Тепловые преобразователи
Тепловые преобразователи
Принцип действия тепловых преобразователей основан на зависимости теплопередачи через разреженный газ от давления. Передача теплоты происходит от тонкой металлической нити к баллону, находящемуся при комнатной температуре. Металлическая нить нагревается в вакууме путем пропускания электрического тока.
Уравнение теплового баланса такого прибора можно представить в следующем виде:
гДе /8 —ток, проходящий через нить; 7? — сопротивление нити; Ек,
Ет, Еи, Ем — потери теплоты за счет конвекции, теплопроводности газа, излучения нити и теплопроводности материала нити.
Конвективным теплообменом в области среднего и высокого) вакуума можно пренебречь, т. е. Ек~0, а потери теплоты излуче/ нием здесь А — поверхность нити; Кп — коэффициент излучения материала нити; Тн и Тб — температуры нити и баллона.
Тепловые потери нити за счет передачи теплоты по материалам нити и электродов, соединяющих нить с корпусом преобразователя, (Ь — коэффициент теплопроводности материала нити; f— сечение нити). Потери теплоты через газовый промежуток
В области низкого вакуума р^>В, а коэффициент теплопроводности газа не зависит от давления. Давление р~В, соответствующее переходу от среднего в низкий вакуум, является верхним пределом измерения теплового манометра. В области высокого вакуума, когда р<^В, коэффициент теплопроводности пропорционален давлению и при а=1 из (3.25) следует
Измерительное уравнение теплового преобразователя с учетом уравнений (6.3), (6.4), (6.5) можно записать так:
Для точного измерения давления необходимо, чтобы £т составляло значительную долю от Ди+Дм, т. е. чтобы сумма Дп+Дм была существенно меньше мощности /Н2Д, выделяющейся в нити манометра. Поэтому условие IH2R—(Ea—EM) ^0,01/н2Д определяет нижний предел измерения манометра.
Из уравнения (6.6) видно, что давление является функцией двух переменных: тока накала нити /н и температуры нити 7Н.
Существует два метода работы тепловых манометров: постоянной температуры нити и постояного тока накала. Градуировочные кривые теплового манометра, показанные на рис. 6.6, а, 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 (6.6) и перехо-
дят в линии, параллельные осн давления.
I Для расширения верхнего предела измерения теплового преобразователя следует уменьшать его габариты, что увеличивает отношение L/d и вдвигает границу низкого вакуума в сторону более высоких давлений.
Зависимость коэффициента конвективного теплообмена от
давления используется для измерения давлений в области низкого вакуума. Недостатком этого способа является зависимость показания прибора от его положения в пространстве.
Нижний предел измерения тепловых преобразователей можно улучшить уменьшая долю (£и+£м) в сумме тепловых потерь нити. Это может быть достигнуто понижением температуры нити и уменьшением диаметра вводов, соединяющих нить с баллоном.
Показания тепловых преобразователей определяются соотношением КтР и 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
где рв и Ктв — давление и коэффициент теплопроводности воздуха; qi = Kr в/Кт i — коэффициент относительной чувствительности теплового преобразователя к данному газу.
Значения qt для различных газов по отношению к воздуху могут-отличаться в несколько раз (см. табл. 3.3).
Если преобразователь измеряет давление смеси газов, то его показания будут выражены в воздушном эквиваленте рв.’
Так как из определения относительной чувствительности (6.7) следует, что рв = Рсм/<7см, то выражение (6.8) можно записать в виде Рсм/рсм — Pl/pi+pz/pz-j- ••• —Рп/Яп-
Разделив обе части уравнения на Pcmj ПОЛучИМ
где Vi, Vn — объемные концентрации соответствующих газов, п
причем 1= 1- Таким образом, коэффициент относительной чувствительности для смеси газов определяется по формуле
Тепловые преобразователи в зависимости от способа измерения температуры делятся на термопарные и преобразователи сопротивления.
В термопарном преобразователе (рис. 6.7, а) 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. 6.7, б). 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.
Оба преобразователя могут работать как в режиме постоянного тока накала, так и в режиме с постоянной температурой нити.
Преимуществом тепловых преобразователей является то, что они измеряют общее давление всех газов и паров, присутствующих в вакуумной системе, и обеспечивают непрерывность измерения
давления. Инерционность показаний, связанная с тепловой инерцией нити, изменяется от нескольких секунд при низких давлениях до нескольких миллисекунд при высоких давлениях.
Тепловые преобразователи как приборы для относительных (измерений давления обычно градуируются по компрессионному ма-‘нометру. Диапазон рабочих давлений 5-103… 10~* Па. Характеристики современных тепловых вакуумметров представлены в табл. П.10.