Дооснащение любительской электровакуумной мастерской. Вакуумметр, течеискатель, полярископ

2026-05-22 в 9:01, admin, рубрики: ruvds_статьи, вакуумметр, вакуумная лампа, вакуумные приборы, самодельные лампы, стеклодувное дело, хобби и развлечения гиков

Увы, электровакуумное дело, даже в его несложной любительской ипостаси, требует изрядного оснащения — приборы, материалы, инструменты, оборудование. К счастью, часть этого добра вполне возможно изготовить своими руками, если и не полностью заменив заводские аналоги, то, по крайней мере, получив инструменты более чем пригодные для домашних экспериментов. Здесь речь пойдёт о полярископе — несложном оптическом приборе, позволяющем увидеть и оценить внутренние напряжения в стекле и прозрачных материалах; простом приборчике для поиска течей в будущей вакуумной системе откачного поста [1]; вакуумметре до 10^-3 мм рт. ст. на термопарной лампе-преобразователе ПМТ-2. Посмотрим, что и какими средствами удалось сделать, зачем эти приборы нужны и как работают.

1. Термопарный вакуумметр

Выполнен на хрестоматийной стеклянной манометрической лампе ПМТ-2 — простой, недорогой, несмотря на снятие с производства, всё ещё легкодоступной. Прозрачная колба позволяет визуально оценивать степень загрязнения и необходимость очистки.

Фото 1.1. ПМТ-2 львовского завода «Полярон», 1972, 1973 г. Верхняя V-образная нить — платиновый (Ø 0.1 мм) подогреватель, нижняя — термопара хромель-копель. Обе V-части прибора в вершинах соединены тонкой металлической перемычкой. Рабочее положение лампы — обязательно цоколем вверх. Преобразователь имеет укрупнённый штенгель Ø16 мм для припаивания к стеклянной или присоединения (через специальное уплотнение) к металлической «системе». Стекло — молибденовой группы [2]

Лампа работает так: нагретый током подогреватель (платиновый, чтобы он мог работать и при атмосферном давлении) часть тепла через металлическую перемычку передаёт термопаре, та вырабатывает ЭДС (электродвижущую силу). Ещё часть тепла подогревателя рассеивается и уносится молекулами газов. При откачке, последних становится меньше, доля уносимого тепла уменьшается, термопаре же достаётся больше, её ЭДС увеличивается. По измеренному её значению и усреднённой градуировочной кривой (паспорт лампы) находят остаточное давление в вакуумной системе.

Лампа-преобразователь имеет изрядную погрешность, паспортная кривая касается только воздуха — при работе с другими газами, вводятся поправочные коэффициенты.

Калибровка (определение тока подогревателя, при котором ЭДС термопары равна 10 мВ) вскрытой (потерявшей геттер) или длительно работавшей лампы выполняется при её откачке ниже 10^-4 мм рт. ст. (Торр). Новые запаянные лампы (с неиспарившимся тёмным газопоглотителем в носике) до такого давления уже откачаны, их следует калибровать, не вскрывая.

*Фото 1.2. Вакуумметры ионизационно-термопарные ВИТ-3 (1), ВИТ-2 (2). Частично скрыт — ВИТ-2П (панельное исполнение?)*

Преобразователь ПМТ-2 предназначен для работы в составе вакуумметров ВИТ-2, ВИТ-3 — немаленьких и нелёгких железных ящиков, со входным каскадом на электрометрической лампе ЭМ-8 (ЭМ-10), при принципиально несложной измерительной схеме. Существуют варианты и более современные. Всё это для любителя-самоделкина либо дорого, либо приличный шанс нарваться на изношенную механику в старых приборах, плюс — громоздко. Существуют и другие, самодельные приборы и схемы для работы с ПМТ-2, например, на основе Arduino с модулем АЦП.

Простой, компактной, легко масштабируемой схемой на современных операционных усилителях (ОУ) поделился Вадим Скворцов (@videoelektronic), и я очень ему признателен за поддержку и консультации. Здесь один упрощённый канал «восьмиканальной манометрической системы» с его производства.

Рис. 1.3. Термопарный вакуумметр на ПМТ-2. Работает в нижнем диапазоне лампы (5*10-1…1*10-3 Торр). DA1…4 — ADA4522, переменный резистор задания тока нагревателя — ППБ-2В, вольтметр — цифровая трёхвыводная головка — Рис. 1.3. Термопарный вакуумметр на ПМТ-2. Работает в нижнем диапазоне лампы (5*10^-1…1*10^-3 Торр). DA1…4 — ADA4522, переменный резистор задания тока нагревателя — ППБ-2В, вольтметр — цифровая трёхвыводная головка

На схеме: блок №1 — усилитель постоянного напряжения в 100 раз; блок №2 — преобразователь ток-напряжение; блок №3 — усилитель постоянного напряжения в 10 раз. Переключатель SA1 выбирает род работы — измерение напряжения термопары, где её 10 мВ будут 10 В показаний вольтметра, или измерение тока подогревателя, где 100 мА через него, будут 10 В показаний вольтметра. Схему можно несколько упростить, обойдясь без блока №3, тогда 10 мВ термопары дадут 1 В на вольтметре, и 100 мА через подогреватель — тот же 1 В показаний. Указанная нумерация выводов ОУ — для ADA4522-1 (в одном корпусе SOIC-8 — один усилитель).

*Рис. 1.4. Блок питания (БП) вакуумметра*

Фото 1.5. Рисунок печатных проводников спроектировал в Sprint Layout, распечатал шаблон, напялив его на заготовку фольгированного стеклотекстолита, накернил центры отверстий, просверлил — *Фото 1.5. Рисунок печатных проводников спроектировал в Sprint* Layout, распечатал шаблон, напялив его на заготовку фольгированного стеклотекстолита, накернил центры отверстий, просверлил

Фото 1.6. Несложный рисунок дорожек выполнил битумным лаком, стеклянным рейсфедером, вручную. При ретуши подсохшего рисунка крупной швейной иглой, процарапал на дорожках зазоры для установки SMD резисторов-конденсаторов в корпусах 1206

Фото 1.7. Незащищённую медь стравил водным раствором хлорного железа, удалил защитный лак ацетоном, залудил дорожки со спиртоканифольным флюсом

Фото 1.8. Печатная платка вакуумметра, вид со стороны установки элементов. Здесь же — ёмкости фильтра и стабилизаторы +15В, -15В. В качестве SA1 применил некрупное герметичное электромагнитное реле с обмоткой 5 В

*Фото 1.9. Печатная плата вакуумметра, вид со стороны дорожек*

Фото 1.10. Макет вакуумметра на уголковой панели, где: 1 — лампа ПМТ-2; 2 — плата измерителя; 3 — вольтметр; 4 — тумблер переключения рода работ; 5 — переменный резистор задания тока подогревателя; 6 — сетевой трансформатор; 7 — выпрямитель, фильтр, стабилизатор +5В

*Фото 1.11. Вид на переднюю панель макета*

Прибор дожидается сборки вакуумной системы для переселения схемы в подходящий культурный корпус.

P. S.

Вот что рекомендует Вадим к обращению с ПМТ-2:

Перед работой лампы следует точно по инструкции из паспорта обмерить её в запаянном (и откачанном на заводе, ниже 10^-3 Торр) виде — стандартная процедура. Наличие такого остаточного давления в лампе принято определять по целостности бариевого зеркала геттера в носике — если оно есть — порядок, действуем, как обычно, если же тёмный слой испарился и посветлел — в лампу натекли газы и обмерять её следует вскрыв и откачав собственноручно, своими насосами. ПМТ-2 — лампы старые, хранившиеся более 20 лет. За такой срок гелий из атмосферы просачивается в них быстрее других газов, при этом бариевый геттер он не повреждает, а на тепловые показания влияет сильно, увеличивая и без того изрядную погрешность датчика. Определить же наличие инертного газа в запаянной лампе просто — приложив снаружи к баллону электрод катушки Тесла. Если при этом внутри загорается характерный тлеющий разряд — в лампу проник гелий.

2. Искровой течеискатель — катушка Тесла

Поиск течей в вакуумных системах — отдельная крупная область бытия, со своими разделами, методами, приборами, тонкостями и сложностями. Один из очень простых способов — применение высоковольтного (и высокочастотного) разряда, например, катушки Тесла или родственных ей приборов — тем более что из громоздких в бытность тумбообразных аппаратов на колёсиках, они превратились в лёгкие и компактные конструкции. Кроме того, «Тесла» в электровакуумном хозяйстве — прибор весьма полезный и в других случаях, например, для грубой оценки форвакуума в стеклянной или металлической со стеклянным участком вакуумной системе (подобно тому, как в ранних откачных постах использовали трубку Гейслера), для внешней бесконтактной ионизации остатков газа в откачиваемой лампе (повышение их активности и связывания геттером), наконец, как мы уже знаем — для работы с датчиками ПМТ-2.

Фото 2.1. В качестве прототипа применил простейшую маломощную «поющую Теслу» китайского производства — набор для самостоятельной сборки, стоимостью менее 200 рублей. На фото — детали, оставшиеся от двух таких наборов

*Рис. 2.2. Схема принципиальная «Теслы поющей» и моего упрощённого её варианта — «Теслы молчаливой»*

Набор, как и многие другие его родственники, имеет букет традиционных пороков — символические миниатюрные радиаторы с упрощённой установкой на них горячих транзисторов, неудобная для работы конструкция модуля — всё на одной платке, первичная обмотка катушки выполнена «в воздухе» сравнительно мягким монтажным проводом — приборчик демонстрационный, способный работать только на столе и не более нескольких десятков секунд. Собственный конструктив должен все эти недостатки свести к приемлемому минимуму.

Фото 2.3. Детали корпуса и ручки прибора выпилил из органического стекла, на фото слева — плата-рогулька для катушки и установка в неё L1

Фото 2.4. Пластины из оргстекла гнул по рецепту из незабвенных «300 советов» В. Г. Бастанова — прогревая место сгиба жалом паяльника и зафиксировав податливую деталь в нужном положении

Фото 2.5. Набор деталей для ручки с низковольтным разъёмом и кнопкой включения; сверление глубоких отверстий для резьбы М3 — на невысоких оборотах, с малой подачей, часто удаляя стружку

Фото 2.6. Основная плата с элементами моей «Теслы». Радиатор транзистора на порядок крупнее штатного, первичная катушка из толстого жёсткого провода, витки закреплены, все соединения максимально короткие и жёсткие (на фото — макет)

Фото 2.7. Готовый течеискатель. Без заметного нагрева работает, по крайней мере, несколько минут, питание от внешнего сетевого «адаптера» 12 В, 5А, при необходимости длительной работы, снаружи легко добавляется миниатюрный вентилятор для принудительного охлаждения. Приборчик включается кнопкой в ручке, заострённый высоковольтный электрод позволяет дотянуться в нужное место. Металлическая панелька разъёма питания жглась ВЧ током, пришлось затянуть её кусочком термотрубки

Фото 2.8. Тесла и декоративная неоновая лампа с неоном и люминофором; Тесла и самодельная газоразрядная лампа с надписью, заполненная аргоном

*Фото 2.9. Тесла и колба от компактной люминесцентной лампы; Тесла и газовый стабилизатор СГ*

Обычные фокусы с зажиганием неоновых лампочек и ртутных ламп дневного света в руках удаются тоже. Гелия, к слову сказать, в ПМТ-2, паче чаяний, не отыскал — повезло.

Поиск течей с искровым разрядником. Способ №1: вдоль подозрительного места стеклянной вакуумной системы, откачанной до 10…5*10^-2 Торр, медленно проводят электродом искрового разрядника. Когда электрод будет близко к течи, происходит поверхностный разряд по стеклу к щели, а через неё внутрь системы, что проявляется в виде сильного пурпурного свечения в щели, через которую просачивается воздух. Способ №2: в стеклянной или металлической со стеклянным участком, системе, откачанной до того же давления, зажигается тлеющий разряд. Если к месту течи прикоснуться ваткой, смоченной, например, спиртом, или обдуть каким-либо газом (Н₂, пары эфира, четырёххлористого углерода или даже СО₂) цвет розово-фиолетового (в следах воздуха) разряда изменится.

3. Полярископ

Оптический прибор для наблюдения невидимых невооружённым глазом неоднородностей в прозрачных материалах. Первейший инструмент в стеклодувном деле, а особенно, в любительском его варианте со случайными заготовками. Позволяет увидеть внутренние напряжения в стеклянных деталях, контролировать и настраивать параметры отжига. Заводские полярископы умеют такие неоднородности-напряжения измерять, нам же достаточно их обнаружить и хотя бы грубо оценить.

Фото 3.1. Фабричные приборы-прототипы: 1 — полярископ-поляриметр ПКС-250 — крупная тумба весом в 35 кг, с возможностью измерений и большим рабочим полем; 2 — карманных размеров настольный геммологический полярископчик — отличать алмазы от стекла

В простейшем случае полярископ представляет собой источник света и два поляризатора, где исследуемый предмет размещают между поляризаторами. Цветная интерференционная картинка даст нам знать о внутренних напряжениях.