Запитання для самоперевірки

1. Наведіть класифікацію манометрів.

2. Пояснити будову і принцип роботи деформаційних манометрів.

3. Пояснити будову і принцип роботи рідинних манометрів у вигляді U-коліна.

4. Пояснити будову і принцип роботи манометра Мак-Леода.

5. Яку шкалу манометра Мак-Леода називають лінійною?

6. Яку шкалу манометра Мак-Леода називають квадратичною?

7. Який порядок визначення тиска манометром Мак-Леода з лінійною шкалою вимірювання?

8. Назвіть позитивні і негативні якості манометра Мак-Леода.

Лекція п’ятнадцята

Теплові манометричні перетворювачі

У теплових манометричних перетворювачах використовується явище переносу тепла газом від нагрітої електричним струмом тонкої платинової нитки до стінок трубки, в якій розміщена ця нитка.

Відомо, що при в’язкісному режимі теплопровідність газу не залежить від тиску, оскільки

= , (15.1)

де - коефіцієнт теплопровідності газу; - коефіцієнт внутрішнього тертя; - питома теплоємність за постійним об’ємом.

Але при молекулярному режимі течії газу з’являється залежність коефіцієнта внутрішнього тертя від тиску; він зменшується при зменшенні тиску і в першому наближенні можна записати, що

= . (15.2)

Отже, чим меншим буде тиск газу, тим менше буде охолоджуватися нагріта нитка і її температура буде зростати як обернено пропорційна функція тиска.

15. 1. Манометр опору

Манометр опору складається з двох частин: вимірювальної і частини, що взаємодіє з газом і з’єднується з вимірювальною. Останню ще називають датчиком або манометричним перетворювачем.

М анометричний перетворювач має просту будову - це циліндрична скляна трубка, яка відкритим кінцем з’єднується з вакуумною системою там, де потрібно вимірювати тиск, а закритим кінцем відповідним цоколем - з вимірювальною частиною. У цоколь вмонтовані два електроди, до яких приварена платинова нитка, що служить електричним опором R (рис. 15.1).

Рис. 15.1 Рис. 15.2

Електрична потужність, що використовується для нагрівання платинової нитки, витрачається не тільки на нагрівання безпосередньо нитки (I R), й на нагрівання електродів (P ), до яких приєднана нитка, на випромінення відповідно закону Стефана - Больцмана (P ) і на нагрівання стінок трубки газом внаслідок теплопровідності газу (P ).

Таким чином рівняння балансу потужності матиме такий вигляд:

I R = P + P + P , (15.3)

де I - величина струму, яким нагрівається нитка до температури, наприклад, T ; R - величина електричного опору нитки за цією температурою (слід пам’ятати, що електричний опір металів змінюється залежно від температури як R = R (1 + t ), де R - опір при 0 C , - температурний коефіцієнт опору і t , - температура за Цельсієм );

P = k ( T - T ) p ; P = k ( T - T ); P = k ( T - T ): (15.4)

k , k , k - відповідні множники пропорційності , а T і T - температура стінок трубки і кінців електродів відповідно.

Величини P і P не залежать від тиску газу, коли тиск є більшим ніж Торр. Якщо їх зробити значно меншими за P , то ними можна буде знехтувати. Для того, щоб P була відносно малою достатньо вибрати тонку нитку з малим коефіцієнтом теплопровідності (платина). Від величини P залежить чутливість манометру при різних тисках. Для підвищення чутливості манометра до зміни температури нитки внаслідок дії теплопровідності газу, необхідно, щоб потужність P була якомога більшою за P . У той же час, щоб манометр опору мав високу чутливість при вимірюваннях низьких тисків, нитку необхідно нагрівати до відносно низької температури. У цьому разі теплопровідність газу стає дуже малою і при низькій температурі нагріву випромінювана потужність теж зменшиться. Навпаки, при більших тисках вимірювання вигідно виконувати при вищий температурі нагріву нитки, тобто при більшій величині струму I .

Таким чином, величина вимірюваного тиску і чутливість перетворювача залежать від величини струму I і температури нагріву нитки T .

Вимірювання тиску за допомогою манометра опору виконують таким чином:

1) при якомога низькому тиску в лампі ( Торр) встановлюють робочий струм I , якому відповідає температура нагріву нитки T ;

2) газ, що напускається в лампу, буде охолоджувати нитку і її електричний опір зменшиться, це призведе до зростання струму I , який вимірюють .

З метою збільшення чутливості вимірювань манометричний перетворювач підключають до зрівноваженого містка для вимірювання опору, як одне з плечей. Зменшення тиску з початком відкачки призводить до зростання температури нагрівання нитки і, отже, до збільшення її опору. Місток розбалансується і для приведення його до зрівноваженого стану необхідно буде зменшити струм I . Оскільки вимірюється струм, а знати треба тиск, то використовують градуювальну криву манометра опору (рис. 15.2), за якою за визначеними величинами струму і знаходять відповідні тиски.