2.3.2. Будова та принцип роботи термопарного манометра

Одним з наслідків, які випливають з розгляду переносу енергії в газах, є незалежність в звичайних умовах теплопровідності від тиску. Однак в умовах достатнього розрідження, коли середня довжина вільного пробігу молекул l стає порівняною з розмірами відкачуваного об`єму, теплопровідність газу залежить від тиску. При дуже низьких тисках, коли l набагато перевищує розміри відкачуваного об`єму, відвід тепла від нагрітого тіла через газ стає дуже малим порівняно з тепловим випромінюванням та витратами тепла через металеві вводи.

На мал. 13. показано хід кривих змінювання теплопровідності газу W_Т та температури нитки Т для коаксіальної циліндричної системи, яка складається з скляного балона радіуса R та тонкої металевої нитки радіуса r, в залежності від тиску газу. З малюнка видно, що в області ІІ, де l³R, ефект змінювання температури нитки, яка нагрівається струмом постійної величини, може бути використаний для вимірювання вакууму. Такі прилади одержали назву теплових манометрів.

До найбільш поширених теплових манометрів відносяться манометри опору та термопарні, які відрізняються за методом реєстрації змінювання температури нагрівного елемента. В лабораторній роботі для виміру тиску використовується термопарний манометричний датчик, тому будова та принцип його роботи розглядається нижче. В цих датчиках зміна температури нагрітої нитки оцінюється за допомогою термопари.

Мал. 13. Залежність теплопровідності газу та температури нитки від тиску

Термопарний вакуумметр складається з датчика (манометричної лампи), зв'язаного з об'ємом, в якому вимірюється тиск, та вимірювального електричного блоку, за допомогою якого встановлюється режим роботи датчика та вимірюється термоелектрорушійна сила термопари.

На мал. 14. показана схематична будова датчика та принципова електрична схема вимірювального блоку термопарного вакууметра. Підігрівач 1, виготовлений з платинового дроту, та з'єднана з ним шляхом доброго теплового контакту термопара 2 запаюються в скляний або металевий балон 3. Матеріалом для термопари частіш за все використовують слідуючі пари металів: платина - платинородій (95% Pt + 5% Rh), хромель (85% Ni + 15% Cr) - алюмель (94% Ni + 2.5% Mg + 0.5% Fe + 2% Al + 1% Si), мідь - константан (45% Ni + 55% Cu) та інші.

Мал. 14. Схема термопарного манометра

Дія датчика базується на реєстрації термопарою змінювання температури нитки (нагрітої електричним струмом від джерела 4), викликаного змінюванням тиску газу. Про змінювання температури нитки судять по показам мілівольтметра 5, який вимірює електрорушійну силу термопари.

Термопарний манометр, як і манометр опору, необхідно градуювати, порівнюючи його покази з показами якого-небудь іншого абсолютного манометра, наприклад компресійного. Для цього вакуумна система або об'єм, до яких підключено датчик, відкачуються до високого вакууму (~10^-4 мм рт.ст.) та реостатом 6 встановлюється така величина робочого струму розжарення підігрівача 1, щоб електрорушійна сила термопари 2 була 10 mV. При цьому витрати тепла підігрівачем та термопарою за малої теплопровідності газу будуть обмежені тільки тепловим випромінюванням та теплопровідністю вводів. Одержана величина струму розжарення реєструється міліамперметром 7 та підтримується постійною як при знятті градуювальних відліків, в ході яких встановлюється зв'язок між тиском та величиною термоелектрорушійної сили, так і в процесі подальших вимірювань. Градуювання за показами компресійного манометра необхідно проводити з застосуванням виморожуючих уловлювачів.

На мал. 15. представлені градуювальні криві для термопарного манометричного перетворювача по повітрю.

Мал. 15. Градуювальні криві для термопарного манометричного перетворювача по повітрю

1 - градуювальна крива для вимірювання тиску в діапазоні 6.6×10² - 66 Па;

2 - градуювальна крива для вимірювання тиску в діапазоні 66 - 1×10^-1 Па