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:

I²_нR = E_к + E_т + E_и + E_м , (6.5)

где I_н – ток, проходящий через нить; R — сопротивление нити; E_к, E_т, E_и, E_м –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. E_к ≈ 0, а потери теплоты излучением:

E_и = K_и(T ⁴_н – T ⁴_б)A, (6.6)

где A – поверхность нити; K_и — коэффициент излучения материала нити; Т_н и Т_б – температуры нити и баллона.

Тепловые потери нити за счет передачи теплоты по материалам нити и электродов, соединяющих нить с корпусом преобразователя,

E_м = b(T_н – T_б)f, (6.7)

где b – коэффициент теплопроводности материала нити; f – сечение нити.

Потери теплоты через газовый промежуток:

E_т = λ(T_н – T_б)A, (6.8)

где λ = – Ap/(p+B) – коэффициент теплопроводности газа.

В области низкого вакуума р>>В, а коэффициент теплопроводности газа не зависит от давления. Давление р ≈ B, 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 α = 1 из следует:

λ_в = K_тp (6.9)

Измерительное уравнение теплового преобразователя с учетом уравнений можно записать так:

(6.10)

Для точного измерения давления необходимо, чтобы Е_т составляло значительную долю от E_и + E_м, т. е. чтобы сумма Е_и + Е_м была существенно меньше мощности I_н²R, выделяющейся в нити манометра. Поэтому условие I_н²R – (Е_и + Е_м) ≥ 0,01I_н²R определяет нижний предел измерения манометра.

Из уравнения (10.6) видно, что давление является функцией двух переменных: тока накала нити I_н и температуры нити T_н.

Существует два метода работы тепловых манометров: постоянной температуры нити и постоянного 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 (5.9) и переходят в линии, параллельные оси давления.

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. ТермоЭДС 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 манометру. Диапазон рабочих давлений 5·10³ ...10^-1 Па.