3.2. Тепловые вакуумметры

Действие тепловых вакуумметров основано на зависимости теплопроводности газа от давления. Основными элементами любого теплоэлектрического манометрического преобразователя являются нить накала (с постоянной температурой и большой теплоемкостью) и корпус прибора. При постоянной электрической мощности, подведённой к нити Q_эл., температура нити зависит от давления. В стационарном состоянии при установившейся температуре нити имеет место баланс мощностей:

Q_эл = Q_к + Q_м + Q_л, (3.3)

где Q_к— мощность теплоотвода по конструктивным элементам манометра;Q_м— мощность, отводимая от нити соударяющимися с ней молекулами;Q_л— мощность, отводимая лучеиспусканием.

Поскольку с ростом давления коэффициент теплопроводности газа увеличивается, то и увеличиваются Q_м. Следовательно, приQ_эл = const равновесная температура нити возрастает при понижении давления (еслиl₀   d).Поэтому в тепловом манометре измеряется температура нити, и результаты измерений градуируются в единицах давления.

На рис. 3.5, 3.6 представлены конструкции наиболее распространённых типов тепловых манометров и схемы их включения. Преобразователи в зависимости от способа измерения температуры делятся на термопарные и преобразователи сопротивления.

a)	б)

Рис. 3.5. Манометрический преобразователь сопротивления ПМТ-6:

а) конструкция; б) схема измерения

1 — корпус; 2 — нить накала

Корпус преобразователя ПМТ-6 (рис. 3.5а) изготавливается из нержавеющей стали, нить накала — из вольфрамовой проволоки диаметром 10 мкм и длиной 80 мм. Манометр работает в режиме постоянной температуры нити, равной 220 ºС. При этом сопротивление нити составляет 116,5 Ом. Манометр включен в одно из плеч моста (рис. 3.5б). Изменение сигнала, свидетельствующее об изменении давления, регистрируется стрелочным прибором. При изменении давления от 10^–2до 30 Торр ток накала нити изменяется от 4 до 52 мА, а напряжение от 0,5 до 6 В.

В диапазоне давлений от 1 до 10^-3 торр наиболее широко применяются термопарные манометры (рис. 3.6).

Нить накала в этом манометре выполняет только функцию источника тепла. Лампа работает в режиме постоянного тока накала, который регулируется перестройкой балластного резистора. Давление оценивается по ЭДС термопары (рис. 3.7). Ток накала составляет 110–135 мА и подбирается таким образом, чтобы стрелка милливольтметра точно совпадала с сотым делением шкалы.

а)	б)

Рис 3.6. Термопарный манометрический преобразователь ПМТ-2:

а) конструкция; б) схема измерения.

1 — корпус; 2 — нить накала; 3 — термопара; 4 — ввод питания

При давлении ниже 10^–3 торр показания манометра достигают асимптотического предела 10 мВ (100 делений). При этих давлениях теплоотвод по газу пренебрежимо мал, и вся подводимая мощность расходуется на излучение (~ 63%) и теплоотвод по вводам (~ 37%).

Рис. 3.7. Градуировочная кривая термопарного манометра ПМТ-2

Верхний предел термопарных манометров определяется двумя явлениями: 1) при высоком давлении нарушается условие l₀ >> d, и теплопроводимость газа перестает зависеть от давления; 2) при высоком давлении интенсивный молекулярный теплоотвод сильно снижает температуру нити, уменьшает разность температур нити накала и корпуса и приводит к потере чувствительности.

При токе около 120 мА лампа ПМТ-2 имеет верхний предел по давлению примерно 10^–1 торр. Для борьбы с потерей чувствительности при высоком давлении достаточно увеличить температуру нити, т.е. повысить ток накала. При токе 250–300 мА лампа ПМТ-2 может измерять давления в диапазоне 10^–1 –1 торр. Для этого диапазона точное значение тока накала подбирают при атмосферном давлении, т.е. производится привязка градуировочной кривой к правому верхнему асимптотическому пределу манометра. Датчики тепловых вакуумметров не боятся прорыва атмосферы и имеют практически неограниченный срок службы.