آشنایی با انواع گیج خلا

گیج خلا وسیله‌ای برای اندازه‌گیری فشار می‌باشد که فشار را در خلاء (به عنوان مثال، در یک مخزنی که در فشاری پایین‌تر از فشار اتمسفر کار می کند) اندازه‌گیری می‌کند.

بسته به نوع سیستم خلاء و سطح خلاء مورد نیاز، وکیوم گیج‌های مختلف، اغلب در ترکیب با یکدیگر، برای تعیین دقیق و/یا کنترل سطح خلاء محفظه در هر لحظه مورد نیاز از زمان مورد نیاز می‌باشد. برای مشاهده محصولات ارائه شده در زمینه گیج خلا کلیک نمایید.

گیج خلا اجزای اصلی اندازه‌گیری برای سیستم‌های وکیوم (بعنوان مثال کوره‌های خلا) هستند. این وکویم گیج ها می تواند در لوله ها و اتصالات استفاده شد ه و یا مستقیما به مخزن وصل گردد. گیج‌های خلا فارغ از کاربری مورد بهره برداری، برای اندازه‌گیری فشارهای زیر فشار اتمسفر مورد استفاده قرار می‌گیرد. مطابق شکل 2 انواع مختلفی از گیج های خلاء وجود دارد که هر کدام برای عملکردی خاصی در محدوده خاصی از فشار خلاء مناسب می‌باشند.

مطابق جدول 1 انواع متداول گیج های خلا عبارتند از:

• گیج های مکانیکی
• گیج فشار مطلق
• وکیوم گیج ترموکوپلی یا گیج پیرانی
• گیج خلا یونیزاسیون (کاتد سرد و گرم)
• وکیوم گیج مک لئود

معیارهای انتخاب گیج خلا

معیارهای انتخاب وکیوم گیج به شرایط مختلفی بستگی دارد که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره نمود:

• محدوده خلاء که باید اندازه‌گیری گردد
• ترکیب گاز محفظه اندازه‌گیری (بی اثر، واکنش پذیر، خورنده)؛
• دقت و تکرار پذیری مورد نیاز
• شرایط محیطی

بنابراین پاسخ به سوالات زیر هنگام انتخاب و خرید گیج خلا می تواند ما را در انتخاب تکنولوژی مناسب کمک نماید.

1. به دنبال چه محدوده فشاری هستید؟
2. به دنبال چه محدوده دقتی هستید؟
3. آیا محدوده دیگری وجود دارد که مهم باشد؟
4. آیا علاوه بر اندازه گیری نیاز به کنترل یا تنظیم دارید؟
5. به دنبال چه نوع گیجی (پنلی یا رومیزی) هستید؟
6. توان در دسترس و همچنین سیگنال خروجی مورد نیاز؟

مطابق شکل 2 گیج های خلا با توجه به سطح فشار قابل اندازه گیری به 3 دسته اصلی زیر تقسیم می گردند.

گیج های خلاء بر اساس فشار کاری به سه دسته اصلی تقسیم می شوند (شکل 3). این شامل:

• گیج فشار مطلق؛
• گیج های خلاء متوسط –سطح خلا اندازه‌گیری شده تا حدود 0.001 میلی بار (1 میکرون)
• گیج های خلاء بالا- سطح خلا اندازه‌گیری شده زیر 0.001 میلی بار (1 میکرون).

گیج‌های خلاء، فشار را در بازه‌ای از فشار اتمسفر تا فشار پایین‌تر و نزدیک به صفر مطلق (فشار صفر مطلق قابل دستیابی نمی باشد) اندازه‌گیری می‌کنند. برخی از گیج ها محدوده‌ای کامل را با وضوح پایین اندازه گیری نموده و برخی دیگر فقط می توانند بخشی از محدوده خلا را اندازه‌گیری نمایند. اما به دلیل داشتن دقت و وضوح بهتر، معمولاً برای فشارهای پایین تر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

گیج‌های خلاء بر اساس روش کار می تواند به سه نوع  مکانیکی، هدایت حرارتی و یونیزاسیون تقسیم نمود. در این مقاله، فقط در مورد گیج‌های هدایت حرارتی و یونیزاسیون صحبت خواهد شد زیرا معمولاً از گیج‌های خلاء مکانیکی صرف در کوره های خلاء استفاده نمی شود.

به طور معمول یک وکیوم گیج الکترونیکی از بخش اندازه‌گیر و یک بخش بازخوان تشکیل شده است. سری (Head) گیج معمولاً به صورت عمودی (به سمت پایین) نصب می شوند، تا علاوه بر دقت در خواندن فشار از ورود آلودگی های محیطی به داخل آن جلوگیری گردد.

برای سیستم هایی مانند کوره های خلاء بیشتر از گیج خلاء بالا، گیج پنینگ (کاتد سرد) استفاده می گردد تا فشار وکیوم را در بازه  ^2-10 Torr تا حدود ^9-10 Torr اندازه گیری می نماید. تیوب گیج خلا کاتد سرد از جنس استیل ضد زنگ مستحکم بوده و در صورت آلوده شدن قابل جداسازی و تمیز کردن فیزیکی می باشد. گیج نوع پنینگ به دلیل آهنرباهای نصب شده در اطراف لوله گیج، حجیم تر از سایر سری (Head) های گیج است.

در سال‌های اخیر محدوده اندازه‌گیری گیج های خازنی مانومتری بهبود یافته است. بنابراین این مدل از گیج های وکیوم اکنون می تواند فشار خلا تا محدوده ^5-10 Torr را اندازه گیری نمایند. این بهبود در اندازه گیری، گیج های خازنی را برای استفاده در برخی از کاربردهای خلا بالا مناسب کرده است. زیرا این گیج ها علاوه بر اینکه در مقابل خوردگی مقاوم می باشند، دقیق ترین وکیوک گیج موجود نیز می باشند.  

برای اندازه گیری فشار در اتاصل بین مخزن و پمپ خلا و فشار محفظه گزینه های وکیوم گیج های ترموکوپلی (TC)، گیج خلا پیرانی و گیج همرفتی وجود دارد. گیج همرفتی یک طراحی ترکیبی از گیج پیرانی است که امکان اندازه گیری در فشارهای بالاتر را نیز فراهم می کند. گیج های همرفتی برای اندازه گیری فشار های بالا از جریان همرفتی و برای اندازه گیری فشار های پایین از رسانش بهره می برند. این وکیوم گیج ها  از حدود 20 Torr به پایین تا حدود ^3-10*1 تر (1 میکرون) را اندازه گیری نموده  و دارای وضوح خوبی از 1 Torr تا ^3-10*1 torr می باشند.

برخی از گیج های خلا ترموکوپلی و همرفتی با اتصالات رزوه ای ¼ اینچی ارائه می گردند. اتصالات رزوه ای برای استفاده در سیستم های خلاء به سختی آب بندی می شوند زیرا اغلب نشتی های کوچک از طریق ریشه و تاج شکل رزوه وجود دارد. (چند تا از این سرهای گیج را دیده اید که ترکیب آب بندی مشکی در اطراف اتصال چسبیده است؟) اتصال جدیدتر مدرن “NW” به همراه O-ring لاستیکی گزینه بسیار بهتری است زیرا احتمالب نشتی در آن بسیار پایین بوده و باز و بسته کردن آن بسیار ساده می باشد.

انواع وکیوم گیج ها

گیج های خلا پسیو

گیج های خلاء سنتی (معروف به سنسورهای خلاء، ترنسدیوسر و تیوب های خلاء) از نوع گیج های خلا غیرفعال و یا پسیو می باشند. گیج های پسیو شامل حسگرهایی مانند گیج ترموکوپلی، گیج های همرفتی، گیج های دیافراگمی (برای اندازه گیری خلاء کم) و گیج های کاتد سرد یا گیج یون‌ داغ -هات یون- (برای اندازه‌گیری خلاهای بالا) می باشد. تمام گیج‌های خلاء غیرفعال به یک کنترل‌کننده خلاء یا یک گیج خلاء فعال نیاز دارند.

گیج های خلاء فعال (اکتیو)

گیج های اکتیو (معروف به گیج های خلاء دیجیتال، گیج‌های هوشمند) گیج خلاء غیرفعال و بخش الکترونیک کنترل کننده خلاء را در یک دستگاه ترکیب می نماید. این گیج‌ها اغلب دارای گیج‌های ترموکوپلی، گیج‌های همرفتی و فناوری گیج کاتد سرد هستند که در ترکیب باهم امکان اندازه‌گیری خلاء را از اتمسفر تا کاربردهای خلاء فوق‌العاده بالا ارائه ‌می‌دهند. گیج های خلا اکتیو به ویژه زمانی که به کالیبراسیون مکرر و/یا تعویض سنسور نیاز باشد بسیار جذاب هستند زیرا می توان آنها را به راحتی جدا نموده، تمیز کرد و کالیبره یا جایگزین نمود. در فرایندهای دارای آلودگی‌های فرآیندی، ممکن است قبل از گیج از فیلتر درون خطی استفاده کنید.

کنترلرهای خلاء

مطابق شکل 3 کنترل کننده های خلاء برای استفاده با گیج های خلاء غیرفعال (پسیو) طراحی شده اند و انواع آن دارای ویژگی ها و مزایای منحصر به فردی می باشد. برای مثال، کنترل‌کننده‌های راک مونت، می‌توانند چندین گیج خلاء (معمولاً بین 2 تا 10) را کنترل نموده و همچنین برای برآورده کردن الزامات و نیاز های خاص قابل برنامه ریزی و تنظیم می باشند. این کنترل کننده ها همچنین می توانند به راحتی در شبکه صنعتی کارخانه ادغام شوند. کنترل‌کننده‌های خلاء قابل حمل اغلب یک گیج ترموکوپل را کنترل می‌نمایند تا فناوری سنجش دقت بالا را در یک بسته فشرده و مستقل ارائه کنند.

گیج‌های مکانیکی

گیج‌های مکانیکی فشار یا خلاء را با استفاده از تغییر شکل لوله ها یا دیافراگم هایی که در معرض اختلاف فشار قرار دارند، اندازه‌گیری می‌کنند. به همین دلیل، آنها به طور کلی به عنوان فشارسنج های تفاضلی طبقه بندی می شوند. معمولا، یک طرف قطعه مکانیکی در معرض فشار مرجع قرار گرفته و با استفاده از تغییر شکلی که بواسطه قرار گرفتن طرف دیگر در معرض فشار خلا رخ میدهد، فشار اندازه‌گیری می گردد. انواع گیج‌های مکانیکی عبارتند از:

• گیج های بوردون
• مانومتر
• مانومتر خلاء ظرفیتی
• گیج مک لئود
• گیج مومنتوم مولکولی
• گیج اصطکاک ویسکوزی
• گیج فشار مطلق

بسیاری از تولیدکنندگان کوره های خلاء فشار سنج های مطلق را بر روی تجهیزات خود عرضه می کنند. فشار مطلق نسبت به خلاء کامل (فشار صفر مطلق) اندازه گیری می شود، در حالی که فشار گیج (معروف به فشار بارومتریک) در پایه فشار اتمسفر اندازه گیری می شود. بنابراین خلا مطلق در صورت استفاده از وکیوم گیج مطلق برابر با 0 psia و در صورت استفاده از وکویم پیج نسبی برابر با 14.7- psig خواهد بود.

فشار مطلق بدون توجه به تغییرات دما و فشار محیط فشار دقیق را اندازه‌گیری مینماید در حالی که فشار گیج بر اساس فشار اتمسفر اندازه گیری می گردد.

گیج خلا مک‌لئود (10 تا ^3-10 میلی‌بار)

این گیج در واقع نوع اصلاح شده ی مانومتر است که قادر به اندازه گیری فشار مطلق گاز، با دقتی بالا می باشد و از آن برای کالیبره کردن سایر گاز ها استفاده می کنند. اصول کارکردی آن بدین شکل است که در آن یک سیال کم فشار به فشار بالاتر فشرده شده و سپس توسط تکنیک های مانومتری اندازه‌گیری می شود. طراحی آن شامل سیستمی از لوله‌های شیشه‌ای و یک لامپ شیشه‌ای است که تا حدودی شبیه به یک مانومتر ستونی جیوه‌ای به هم متصل می‌باشد.

حجمی مشخصی از گاز از محفظه خلاء به داخل گیج پمپ می‌شود. با چرخش گیج ​​و گاز محبوس در آن، جیوه ذخیره شده در مخزن به سمت لوله ای مدرج حرکت کرده و با استفاده از پدیده مانومتری اقدام به اندازی گیری فشار می نماید. تفاوت در سطوح جیوه بین حجم فشرده شده و سیستم تابعی از فشار درون سیستم است. با مشخص بودن نسبت تراکم (نسبت حجم اولیه و نهایی)، می توان فشار خلاء اصلی را با اعمال قانون بویل تعیین کرد.

این روش برای گازهای میعان ناپذیر مانند اکسیژن و نیتروژن نسبتاً دقیق است. با این حال، گازهایی که در دمای محیط بواسطه فشرده شدن در گیج مک لئود امکان میعان دارند، مانند بخار آب، آمونیاک، دی اکسید کربن و بخارات روغن پمپ، می تواند منجر به اندازه‌گیری اشتباه فشار شده و فشار خلا بسیار کمتری از آنچه که وجود دارد نشان دهد. یک تله سرد ممکن است همراه با گیج مک لئود برای میعان سازی و خارج نمودن این بخارات قبل از ورود به گیج استفاده شود.

فشار سنج ها خلا جنبشی

گیج های نوع جنبشی برای اندازه گیری خلاء بر اساس دو پدیده مختلف طراحی شده اند. در مورد ترموکوپل یا گیج پیرانی، هدایت حرارتی گاز اندازه گیری شده و به قرائت فشار خلا می انجامد. در حالی که در یک روتور گیج چرخان، کشش گازی روی قسمت دوار اندازه گیری شده و به سنجش فشار خلا منجر می گردد.

گیج خلا ترموکوپلی یا پیرانی

گیج‌های ترموکوپلی و پیرانی بسیار پرکاربرد هستند و به خانواده ای از گیج ها تعلق دارند که برای عملکرد خود بر اصل هدایت حرارتی تکیه دارند. این گیج ها با اندازه گیری هدایت حرارتی گاز، بعنوان تابعی از فشار عمل می نمایند. فشارسنج‌های خلا مذکوربا استفاده از جریان الکتریکی اقدام به گرم کردن یک سیم (معمولا تنگستن) می نمایند. با برخورد مولکول های گاز با سیم، سیم گرم شده سرد می شود.

فشار بیشتر در محفظه خلاء منجر به برخورد بیشتر مولکول‌ها با سیم شده و در نتیجه میزان انتقال حرارت بیشتر شده و دمای سیم خنک‌تر می‌شود. فشارهای کمتر به معنای مولکول های کمتر موجود در محفظه بوده که باعث برخورد کمتر با سیم گرم می شود. از آنجایی که سنسور یک سیم گرم شده الکتریکی است، به این گیج ها معمولاً سنسورهای خلاء حرارتی یا گیج سیم داغ می گویند. از آنجایی که خصوصیات همه گازها متفاوت است، پاسخ گیج رسانایی حرارتی برای هر گاز متفاوت خواهد بود.

در نتیجه، برای خواندن دقیق، گیج باید برای گاز مورد اندازه گیری کالیبره گردد. ترموکوپل نسبت به وضعیت سطح رشته سیم حساسیت زیادی دارد. بنابراین اگر فرآیند دارای آلایندگی باشد (مانند روغن یا بخارات آلی دیگر) مقدار بالاتر از حد انتظار اندازه گیری می شود.

در فشار سنج‌های ترموکوپلی، یک ترموکوپل مستقیماً به سیم مقاومت متصل گردیده است تا مستقیما اقدام به اندازه گیری دما نموده و با استفاده از آن فشار را اندازه‌گیری نماید. در حالی که در گیج پیرانی، سیم بخشی از یک مدار پل است که تغییر مقاومت سیم ها را اندازه گیری می کند. بنابراین با کاهش فشار، دمای سیم افزایش یافته و این تغییر مقاومت اندازه‌گیری شده و فشار سیستم به دست می آید.

طراحی گیج‌های یونیزاسیون (انواع کاتد سرد و گرم)

در فشارهای خلاء زیر ^4-10*1.3 میلی بار (^5-10 Torr)، اندازه گیری مستقیم فشار دشوار است. بنابراین، یک نوع خاصی از گیج برای اندازه‌گیری محدوده‌های فشار بسیار پایین، معمولاً از ^10-10 تا 1 میلی‌بار استفاده می‌شود. در گیج های خلا یونیزاسیون، الکترون‌های پرانرژی، گازهای باقی‌مانده را یونیزه نموده و یون‌های مثبت حاصل در یک الکترود جمع‌آوری می‌گردد و با اندازه گیری جریان، فشار سیستم محاسبه می گردد.

با توجه به حساسیت شدید آنها به گازهایی که سطح فشار آنها اندازه گیری می گردد، گیج های یونیزاسیون سنج اغلب در شرایط آزمایشگاهی استفاده می شوند. در واقع، آنها آنقدر حساس هستند که اغلب برای استفاده از آنها نیاز به بهره گیری از طیف سنج جرمی برای تعیین ترکیب گاز مورد سنجش ضروری می‌باشد. دو نوع گیج یونیزاسیون عبارتند از کاتد گرم و کاتد سرد.

گیج خلا کاتد سرد

محدوده عملیاتی برای گیج خلا کاتد سرد ^2-10 تا ^7-10 میلی بار (7.5 x 10^-3 تا ^8-10*7.5 torr) می‌باشد. مطابق شکل 4 انواع مختلف گیج کاتد سرد شامل  پنینگ، مگنترون، مگنترون معکوس، و مگنترون معکوس دوگانه می باشد.  همه آنها از یک میدان الکتریکی و مغناطیسی متقاطع برای به دام انداختن الکترون ها استفاده می کنند. تخلیه الکترون با انتشار میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط آهنربا صورت میگیرد.

از آنجایی فرآیند تخلیه الکترون در دماهای پایین تر می تواند چند دقیقه طول بکشد، گیج خلا کاتد سرد اغلب در فشارهای بالا (10-2 Torr یا بالاتر) روشن می شوند. پس از فعال شدن، میدان مغناطیسی درون گیج، اقدام به محدود سازی الکترون ها در طول مسیرهای طولانی که احتمال یونیزه شدن گاز باقی مانده را دارند، می نماید. با جمع آوری یان یون ها اندازه گیری فشار گاز داخل محفظه صورت می پذیرد.

فشار سنج کاتد داغ

محدوده عملیاتی برای گیج های کاتد داغ ^3-10 تا ^10-10 میلی بار (^4-10*7.5 تا ^11-10*7.5 torr) است. یک گیج خلا کاتد داغ (شکل 6، جدول 2) از یک ظرف شیشه ای تشکیل شده است که یک عنصر حرارتی درون آن وجود دارد و گاز مورد اندازه‌گیری که فشار نامشخصی دارد وارد آن می شود. الکترون‌های آزاد از رشته داغ (معمولا تنگستن) تخلیه می‌شوند. هنگامی که رشته (کاتد) گرم می شود، انرژی وارد شده به این الکترون ها به آنها اجازه می دهد تا از سطح فلز خارج شده و وارد محفظه شیشه ای ذکر شده، شوند.

میزان جریان انتقالی بین کاتد و آند تابعی از تعداد مولکولهای گاز موجود در محفظه خواهد بود. بنابراین فشار گاز با اندازه‌گیری جریان الکتریکی بین آند و کاتد درون حباب شیشه‌ای به دست می‌آید. این جریان متناسب با تعداد یونها در واحد حجم است که با فشار گاز نیز متناسب است.

گیج‌های کاتد داغ با دمای کاتد بسیار بالا ایجاد خطا می نمایند بنابراین برای جلوگیری از چنین خطاهایی، استفاده از گیج کاتد سرد ممکن است برای اندازه‌گیری خلاء مؤثرتر باشد.

برگرفته از مقاله گیج های خلا