1.4. Тепловые преобразователи

Принцип действия тепловых преобразователей основан на зависимости теплопередачи через разреженный газ от давления. Передача теплоты происходит от тонкой металлической нити к баллону, находящемуся при комнатной температуре. Металлическая нить нагревается в вакууме путем пропускания электрического тока.

Уравнение теплового баланса такого прибора можно предста­вить в следующем виде:

I²_H R = E_K + E_T + E_И + Е_М , (1.3)

где I_H – ток, проходящий через нить; R – сопротивление нити; Е_K, Е_T, Е_И, Е_М – потери теплоты за счет конвекции, теплопроводности газа, излучения нити и теплопроводности материала нити.

Конвективным теплообменом в области среднего и высокого вакуума можно пренебречь, т. е. Е_К , а потери теплоты излуче­нием

Е_И = К_И(Т⁴_Н – Т⁴_Б)А;

здесь А – поверхность нити; К_И – коэффициент излучения материа­ла нити; Т_Н и Т_Б – температуры нити и баллона.

Тепловые потери нити за счет передачи теплоты по материалам нити и электродов, соединяющих нить с корпусом преобразова­теля,

Е_М = b(T_Н – Т_Б)ƒ,

где b – коэффициент теплопроводности материала нити; ƒ – сечение нити. Потери теплоты через газовый промежуток

E_T = λ(T_Н – Т_Б)A, (1.4)

_{где – коэффициент теплопроводности газа.}

В области низкого вакуума р В, а коэффициент теплопроводно­сти газа не зависит от давления. Давление р ≈ В, соответствующее переходу от среднего в низкий вакуум, является верхним преде­лом измерения теплового манометра. В области высокого вакуума, когда р В, коэффициент теплопроводности пропорционален дав­лению:

λ_B = K_Г р. (1.5)

Измерительное уравнение теплового преобразователя с учетом уравнений (1.3), (1.4), (1.5) можно записать так:

p = (I²_HR – (Е_И +Е_М)) / (К_Г (Т_Н – Т_Б). (1.6)

Для точного измерения давления необходимо, чтобы Е_Т состав­ляло значительную долю от Е_И + Е_М, т. е. чтобы сумма Е_И + Е_М была существенно меньше мощности I²_HR, выделяющейся в нити мано­метра. Поэтому условие I²_HR – (Е_И + Е_М) ≥ 0,01 I²_HR определяет ниж­ний предел измерения манометра.

Из уравнения (1.6) видно, что давление является функцией двух переменных: тока накала нити I_Н и температуры нити Т_Н.

Существует два метода работы тепловых манометров: постоян­ной температуры нити и постоянного тока накала. Градуировочные кривые теплового манометра, показанные на рис. 1.6, а, б для обо­их методов работы, представляют собой в средней части параболу и гиперболу. Концы градуировочных кривых у верхнего и нижнего пределов измерения не описываются уравнением (1.6) и переходят в линии, параллельные оси давления.

а) б)

Рис. 1.6. Градуировочные кривые теплового преобразователя: а – при постоянном токе накала; б – при по­стоянной температуре нити

Для расширения верхнего предела измерения теплового преобразователя следует уменьшать его габариты, что увеличивает отношение L/d и сдвигает границу низкого ва­куума в сторону более высо­ких давлений.

Зависимость коэффициента конвективного теплообмена от давления используется для измерения давлений в области низко­го вакуума. Недостатком этого способа является зависимость по­казания прибора от его положения в пространстве.

Нижний предел измерения тепловых преобразователей можно улучшить уменьшая долю (Е_И + Е_М) в сумме тепловых потерь нити. Это может быть достигнуто понижением температуры нити и уменьшением диаметра вводов, соединяющих нить с баллоном.

Показания тепловых преобразователей определяются соотно­шением К_тp и зависят от рода газа. Преобразователь будет давать одинаковые показания при выполнении следующих условий:

p₁K_T1 = p₂K_T2 …p_iK_Ti = …= p_nK_Tn.

Выпускаемые промышленностью приборы проградуированы по сухому воздуху. Если необходимо измерить давление других газов, то нужно учитывать относительную чувствительность прибора к данному газу:

(1.7)

где р_В и К_ТВ – давление и коэффициент теплопроводности воздуха; q_i = К_ТВ/К_Тi – коэффициент относительной чувствительности теп­лового преобразователя к данному газу.

Значения q_i для различных газов по отношению к воздуху могут отличаться в несколько раз.

Если преобразователь измеряет давление смеси газов, то его показания будут выражены в воздушном эквиваленте р_В:

p₁K_T1 +p₂K_T2+…+ p_nK_Tn = p_ВK_TВ. (1.8)

Так как из определения относительной чувствительности (1.7) следует, что p_В = р_см/q_см, то выражение (1.8) можно записать в виде

р_см/q_см = р₁/q₁ + р₂/q₂ + +… + р_n/q_n.

Разделив обе части уравнения на р_см, получим

_{где V1…Vn – объемные концентрации соответствующих газов, причем} Таким образом, коэффициент относительной чувствительности для смеси газов определяется по формуле

_(1.9)

Тепловые преобразователи в зависимости от способа измерения температуры делятся на термопарные и преобразователи сопротив­ления.

В термопарном преобразователе (рис. 1.7, а) температура ни­ти 1 измеряется термопарой 2. Электроды расположены в стеклян­ном или металличес- ком баллоне 3, имеющем патрубок для под­ключения к вакуумной системе. ТермоЭДС термопары измеряется милливольтметром, ток накала нити регулируется реостатом и из­меряется миллиамперметром.

В преобразователе сопротивления для измерения температуры используется зависимость сопротивления нити от температуры. Он включается в мостовую схему (рис. 1.7, б). Ток накала нити изме­ряется миллиамперметром, включенным в то же плечо моста, что и преобразователь, а температура нити – по току гальванометра в измерительной диагонали моста. Ток накала регулируется реоста­том.

Рис. 1.7. Схемы тепловых преобразователей:

а – термопарного; б – преобразователя сопротивления

Оба преобразователя могут работать как в режиме постоянного тока накала, так и в режиме с постоянной температурой нити.

Преимуществом тепловых преобразователей является то, что они измеряют общее давление всех газов и паров, присутствующих в вакуумной системе, и обеспечивают непрерывность измерения давления. Инерционность показаний, связанная с тепловой инер­цией нити, изменяется от нескольких секунд при низких давлениях до нескольких миллисекунд при высоких давлениях.

Тепловые преобразователи как приборы для относительных измерений давления обычно градуируются по компрессионному ма­нометру. Диапазон рабочих давлений 5·10³…10^–1 Па.