление уменьшается, мостик разбалансируется.

Поскольку разные газы обладают разной теплопроводностью, манометр сопротивления требует градуировки для каждого из них, причём разная чувствительность к разным газам, может быть использована для простого и удобного поиска течей — обдувая подозрительные места вакуумной системы «пробным» газом. Градуируют манометры Пирани в лаборатории, обычно по манометру Мак-Леода.

2. Градуировка манометра Пирани

Манометр сопротивления, в отличие от, например, манометров барометрических [1], нельзя рассчитать из-за слишком большой неопределённости, связанной с теплообменом между металлической нитью, газом и стенками колбы, поэтому такие манометры приходится градуировать путём сравнения показаний, обычно с манометром компрессионным (Рис. 0.3.). Для исключения влияния конденсирующихся паров, искажающих показания компрессионного манометра, процедуру выполняют с применением вымораживающей ловушки (с жидким азотом или воздухом).

В процессе градуировки подбирают ток нагрева нити при минимальном давлении в лампе, так, чтобы получить предельное значение отклонения стрелки измерительного прибора [4]. Последовательными ступенями изменяя давление при установленном токе нити, снимают показания компрессионного манометра, соотнеся их с показаниями стрелки измерителя манометра сопротивления. По полученным данным вычерчивают градуировочную кривую. Отныне она и ток нагрева нити — паспортные данные манометрической лампы. В приборах заводских эти данные, усреднённые для каждого типа ламп, уже приведены.

3. Увеличение верхнего предела измеряемых давлений

Обычный диапазон манометров сопротивления ~ 1…10^-4 Торр, который можно расширить в сторону высоких давлений специальными мерами, например, выполнив колбу манометрической лампы в виде капилляра — чтобы чувствительная металлическая нить была расположена очень близко к стенкам, для лучшей передачи тепла.

Например, такого рода лампа-капилляр (Рис. 3.1. А) с нитью, температура которой поддерживалась постоянной (около 70 ̊ С), а давление отсчитывалось по градуированному миллиамперметру в цепи питания мостика, работал в диапазоне 1*10^-2… 15 Торр. Такой прибор следует считать весьма полезным — им, например, можно заменить масляный U-манометр со всеми его недостатками [1].  

Другой способ повышения верхнего предела измерений — увеличенный нагрев нити, даже в не капиллярной лампе-датчике. Например, манометрическая лампа с необычной измерительной частью (Рис. 3.1. Б), где ток нагрева нити от источника Е₁ частично или полностью компенсируется током от Е₂, и постоянной поддерживаемой температурой нити 450 ̊ С (едва заметное на глаз каление), имеет достаточную чувствительность в диапазоне 7*10^-2…60 Торр.

4. Развитие идеи, современные манометры Пирани

Вместо металлической нити в манометре сопротивления можно использовать специальный термистор в форме тонкой палочки или бусинки, спечённый из порошка полупроводниковых окислов, например, окиси марганца, никеля, титана, магния, железа, меди. Из соображений вакуума, такой термистор покрывают тонким слоем стекла. Датчик на основе подобного термистора имеет чувствительность примерно на порядок выше, чем с металлической нитью.

Применение импульсного режима измерения: нить датчика нагрета не всё время измерений, но циклически нагревается и остывает до заданной температуры, причём время, необходимое для нагрева, используется для определения давления. Импульсный режим существенно понижает энергопотребление датчика и увеличивает точность в диапазоне высоких давлений. Кроме того, такой способ измерений преотлично реализовывается современными микропроцессорными средствами.

Манометрические датчики, выполненные средствами микроэлектроники — осаждение тонких плёнок, литография, травление — позволяют существенно улучшить почти все характеристики прибора, обеспечив нижний предел измерений до 10^-7 Торр (!), что позволяет в таких случаях отказаться от отдельного высоковакуумного измерителя.

5. Итого

Манометр Пирани, он же — тепловой манометр сопротивления — исходно нехитрый прибор, использующий простейший очевидный принцип. Лампу-датчик и элементарную измерительную часть можно собрать в любой хоть сколько-то оборудованной лаборатории. Увы, нужен эталон, нужна тщательная калибровка.

Современное заводское исполнение приборов наделяет их громадными преимуществами, но хорошие приборы кусаются.

6. Дополнительные материалы

1. Простейшие самодельные вакуумметры. Конспект автора.

2. Электровакуумный геттер, газовыделение, газопоглощение в ЭВП. Конспект автора.

3. Ярвуд Дж. Техника высокого вакуума. Госэнергоиздат. Москва, Ленинград, 1960 г.

4. Королёв Б. И. Основы вакуумной техники. Госэнергоиздат. Москва, Ленинград, 1957 г.

5. Стронг Д. Техника физического эксперимента. Ленинград, 1948 г.

6. Грошковский Я. Техника высокого вакуума. Изд. МИР, Москва, 1975 г.

На благо всех разумных существ, Babay Mazay, июнь, 2026 г.

© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»