Теплоэлектрические вакуумметры и задачи, возникающие при их разработке

При решении практических задач в области вакуумной техники всякий раз приходится сталкиваться с необходимостью выбора наиболее подходящего прибора для измерения низких давлений. Естественно, что при выборе метода измерений в первую очередь учитывается конкретная цель измерений и необходимая их точность. Однако наиболее важными критериями при этом являются простота конструкции, надежность измерений и диапазон измеряемых давлений. Кроме того, существенной характеристикой прибора является влияние рода газа на его градуировку.

Приведенные выше сведения о вакуумметрах являются лишь краткой сводкой наиболее распространенных конструкций и систем этих приборов с указанием на преимущества и недостатки каждого из них. Достаточно полные данные о вакуумметрах имеются в цитируемой здесь литературе. Для удобства сравнения на рис. 7 приведена диаграмма диапазонов измерения вакуумметров различных систем. Сплошными линиями показаны пределы надежных измерений, пунктиром — пределы приборов специальных конструкций.

Анализ описанных приборов позволяет заключить, что наиболее простыми и надежными в работе являются вакуумметры теплоэлектрической системы. Диапазон измерения этих приборов достаточно широк и охватывает область вязкого потока, а также молекулярновязкостный и молекулярный режимы движения газа. Непосредственный электрический выход теплоэлектрических вакуумметров является одним из существенных их преимуществ по сравнению со всеми неэлектрическими приборами. Вследствие этого они легко могут использоваться для дистанционных измерений и как датчики автоматических и телемеханических систем, предназначенные для управления технологическими процессами. По сравнению с другими электрическими вакуумметрами, например ионизационными, приборы теплоэлектрической системы незаменимы при дистанционных измерениях давления во взрывоопасных и агрессивных средах, где ионизация и электрический разряд технически недопустимы. Существенно отметить, что вакуумметры сопротивления с полупроводниковыми датчиками имеют более широкий диапазон измерения, чем вакуумметры термопарные. Эта особенность, очевидно, не является следствием преимущества принципа термометра сопротивления по сравнению с принципом термопары, а скорее свидетельствует о более широких технических возможностях вакуумметра сопротивления при его усовершенствовании. Именно поэтому следует более внимательно изучить особенности этих вакуумметров и последовательно рассмотреть задачи, возникающие при их разработке.

Одним из существенных недостатков вакуумметра сопротивления является ярко выраженная неравномерность его шкалы. Неравномерность шкалы заложена в самом принципе действия этих приборов и является следствием нелинейной связи между давлением и коэффициентом теплообмена датчика с разреженным газом. В области более высоких давлений, порядка 10³— 10⁴ н/м², вакуумметр сопротивления резко снижает свою чувствительность благодаря практической независимости теплопроводности газа от давления. Правда, при давлениях, близких к атмосферному, чувствительность возрастает за счет интенсификации теплообмена конвекций. При очень низких давлениях — 0,1 н/м² и ниже, соответствующих свободно-молекулярному потоку, чувствительность резко падает вследствие незначительной потери тепла теплопроводностью по сравнению с потерями излучением. Таким образом, важнейшей задачей при разработке вакуумметра сопротивления является обеспечение мер по повышению его чувствительности и изысканию средств по выравниванию шкалы прибора. Эта задача может быть решена на основе изучения закономерностей переноса тепла в среде разреженного газа.

Применение полупроводникового датчика вакуумметра является одним из эффективных средств повышения чувствительности прибора. Вместе с тем эта мера приводит к новым задачам, которые, с одной стороны, связаны с усложнением тепловых расчетов, так как терморезистор в качестве теплоотдающего элемента представляет собой довольно сложную конструкцию.

С другой стороны, возникают трудности расчета электрической цепи, содержащей нелинейный элемент — терморезистор.

И наконец, при разработке вакуумметра сопротивления, как и при разработке любого другого прибора, возникает ряд задач, связанных с согласованием отдельных элементов схем и обеспечением устойчивой работы всего прибора в целом.