Лекция №20 Тепловые манометры

Принцип действия тепловых манометров основан на зависимости теплопередачи через разряженный газ от давления.

Теплопередача осуществляется от нагреваемой в вакууме тонкой нити к стенкам баллона датчика (рис. 43)

1. трубка для присоединения к вакуум системе

2. тонкая нагреваемая нить

3. держатель нити

4. газ

5. баллон датчика

Рис.43

Уравнение теплового баланса такого манометра можно представить в виде

Q_K +Q_T +Q_И +Q_М

где I_H – сила электрического тока, проходящего через нагреваемую нить, А;

R_H - сопротивление нити при температуре , Ом;

T_H - температура нити, град;

- температура баллона, град;

- температурный коэффициент сопротивления материала нити, 1/град;

Q_K - тепло, отводимое газом за счет конвекции, Вт;

Q_Т - тепло, отводимое газом за счет теплопроводности, Вт;

Q_И - тепло, отводимое излучением, Вт;

Q_M - тепло, отводимое материалом нити за счет теплопроводности, Вт

Потери Q_И и Q_М не зависят от давления. Манометр должен быть сконструирован так, чтобы в диапазоне работы изменение Q_K и Q_T в зависимости от давления составляло заметную долю от общих тепловых потерь нити, и, следовательно, его можно было измерить.

Большинство выпускаемых типов вакуумметров позволяет измерять вакуум в датчике на основе зависимости теплопроводности газа от давления

(*)

где S - площадь поверхности нити, м²;

P - давление в колбе датчика, Па;

K - коэффициент теплопроводности газа в высоком вакууме

В этом случае (без учета конвекции Q_K) уравнение теплового баланса

где l - длина нити;

r - радиус нити;

σ - коэффициент Стефана – Больцмана;

b - коэффициент теплопроводности по сечению нити

Изменение теплопроводности Q_T (и суммарного теплоотвода ) от нагреваемой нити вызывает изменение ее температуры, по которому можно косвенно судить об изменение давления. Таким образом, тепловые манометры являются манометрами косвенного типа.

Чувствительность теплового манометра зависит от рода газа, заполняющего баллон датчика. Обычно прибор градуируется по воздуху, а пересчет на давление другого газа Р_Г производят по формуле

Р_Г = q_Г *Р

Значения q_Г для тепловых манометров:

Газ	Воздух	Н2	Не	Ne	СН4	Ar	СО2
qГ	1,0	0,67	1,12	1,31	0,61	1,65	0,94

Нижний предел измеряемых тепловым манометром давлений зависит от соотношения постоянных составляющих Q_И, Q_М уравнения, не зависящих от давления и тепла , отводимого за счет теплопроводности газа. При Q_T Q_И +Q_M температура нити практически становится постоянной и перестает зависеть от давления.

Для понижения предельного измеряемого давления необходимо ослабить побочные процессы теплоотвода. Для уменьшения Q_М нить должна иметь большое сопротивление тепловому потоку – быть более тонкой. Для уменьшения Q_И нужно снизить температуру нити Т_H , т.к по закону Стефана – Больцмана Q_И . Однако уменьшение ΔТ снижает чувствительность. Обычно (для датчиков ЛТ-2, ЛТ-4)

Т_Н =300…400 ^ОС.

Верхний предел измеряемых давлений определяется двумя факторами:

1. при переходе от среднего к низкому вакууму изменяется характер теплопроводности газа Q_T , которая перестает зависеть от давления. Зависящим от давления фактором остается лишь конвективный теплоотвод

(1)

где а – коэффициент, определяемый свойствами и температурой газа, формой и поверхностью нагревателя , а также положением датчика.

2. при высоком давлении большая теплопроводность газа сильно снижает температуру нити Т_Н, уменьшая разность температур Т_Н - Т_δ и приводит к потери чувствительности.

Как следует из молекулярно-кинетической теории, теплопроводность газа Q_T при низком вакууме не зависит от давления. Поэтому при соотношении

L/d <<1 (точнее L/d < 1/200),

где L - длина свободного пробега молекул;

d - размер колбы датчика (d = 2R)

тепловой манометр принципиально не позволяет использовать зависимость (*) для измерения давления.

При использовании конвективного теплоотвода по уравнению (1), при более высокой температуре нити накала, возможно измерение давления тепловыми манометрами в диапазоне 10³…10⁵ Па ( с большой погрешностью).

По способу измерения тепловые манометров делятся на два типа: манометры сопротивления и термопарные.

В манометрах сопротивления (манометр Пирани) используется зависимость сопротивления нити от температуры. Нить манометра выполняет две функции: источник тепла и измерителя температуры.

Промышленность выпускает вакууметр сопротивления ВСБ-1 с датчиком

МТ-6.

В термопарных манометрах нить служит лишь источником тепла. Для измерения температуры применяется термопара. Промышленность выпускает термопарные вакууметры ВТ-2 и ВТ-3, а также совмещенные в одном корпусе с ионизационными вакууметрами ВИТ-1, ВИТ-2, работающие с датчиками ЛТ-2, ПМТ-1 (стеклянный) или ЛТ-4 (металлический). В датчике ЛТ-2 нить нагревателя изготовлена из технической платины, а в ЛТ-4 – из никеля или тантала.

В вакууметрах ВТ-1, ВТ-2, ВТИ-1, ВИТ-2 датчики ЛТ-2, ЛТ-4, ПМТ-2 работают в режиме переменной температуры при постоянном токе накала. В диапазоне давлений 1*10¹…1*10^-2 Па ток нити накала подбирается так, чтобы при давлении 1*10^-2 Па ЭДС термопары составляла 10 мВ.

Градуировочная кривая датчика ЛТ-2 по воздуху приведена на рис. 44 в . С течением времени градуировоченые кривые манометра могут изменяться за счет старения нити и баллона, образования пленок на их поверхности (от паров масла). Поэтому для очистки рекомендуется периодически прокаливать нить.

Рис.44

1 – термопара

2 - нагреваемая нить

Показания теплового манометра обладают инерционностью, так как для изменения температуры нити требуется определенное время, обратно пропорциональное давлению. Это время изменяется от нескольких десятков секунд секунд при 10^-1 Па до нескольких секунд при низком вакууме.