Термопарные манометры
Термопарные манометры
Типичный пример градуировочной кривой для системы с вольтметром показан на рис. III.34. Как и прежде, градуировка производится при помощи компрессионного или какого-либо другого абсолютного манометра.
Обычно манометрами сопротивления измеряют давление в интервале 1,0—10~4 мм рт. ст., хотя современные схемы включения позволяют расширить верхний предел до нескольких десятков миллиметров ртутного столба. Это достигается в схемах с постоянной (более высокой) рабочей температурой нити. Однако с повышением давления заметную роль начинает играть отвод тепла механизмом конвекции газа. Поэтому градуированный датчик манометра сопротивления должен всегда находиться в каком-то определенном положении (обычно вертикально, цоколем вверх).
Термопарный манометр, как и манометр сопротивления, необходимо градуировать, сравнивая его показания с показаниями какого-либо другого абсолютного, манометра, например компрессионного. Для этого вакуумная система, или объем, к которому подключен датчик, откачивается до высокого вакуума (обычно ~10“4 мм рт. ст.) и реостатом 6 устанавливается такая величина рабочего тока накала подогревателя 1, чтобы т. -э. д. с. термопары 2 была максимальной. При этом потери тепла подогревателем и термопарой из-за малой теплопроводности газа будут обусловлены только тепловым излучением и теплопроводностью вводов. Полученная величина тока накала строго фиксируется по миллиамперметру 7 и поддерживается постоянной как при снятии градуировочных отсчетов, в ходе которых устанавливается связь между давлением и величиной т. э. д. с., так и в процессе дальнейших измерений. Градуировку по показаниям компрессионного манометра необходимо производить с применением вымораживающих ловушек. Градуировочные графики датчиков термопарных манометров качественно похожи на кривую, показанную на рис. III.33.
Измерение давлений термопарным манометром можно проводить п в режиме постоянной температуры нити. В этом случае величина давления также оценивается по градуировочной кривой, в которой по оси абсцисс отложен ток накала нити, необходимый для поддержания требуемой аппаратуры.
По сравнению с манометрами сопротивления термопарные манометры имеют то преимущество, что их градуировка в широких пределах не зависит от температуры окружающей среды, так как здесь измеряется разность температур горячей нити по отношению к ее вводам или стенкам датчика без применения мостиковых схем.
Для выяснения влияния различных факторов на чувствительность тепловых манометров необходимо рассмотреть баланс мощности нагревательного элемента датчика манометра. Выделяющееся в нем тепло, подводимое путем омического нагрева, отводится за счет 1) конвекции IVK; 2) теплопроводности газа IVT; 3) теплопроводности через металлические вводы 4) теплового излучения IVU.
Таким образом, уравнение баланса мощности нити накала теплового манометра будет иметь вид
Чувствительность тепловых манометров
При давлениях меньше 50 мм рт. ст. потери тепла за счет конвекции газа пренебрежимо малы (см. раздел I, 3.3). Поэтому можно считать, что в пределах применимости тепловых манометров №к=0.
Для определения потерь тепла за счет теплопроводности газа можно воспользоваться выражением, приведенным в первом разделе,
где Т —температура нагретой нити;
Tq—температура баллона;
а — постоянный множитель, зависящий от коэффициента аккомодации у и молекулярного веса газа М.
Учитывая параметры у и М, выражение (Ш.ЗЗ) можно переписать
Потери тепла за счет теплопроводности вводов 1VM, как показывают опыт и соответствующие расчеты, можно считать пропорциональными разности температур (Т-Т0),т. е.
где С — коэффициент пропорциональности.
Наконец, потери за счет теплового излучения, согласно закону Стефана — Больцмана, пропорциональны раз-
Из полученного выражения следует, что чем меньше сумма потерь тепла на теплопроводность подводящих вводов и тепловое излучение М/и по сравнению с подводимым теплом тем больше чувствительность теплового манометра. Слагаемое UZM можно сделать относительно малым, если пользоваться достаточно тонкими и длинными нитями. Что же касается величины Wn, то ее уменьшать не всегда целесообразно. Так, при измерении низких давлений, когда теплопроводность газа становится очень малой, чувствительность теплового манометра можно повысить, понижая излучаемую мощность lVn, т. е. уменьшая температуру нити. И, наоборот, чтобы расширить верхний предел измеряемых давлений тепловыми манометрами и повысить их чувствительность в этой области, необходимо увеличивать рабочую температуру нити. Это требование также вытекает из анализа уравнения (III.37), из которого следует, что усиленный теплоотвод через газ (за счет повышения разности температур нити и баллона) вызовет более ощутимое изменение теплового баланса датчика и будет зафиксирован измерительной схемой. Однако приведенные рассуждения справедливы лишь в пределах применимости выражения (111.33), т. е. когда молекулы газа гораздо чаще сталкиваются со стенками баллона датчика, чем между собой.
Из уравнения (111.37) видно также, что измеряемое тепловыми манометрами давление зависит от коэффициента аккомодации у и рода газа. Коэффициент аккомодации зависит от рода газа и состояния поверхности нагревательного элемента. Существенно изменяется коэффициент аккомодации при окислении поверхности. Хотя применение платины для изготовления нитей датчиков тепловых манометров снимает трудности, связанные с окислением поверхности, все же не защищает нить от попадания на нее всевозможных загрязнений (паров ртути, масла, вакуумных смазок и т. д.). Таким образом, в процессе работы датчика все время происходит изменение состояния поверхности нагревательного элемента, что приводит к изменению величины мощности ТГт, отводимой от него механизмом теплопроводности газа. Для устранения-этого недостатка необходимо периодически корректировать величину рабочего тока накала или прогревать нагревательный элемент до более высокой температуры, при которой удаляются и выгорают адсорбированные примеси. Это вносит большие неудобства при работе с тепловыми манометрами и является одним из существенных недостатков.
ности четвертых степеней температур нагревательного элемента и баллона датчика
После подстановки выражения (111.34) в уравнение (111.32) и решения его относительно р найдем
Другим неудобством тепловых манометров является зависимость показаний от рода газа. Так как обычно градуировка заводских датчиков проводится по сухому воздуху, а измерять приходится давление различных газов и их смесей, то можйо пользоваться градуировочной кривой для воздуха, внося соответствующие поправки. Эти поправки (пересчетные коэффициенты) можно получить, пользуясь уравнением (111,37).
Поскольку константы, входящие в выражения
№ц и Wu (U7H=t2/?o[l + ₽(7’“5no)], где i —ток подогрева нити), не зависят от рода газа, то, как следует из уравнения (Ш.ЗЗ), показания теплового манометра для воздуха рв и какого-либо другого газа рг (при одной и той же температуре нити) будут определяться отношением
где ав, аг — константы, зависящие только от рода газа. Для каждой пары воздух — газ и одного и того же материала нити накала датчика отношение (III.38) является постоянной величиной во всем интервале давлений, где справедливо уравнение (Ш.ЗЗ). Практически это значит, что градуировочные кривые датчиков тепловых манометров для различных газов должны быть подобны друг другу. Таким образом, определив по градуировочной кривой для воздуха значение pD, можно подсчитать измеряемое давление для данного газа рг, если известен соответствующий пересчетный коэффициент цГу который называют чувствительностью теплового манометра к данному газу. Тогда
|
Газ |
Воздух |
н, |
Не |
Ne |
АГ |
СО . |
СО, |
Кг |
|
Чувствительность |
1 |
0,67 |
1,12 |
1,31 |
1,56 |
0,97 |
0,94 |
2,30 |
В основе работы тепловых манометров расширения лежит явление линейного расширения нагретой металлической проволоки или полоски. Схема простейшего манометра расширения показана на рис. III.36. Здесь нить
1 с большим температурным коэффициентом расширения (платиноиридиевый сплав) укреплена на двух массивных держателях 2, запаянных в стеклянный баллон. К центру нити присоединена спираль 3, с помощью которой можно определить величину растяжения нити при ее нагревании.
Более надежны и практичны манометры расширения, в которых в качестве рабочего элемента используется термобиметалл. Последний представляет собой пластинку, состоящую из двух прочно соединенных между собой металлов (или сплавов) с различными температурными коэффициентами расширения ai и аг. При нагревании такая пластинка будет изгибаться в сторону металла с меньшим а. Если длина пластинки /, а общая толщина d, то величину отклонения х ее свободного конца при повышении температуры от TQ до Т можно оценить из выражения
В табл. III.2 приведены экспериментальные значения чувствительности термопарного манометра qr для различных газов, полученные для датчика с платиновым подогревателем.
Таблица III. 2
Тепловые манометры расширения
На рис. 111.37, а показано устройство манометра расширения с плоской биметаллической пластинкой. Указателем здесь служит стеклянная нить 1 с грузиком 2, прикрепленная к биметаллической пластинке 3, которая нагревается проходящим по ней током. Наблюдение за отклонением нити удобно вести с помощью оптического устройства с осветителем.
В других типах манометров расширения в качестве датчика используется биметаллическая леНта, свернутая в цилиндрическую (рис. 111.37, б) или плоскую (рис. 111.37, в) спираль. Как в первом, так и во втором случае мерой давления служит поворот свободного конца спирали, определяемый изменением температуры тер
мобиметалла и линейно зависящий от давления (в области применимости уравнения (Ш.ЗЗ)). В датчике, показанном на рис. .111.37,6, поворот спирали регистрируется с помощью маленького зеркальца S, нулевое положение которого устанавливается вращением голов
ки, укрепленной в верхней части датчика, или посредством шлифового соединения.
В манометре расширения с плоской биметалли-
ческой спиралью (рис. II 1.37, в) поворот свободного конца датчика используется для управления стрелкой-указателем.
На рис. II 1.38 показаны типичные градуировочные кривые теплового манометра расширения с плоской биметаллической пластинкой (рис. 111.37 а), полученные для трех различных газов. Аналогичные по форме зависимости получаются и для датчиков с биметаллическими спиралями, но в этом случае по оси ординат откладывается или угловое отклонение зеркальца (рис. III.37, 6), или деление шкалы (рис. III.37, в).
Описанные выше конструкции тепловых манометров расширения из-за значительной тепловой инерции (~1 мин) практически непригодны для измерения давлений, изменяющихся во времени.
В основе работы большой группы ионизационных манометров лежит явление ионизации, т. е. выбивание электрона из атома или молекулы газа и превращение их в положительно заряженные ион и электрон.
