Приступив к сборке откачного поста [1] для изготовления любительских электровакуумных и ионных (газонаполненных) приборов в домашней мастерской [2], неизбежно столкнулся с выбором средств измерения остаточного давления в «системе». Делом, как оказалось, мудрёным, но и прелюбопытным. Прямые измерения отрицательного давления, как, например, в манометрах барометрических [3] и компрессионных — процесс небыстрый, громоздкий и хлопотный, часто требующий ртуть и немало. Применять подобные средства измерения, например, U-манометры c маслом, разумно только для градуировки рабочих вакуумметров косвенного измерения — где используется какой-то из физических эффектов связывающий давление и некую электрическую (не всегда и не везде) величину. Например, в манометрах сопротивления (Пирани) [4], ухудшение вакуума в колбе лампы-преобразователя увеличивает потери тепла нагретой током металлической нити. Регистрируемая величина — изменение сопротивления нити или количество затраченной на нагрев энергии. Рассмотрим же ещё один тип очень распространённых манометров — тепловые термопарные — как включаются, как работают, особенности, ретро и современные заводские варианты, измерительные блоки для них.
1. Тепловой манометр термопарного типа. Преобразователь
Использует тот же принцип, что и манометр Пирани: в высоком вакууме нагретое тело теряет тепло только посредством излучения, при наличии же газа — излучением и теплопроводностью. В отличие от Пирани, в термопарном преобразователе полезным сигналом является электродвижущая сила (ЭДС) миниатюрной термопары, тепло к которой, передаётся от нити нагревателя, через коротенькую металлическую перемычку. Хуже вакуум — больше потерь тепла от нагревателя к стенкам колбы — меньше нагревается термопара — меньше напряжение на её выводах.
Благодаря прозрачной стеклянной колбе преобразователя ПМТ-2, легко и познавательно увидеть его типовое устройство — на никелевых траверсах подвешен нагреватель из платиновой нити, обеспечивающей длительную работу при высоких давлениях. К его средней точке прикреплена термопара хромель-копель (Фото 1.1. Б).
Лампа ПМТ-2 с завода откачана до 10-4…10-5 Торр (мм рт. ст.) и запаяна, для поддержания и индикации наличия низкого давления, прибор снабжён распыляемым бариевым геттером в отрезаемом носике (Фото 1.1. В). Достаточное (меньше нижнего порога измерения) разрежение в лампе нужно для удобной первоначальной калибровки этого датчика пользователем-вакуумщиком по месту — лампу не вскрывая, присоединяют к измерительному блоку, и определяют ток нагревателя, при котором ЭДС термопары, в этом условном для ПМТ-2 вакууме, будет равняться 10 мВ. Полученный ток (обычно 90…150 мА), отныне является паспортной величиной лампы, его устанавливают и поддерживают во время дальнейшей работы прибора.
В случае натекания лампы (попадание внутрь воздуха), нормальный вид бариевого геттера (тёмное зеркало) нарушается — зеркальный слой может побелеть, частично или полностью испариться. Лампу в таком случае следует вскрыть, присоединить к вакуумной системе (через ловушку с жидким азотом — для вымораживания паров) и собственноручно откачав до требуемых «ниже 10-4 Торр» калибровать.
Работают с термопарным вакуумметром так — в результате калибровки получаем паспортный ток нагревателя — он даёт показания термопары 10 мВ в сильно откачанной лампе, там, где теплопотери через газ ничтожно малы. Это конец шкалы измерительного прибора-вакуумметра (милливольтметр на Рис. 1.2. А). Присоединив лампу к вакуумной системе и установив найденный паспортный ток, снимаем ЭДС термопары и переводим в общепринятые единицы давления по градуировочной кривой (Рис. 1.2. Б). Работа тепловых преобразователей связана с потерей тепла через газ, а значит, и с теплопроводностью газа. Её учитывают через индивидуальные градуировочные кривые (Рис. 1.2. Б) или поправочные коэффициенты из спецлитературы.
В отличие от стеклянных ламп, металлический и чуть более компактный вариант отечественного преобразователя — ПМТ-4М не запаян вовсе — его штенгель закрыт резиновой пробочкой от попадания пыли, влаги и разной пронырливой живности. Эта лампа калибруется на заводе, и ток нагревателя указан на баллоне (Фото 1.5. А). Как видно (Фото 1.5. Б) присоединительные размеры ламп отличаются. Металлический штенгель ПМТ-4 придётся вварить, впаять или раздобыть подходящий зажим-переходник «грибкового типа».
Термопарный преобразователь, например, ПМТ-2 можно заставить работать и при более высоких давлениях. В этом случае, из-за большого количества газа вокруг нити нагревателя, его, нагревателя, теплопотери будут слишком высоки, чувствительность датчика резко упадёт. Чтобы нормализовать его работу при измерении давлений в диапазоне 10…100 Па лампа калибруется при атмосферном давлении (вскрытой) и термоэдс 1.2 мВ. Рабочий ток через подогреватель ПМТ-2 в этом режиме увеличивается примерно в два раза. Интересно, что такой режим в паспорте лампы не приведён, хотя его использовали некоторые ранние вакуумметры.
Так же как и в родственных манометрах сопротивления [4] применяют режим измерений с постоянным сопротивлением нити, в манометрах термопарных существует режим — с постоянной ЭДС термопары, например, для стеклянного ПМТ-2 он паспортный и позволяет существенно расширить диапазон измерений вверх. Для измерений в этом режиме лампа калибруется «по атмосфере» — её вскрывают и, установив ток подогревателя аж 600 мА, снимают ЭДС термопары (4…10 мВ). Измерения с постоянной ЭДС выполняют так: у лампы, подключённой к исследуемой вакуумной системе, увеличивают ток подогревателя до появления на термопаре калибровочного значения. По измеренному току подогревателя, через специальную градуировочную кривую, определяют давление.
Работа ПМТ-2 в режимах измерений высоких давлений, с большим количеством газа и крупной долей теплообмена конвекцией, имеет и специфическое требование к установке этой лампы — только вертикально и термопарой (цоколем) вверх. Лампы, работающие только в диапазоне низких давлений, допускается устанавливать вертикально с любым положением цоколя, что здорово облегчает компоновку вакуумной системы.
Термопарный преобразователь хотя и долговечная лампа, но обычно работает близко к масляным механическим форвакуумным насосам, и в той или иной степени загрязняется парами масла. Это заметно снижает и без того неблестящую точность прибора: лампу придётся время от времени очищать (промывать органическими растворителями) и калибровать заново. Стеклянные баллоны в этом смысле имеют преимущество — степень загрязнений в них оценить легче.
2. Тепловой манометр термопарного типа. Измерительный блок
Вакуумметр, это манометрическая лампа-преобразователь плюс измерительный блок. С некоторыми заводскими измерительными блоками мы уже познакомились, приведём ещё несколько вариантов, в порядке развития и усложнения.
3. Итого
Манометрические термопарные лампы-преобразователи в целом и ПМТ-2 (ПМТ-4) в частности и в первую очередь — старинные приборы, всё ещё имеющие широкое хождение — звёзд с неба не хватают, но доступны, просты, дёшевы и не слишком капризны в обращении. Стеклянные варианты имеют некоторые преимущества в ежедневной рутинной работе, хотя установить в систему её чуть сложнее. Раритет ПМТ-2 имеет целых две, условно «не задокументированных возможности», расширяющих диапазон возможных измерений.
Термопарные лампы имеют большие погрешности и в принципе расцениваются как индикаторные. Кроме того, специфика высоковакуумных установок часто допускает весьма грубое определение предварительного вакуума — как всего лишь необходимого условия для старта и работы высоковакуумной ступени. Более или менее точные измерения в диапазоне высоких форвакуумных давлений проводятся редко, показания вакуумметра здесь, как правило, свидетельствуют только о нормальной работе оборудования и отсутствии грубых течей. Рабочий же газ в ионные приборы помещают при ещё более высоких давлениях, с которыми преотлично справляются обычные механические манометры-круглошкалики деформационного типа.
Современные измерительные блоки ставят работу со старинными лампами-преобразователями на несравненно более высокий уровень, однако, и стоит такое оборудование изрядно.
Очень простой принцип измерений и доступность элементной базы дают возможность самостоятельной сборки внешних цепей — от макета с использованием лабораторных приборов общего применения (источник питания, милливольтметр), до специальных аналоговых [5] или цифровых [6] приборов, в том числе и для многоточечных измерений [7].
4. Дополнительные материалы
Лабораторный откачной пост своими руками. Часть 1. Каркас, нагревательная печь. Конспект автора.
Несложные ходовые вакуумметры. Часть 1. Манометры сопротивления (Пирани). Конспект автора.
Низковакуумная манометрическая система на 8 позиционном откачном посту.
На благо всех разумных существ, Babay Mazay, июль, 2026 г.
© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»