VAKUUM METAR NRC TYPE 701 TYPE 501

Danas je nabavljen uređaj za mjerenje vakuuma američkog proizvođača NRC EQUIPMENT CORPORATION pod oznakom TYPE 701. U kompletu se nalazi i vakuumski senzor istog proizvođača pod oznakom TYPE 501. Tvrtka NRC na tržištu je bila aktivna u 1950-tim i 1960-tim godinama, a bavila se razvojem i proizvodnjom vakuumskih pumpi i mjernih instrumenata za mjerenje vakuuma.

Na kućištu uređaja uočavaju se dva ampermetra američkog proizvođača TRIPLETT. Ovu tvrtku osnovao je 1904. godine Ray L. Triplett u Blufftonu (Ohio, SAD) te je kroz različite reorganizacije i danas prisutna na tržištu, a kroz čitavo razdoblje bavi se razvojem i proizvodnjom električnih mjernih instrumenata. Naziv tvtke „Triplett Electrical Instrument Company“ i logo koji vidimo na instrumentima bio je u upotrebi u razdoblju od 1932. do 1967. godine. Za vakuumski senzor TYPE 501 mogu se naći podaci iz 1950. godine tako da se može zaključiti da čitav uređaj najvjerojatnije datira iz 1950-tih godina.

Prvi pokusi sa vakuumom, kao i vakumske pumpe i mjerači potjeću još iz 16. stoljeća.  Značajni razvoj i primjena vakuumske tehnike pak započinje početkom 19. Stoljeća. Danas je upotreba vakuuma toliko široko rasprostranjena od svakodnevnih uporabnih premeta preko najrazličitijih grana indrustrije pa sve do visokih tehnologija da ovdje nema smisla nabrajati sve njegove današnje primjene.  Ono što može biti najzanimljivije za našu struku to je Edisonov izum električne žarulje iz 1879. godine gdje je u staklenom balonu bilo potrebno postići vakuum kako žarna nit ne bi odmah pregorila. Edison se za postizanje vakuuma koristio živinom klipnom pumpom koju je 1858. godine konstruirao njemac  Heinrich Geissler, isti onaj kojeg smo spomenuli u objavi VIOLET RAY – VOX ELEKTROMEDICINSKI APARATI kada smo govorili o luminiscentnim staklenim cijevima punjenim plemenitim plinom pod niskim tlakom. Nezaobilazno je nadalje spomenuti elektronske cijevi i CRT monitore gdje je također nužna primjena vakuuma kako bi se omogućio nesmetan prolazak elektrona između elektroda unutar njih. No i u izradi suvremenih poluvodiča, integriranih krugova, LCD monitora, CD/DVD medija i sl. vakuum je također široko rasprostranjen u tehnološkim postupcima nanošenja tankih i jednoličnih slojeva materijala od kojih se isti sastoje.

Vakuum je u fizici apsolutno prazan prostor bez prisustva bilo kakve materije, dok se u tehnici pojam vakuum koristi za prostor u kojem se plin (ili para) nalazi pod sniženim tlakom. U tehnici ne možemo govoriti o čistom vakuumu (prostoru bez prisustva čestica) jer je njega nemoguće postići na zemlji i on kao takav ne postoji čak niti u najrijeđem svemiru gdje i dalje nalazimo barem jednu česticu po kubičnom centimetru. Za usporedbu, na zemlji u prosjeku imamo 26 trilijuna čestica (molekula) u jednom kubičnom centimetru (2,6 x 10¹⁹), a u najboljem vakuumu kojeg možemo postići na zemlji još uvijek ima oko milijun molekula u jednom kubičnom centimetru (1 x 10⁶). Stoga je ponekad ispravnije koristiti termin podtlak umjesto vakuum.

Za određene primjene potrebna je određena veličina vakuuma pa tako razlikujemo niski, srednji, visoki ili ultravisoki vakuum. Kao jedinica za mjerenje vakuuma danas se koristi paskal (Pa) ili milibar (mbar) dok je stara mjerna jedinica najčešće bila milimetar stupca žive (mHg).

Kako ne bi dalje duljili s teorijom i brojevima, u nastavku dajemo pregledni tablični prikaz vakuumskih pumpi koje su danas u upotrebi i mogućnosti postizanja vakuuma istima. Najveći vakuum postignut u zemaljskim uvjetima iznosi oko 5 x 10^-14 mbar.

Slijedeće možemo pobrojati osnovne vrste mjerača vakuuma, odnosno vrste vakuumskih senzora. Ovakvih senzora ima puno vrsta i inačica no svi se mogu svrstati u tri osnovne skupine s obzirom na njihov princip rada: mehanički, termički i ionizacijski senzori.

MEHANIČKI MJERAČI VAKUUMA

• U-cijev ispunjena živom prvi je i najjednostavniji mjerač vakuuma. Jedan kraj cijevi izložen je atmosferskom tlaku, a drugi je spojen na komoru u kojoj mjerimo vakuum. Neke kasnije poboljšane inačice živinog mjerača konstruirane su da se nadtlakom kompenzira podizanje razine žive izazvano podtlakom (vakuumom) pa se time regulira mjerni opseg. Razlika između razina žive na oba kraja cijevi mjerila se u milimetrima pa je milimetar stupca žive bila i prva jedinica za mjerenje vakuuma.
• Najjeftiniji i najrasprostranjeniji su različiti mehanički vakuummetri koji tlak mjere na principu elastičnih membrana, piezo elemenata i sl. Burdonov vakuummetar u osnovi je barometar spojen na vakuumsku posudu. Sastoji se od jedne ili više komora napravljenih od elastičnog materijala tako da se komora može deformirati pod utjecajem tlaka. Najlakše je zamisliti mjeh harmonike. Unutar istog postavimo oprugu, a zatim isisamo zrak tako da se dovede u ravnotežu otpor opruge koji mjeh gura u otvoreni položaj i pritisak atmosferskog zraka koji mjeh gura u zatvoren položaj zbog vakuuma u njemu. Promjenom tlaka zraka doći će do poremećaja te ravnoteže pa će se mjeh malo raširiti ili skupiti, što se mjeri mehaniznom s kazaljkom vezanom za mjeh (elastičnu tlačnu komoru).

TERMIČKI MJERAČI VAKUUMA

• Pirani vakuummetar temelji se na principu odvođenje topline užarene žičice (najčešće platinske) preko čestica plina. Odvođenje topline sa žice proporcionalno je toplinskoj vodljivosti plina, a toplinska vodljivost pak je proporcionalna tlaku. Što je manje čestica u plinu to je tlak plina manji i to je odvođenje topline (hlađenje žice) također manje. Mjeri se dakle toplina koja se sa površine zagrijanog tijela dovodi na razrijeđeni plin kojem se mjeri tlak. Odvedena toplina mijenja temperaturu žice čime se mijenja i njezin električni otpor. Stoga su ovi senzori najčešće u nekom spoju mjerenja električnog otpora kao što je npr. Wheatstoneov most.

IONIZACIJSKI MJERAČI VAKUUMA

• Ionizacijski vakuummetar s vrućom katodom po konstrukciji je sličan elektronskoj cijevi triodi koja je jednim krajem spojena na sustav u kojem mjerimo tlak. Radi na principu mjerenja struje ionizirajućih čestica. Kao i usvakoj elektronskoj cijevi triodi vruća katoda zrači elektrone koje privlači rešetka na višem potencijalu. Nakon prolaza kroz rešetku elektroni se sudaraju s molekulama plina te nastaje ionizacija. Pozitivni ioni plina nastali u procesu ionizacije privlače se ne negativno nabijenom elektrodom (kolektorom iona) te tako stvaraju malu električnu struju koja je proporcionalna količini čestica plina. Kolektor iona može biti izvedena u obliku tanke žice unutar rešetke u obliku spirale. Takva izvedba vakuumetra naziva se Bayard-Alpertov ionizacijski vakuummetar.
• Penning vakuummetar radi na principu hladne katode u jakom magnetskom polju. On mjeri tinjavi izboj u prostoru između katoda koji podržava magnetsko polje. Ovaj izboj ovisi o tlaku plina i jakosti magnetskog polja, pa se promjenom magnetskog polja može mijenjati mjerni opseg.

Naš senzor pak spada u kategoriju senzora tlaka na principu termopara (termocoupler). To je u osnovi gore opisani Pirani vakuummetar, no ovdje se temperatura žice mjeri pomoću termoelementa koji je unutar samog senzora termički vezan za vruću žicu. Termoelektrični (Seebeckov) efekt opisali smo u objavi „RMT ZC-994 Uređaj za toplo hladnu masažu lica“ pa ćemo ovdje samo podsjetiti kako se radi o dvije žice različitog materijala koje su na jednom kraju spojene. Kad se taj spojeni kraj grije, na drugom otvorenom kraju javlja se električna struja koju možemo mjeriti ampermetrom.

Skica prikazuje električnu shemu našeg vakuum metra NRC TYPE 701 sa termoparom TYPE 501. Struja kruga grijača podešava se preko reostata na prednjoj ploči mjerača na vrijednost od 0,6 A uvećanu za kalibracijski broj priključka sonde (maksimalno do 1 A) .  Vrijednost struje kroz grijač očitavamo na prvom ampermetru.

Termopar na svojem izlazu može dati maksimalni napon od 14 mV. Time kroz otpornik od 70 Ω mjerimo maksimalnu struju od 200 µA. Napon, odnosno jačina struje koju daje termoelement ovisi o temperaturi grijača, a ova opet ovisi o broju čestica u komori (tlaku zraka). Ispod skale u mikroamperima vidimo preračunatu skalu za vrijednost vakuuma u milimetrima žive (0-1000). Uočava se da ovakva skala nije linearna. Također, usporedbom ove dvije skale jasno se vidi da što je struja veća to je tlak manji. Ovo je i za očekivati jer je kod manjeg tlaka (manjeg prisustva čestica u plinu) slabije odvođenje topline sa grijača pa je on topliji, čime i termoelemet vezan za njega daje veću struju.

Na vakuum senzoru nalazilo se kompletno uputstvo za namještanje struje grijača, kalibraciju mjerača vakuuma i monogram za preračunavanje mjerne skale. Nažalost isto je prilično uništeno.

Vidimo i ostatke s podacima o pinovima na konektoru sonde sa vakuum metrom. Konektor je 8-pinski od čega su iskorištena 4 pina: 1 i 5 za priključak grijač na izmjenični napon te 3(-) i 7(+) za izlazni napon iz termoelementa.

Sada možemo zaviriti u unutrašnjost vakuum mjerača. Krug grijača dizajniran je da izdrži potrebnu struju od 1 A te se uočava poveći oklopljeni transformator, žičani reostat, kao i otpornici snage vezani u isti krug za prilagođenje regulacije. Mikroampermetar u krugu termoelementa pak ima samo potenciometar za baždarenje montiran na njegovu priključnicu.

Pogled iz drugog kuta na elemente na prednjoj ploči…

Ulaz primara mrežnog transformatora. Vidi se da se mrežni napon od 220 V dovodi preko serijskog otpornika snage na primar transformatora. Time je napravljeno jednostavno prilagođenje 220/110 V s obzirom da je uređaj američkog porijekla.

Pogled na izlaz sekundara mrežnog transformatora. Sve je jasno označeno: primarni napon 115 V, 60 Hz te sekundarni napon 25 V. Uočava se kako se za frekvenciju ne koristi mjerna jedinica Hz (Hertz) nego CY (cycles per second). Jedinica Hz usvojena je 1960. godine u čast njemačkog fizičara Heinricha Rudolfa Hertza  te se do 1970. godine jedinica cycles per second u potpunosti prestala koristiti. Ovo je još jedna potvrda da uređaj spada u 1950-te godine.

Na testu je utvrđeno da krug grijača funkcionira ispravno, no da bi se dobio otklon kazaljke mjernog mikroampermetra u krugu termoelementa potrebno je u komori stvoriti određeni vakuum. Ovaj vakuum metar je toliko jednostavan da u ovoj fazi nećemo spajati neke vakuumske sustave, zapravo bi bilo puno zanimljivije otvoriti samu vakuumsku sondu i zaviriti kako je unutar nje konstruirana grijača nit i termoelement i na koji su način međusobno termički povezani. Sondu pak je nemoguće otvoriti bez značajnih mehaničkih oštećenja iste pa to svakako nećemo uraditi prije kompletnog testa ispravnosti. Najbolje da ovaj naš mjerač vakuuma za sada pustitimo na miru, neka još neko vrijeme bezbrižno odmara na sasvim ugodnom i uravnoteženom običnom atmosferskom tlaku 🙂