Тепловые преобразователи
Тепловые преобразователи
Тепловые вакуумметры нашли широкое применение в вакуумной технике и охватывают диапазон давления от 10-1 Па до атмосферного. Они просты по конструкции и надежны в работе. Манометрические преобразователи тепловых вакуумметров не боятся прорыва атмосферы и имеют практически неограниченный срок службы.
Принцип действия тепловых вакуумметров основан на зависимости теплопроводности газа от давления, т. е. плотности частиц, способных при своем движении переносить тепло. Передача теплоты происходит от тонкой металлической нити к баллону, находящемуся при комнатной температуре. Металлическая нить нагревается в вакууме путем пропускания электрического тока.
Тепловые преобразователи в зависимости от способа измерения температуры делятся на термопарные и преобразователи сопротивления.
В термопарном преобразователе (рис. 5а) температура нити 1 измеряется термопарой 2. Электроды расположены в стеклянном или металлическом баллоне 3, имеющем патрубок для подключения к вакуумной системе. Термо-ЭДС термопары измеряется милливольтметром, ток накала нити регулируется реостатом и измеряется миллиамперметром.
В преобразователе сопротивления для измерения температуры используется зависимость сопротивления нити от температуры. Он включается в мостовую схему (рис. 5б). Ток накала нити измеряется миллиамперметром, включенным в то же плечо моста, что и преобразователь, а температура нити — по току гальванометра в измерительной диагонали моста. Ток накала регулируется реостатом.
Простейшая конструкция манометрического преобразователя сопротивления теплового вакуумметра представляет собой стеклянную или металлическую трубку, по оси которой натянута нить, нагреваемая пропусканием тока (см. рис. 6). Подводимая к нити электрическая энергия расходуется на нагрев газа, излучение и отвод тепла через электрические вводы. При низких давлениях баланс энергии может быть выражен уравнением:
В области среднего и высокого вакуума конвективным теплообменом можно пренебречь, т. е. Qk = 0.
Кроме того, два последних вида тепловых потерь не зависят от давления.
Давление Р можно найти из уравнения (5):
Для точного измерения давления необходимо, чтобы QT было значительно больше Qи + Qm+. Поэтому условие I„2R — (QH + Qm) ^ 0,01 • VR определяет нижний предел измерения преобразователя.
Из уравнения (6) видно, что давление является функцией двух переменных: тока накала нити 1н и температуры нити Тн.
Существует два метода работы тепловых манометров: постоянной температуры нити и постоянного тока накала. Градуировочные кривые теплового манометра, показанные на рис.7а, б для обоих методов работы, представляют собой в средней части параболу и гиперболу. Концы градуировочных кривых у верхнего и нижнего пределов измерения не описываются уравнением (6) и переходят в линии, параллельные оси давления.
Так как для разных газов Кт разный, то показания тепловых преобразователей зависят от рода газа. Преобразователь будет давать одинаковые показания при выполнении следующих условий:
Выпускаемые промышленностью приборы проградуированы по сухому воздуху. Если необходимо измерить давление других газов, то нужно учитывать относительную чувствительность прибора к данному газу:
Значения qi для различных газов по отношению к воздуху могут отличаться в несколько раз (см. табл. 1).
Если преобразователь измеряет давление смеси газов, то его показания будут выражены в воздушном эквиваленте Рв: где n1, n2, n3 — объемные концентрации составляющих газов (их сумма равна единице).
Таблица 1
Пересчетные коэффициенты для лампы ЛТ-2 относительно воздуха
В табл. 1 приведены экспериментально определенные для манометрической лампы ЛТ-2 значения с]1-в (газ — воздух) для различных газов в режиме постоянного тока накала. Пересчетный коэффициент q^ для газов, не указанных в табл. 1, можно вычислить с достаточной для практики точностью из формулы: где цот. — относительные теплоемкости газа при постоянном давлении Ср к теплоемкости при постоянном объеме CV; Мг — молекулярная масса газа.
