Lektsii_Fv-10 (1074298), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Таким образом, тепловые манометры являютсяманометрами косвенного типа.Чувствительность теплового манометра зависит от родагаза, заполняющего баллон датчика. Обычно прибор градуируетсяпо воздуху, а пересчет на давление другого газа РГ производят поформуле:РГ = qГ · РЗначения qГ для тепловых манометров:ГазqГВоздух Н21,00,67Не1,12Ne1,31СН40,61Ar1,65СО20,94Нижний предел измеряемых тепловым манометромдавлений зависит от соотношения постоянных составляющих QTи QИ, QМ, не зависящих от давления и тепла, отводимого засчет теплопроводности газа.
При QT ≤ QИ +QM температуранити практически становится постоянной и перестаетзависеть от давления.Для понижения предельного измеряемого давлениянеобходимо ослабить побочные процессы теплоотвода. Дляуменьшения QМ нить должна иметь большое сопротивлениетепловому потоку – быть более тонкой. Для уменьшения QИнужно снизить температуру нити ТH , т.к по закону Стефана –Больцмана Q И ~ Т Н4 . Однако уменьшение ΔТ снижаетчувствительность. Обычно (для датчиков ЛТ-2, ЛТ-4) ТН =300…400 ОС.Верхний предел измеряемых давлений определяется двумяфакторами:1. при переходе от среднего к низкому вакууму изменяетсяхарактер теплопроводности газа QT , которая перестаетзависеть от давления. Зависящим от давления факторомостается лишь конвективный теплоотвод:QK = a (TH − Tδ )4/3⋅P2/3гдеа – коэффициент, определяемый свойствами итемпературой газа, формой и поверхностью нагревателя, атакже положением датчика.2.
при высоком давлении большая теплопроводность газасильно снижает температуру нити ТН, уменьшая разностьтемператур ТН - Тδ и приводит к потере чувствительности.Как следует из молекулярно-кинетической теории,теплопроводность газа QT при низком вакууме не зависит отдавления. Поэтому при соотношении:L/d <<1где(точнее L/d < 1/200),L - длина свободного пробега молекул;d - размер колбы датчика (d = 2R)тепловой манометр принципиально не позволяет использоватьзависимость для измерения давления.При использовании уравнения для конвективноготеплоотвода при более высокой температуре нити накалавозможно измерение давления тепловыми манометрами вдиапазоне 103…105 Па ( с большой погрешностью).По способу измерения тепловые манометров делятся на дватипа: манометры сопротивления и термопарные.Схема преобразователя сопротивленияВ преобразователе сопротивления (манометре Пирани) дляи зм е р е н и я т е м п е р ату р ы и с п ол ь зуе т с я з а в и с и м о с т ьсопротивления нити от температуры.
Он включается вм о с т о ву ю с хе м у. То к н а к а л а н и т и I н и з м е р я е т с ямиллиамперметром, включенным в то же плечо моста, что ипреобразователь, а температура нити – по току гальванометра визмерительной диагонали моста.
Ток накала регулируетсяреостатом R.Схема термопарного преобразователя и градуировочная криваяПоказания теплового манометра обладаютинерционностью, так как для изменения температуры нититребуется определенное время, обратно пропорциональноедавлению. Это время изменяется от нескольких десятковсекунд секунд при 10-1 Па до нескольких секунд при низкомвакууме.В термопарном преобразователе давления температуранити 2 измеряется термопарой 1.
Электроды расположены встеклянном или металлическом баллоне, имеющем патрубок дляподключения к вакуумной системе. Термо – э.д.с. термопарыизмеряется милливольтметром, ток накала нити регулируетсяреостатом и измеряется миллиамперметром.Параметры термопарного преобразователя давления ПМТ-2приведены в таблице.ПараметрТок нити накала, мАВерхний предел измерения, ПаНижний предел измерения, ПаЗначения параметра1381010-1В манометрах сопротивления используется зависимостьсопротивления нити от температуры.
Нить манометра выполняетдве функции: источник тепла и измерителя температуры.Промышленность выпускает вакуумметр сопротивленияВСБ-1 с датчиком МТ-6.В термопарных манометрах нить служит лишьисточником тепла. Для измерения температуры применяетсятермопара. Промышленно сть выпускает термопарныевакуумметры ВТ-2 и ВТ-3, а также совмещенные в одном корпусес ионизационными вакуумметрами ВИТ-1, ВИТ-2, работающие сдатчиками ЛТ-2, ПМТ-2 (стеклянный) или ЛТ-4 (металлический).В датчике ЛТ-2 нить нагревателя изготовлена из техническойплатины, а в ЛТ-4 – из никеля или тантала.В вакуумметрах ВТ-1, ВТ-2, ВИТ-1, ВИТ-2 датчикиЛТ-2, ЛТ-4, ПМТ-2 работают в режиме переменнойтемпературы при постоянном токе накала.
В диапазонедавлений 101…10-1 Па ток нити накала подбирается так, чтобыпри давлении 10-1 Па ЭДС термопары составляла 10 мВ.Градуировочная кривая датчика ЛТ-2 по воздухуприведена на рис. С течением времени градуировочные кривыеманометра могут изменяться за счет старения нити и баллона,образования пленок на их поверхности (от паров масла).Поэтому для очистки рекомендуется периодически прокаливатьнить.Ионизационные манометрыПринцип действия ионизационных манометров основан назависимости скорости ионизации газа от давления. Вдатчике любого ионизационного манометра есть две системы:для ионизации остаточного газа и для отбора ионов. Вустановившемся режиме работы манометра скоростьионизации равна скорости отбора ионов, о которой судят поионному току.
Из молекулярно-кинетической теории газовследует, что скорость образования ионов в манометрепропорциональна давлению и эффективности ионизации.Найдем уравнение ионизационного преобразователя.Число образованных ионов:nu = P ⋅ n e ⋅ ε ⋅ lгдеР – давление, Па;ne – число электронов;ε – эффективность ионизации, м-1⋅Па-1;l – длина траектории, м.Эффективность ионизации ε - кол-во ионов,образованных электроном при давлении 1 Па и длинетраектории электрона равной 1 м.Разделив уравнение на время t, получим уравнениеионизационного преобразователя:nuгдеt= kPnetI u = kPIeIu ,Ie – ионный и электронный ток, А;k – чувствительность ионизационногопреобразователя (k = ε ·l, Па-1).Чувствительность ионизационного преобразователяk – количество ионов, образованных электроном приIиIuдавлении 1 Па.P==Таким образом:k ⋅ IeKaгде Ка–постоянная ионизационного преобразователя, A⋅Па-1.Чувствительность К ионизационногопреобразователя ПМИ-2 к различным газамГазN2O2ArHeH2COК, Па-10,220,230,270,0250,0820,24Массовый состав атмосферного воздуха ипарциальные давления компонентов (Т = 298 К)ГазМассоваяN2O2ArHeH2CO275,523,11,287,2⋅10-53⋅10-65⋅10-27,9⋅10421⋅104доля, %Парц.давления, Па9,4⋅102 5,5⋅10-1 5,1⋅10-2 3,3⋅102Для существования прямой зависимости междудавлением газа и ионным током интенсивность источникаионизирующего излучения должна быть постоянной.
Поэтомуток электронной эмиссии в датчике ПМИ – 2 (ЛМ-2)стабилизирован и равен 0,5 мА, длина свободного пробегаионов и ионизирующих электронов – больше расстояниямежду электродами, чтобы избежать рекомбинации ионов илидвух-, трёхкратной ионизации, нарушающей линейностьуравнений.Различают типы манометров в зависимости от видаисточника ионизации:1. термоэлектронные, где для ионизации газа используютсятермоэлектроны (наиболее ходовой тип);2. магниторазрядные, где для ионизации используетсяавтоэлектронная эмиссия;3. радиоизотопный, где ионизация происходит за счётрадиоактивного α - или γ - излучения изотопов.Как видно из формул, важным фактором являетсяувеличение эффективности ионизации газов. Эффективностьионизации характеризует число ионов, образующихся на метрепути электрона при давлении 1 Па.
Минимальная энергияэлектрона, необходимая для ионизации большинства газов,составляет 12…25 эВ, но максимальную эффективностьполучают примерно при 125 эВ. Дальнейшее увеличениеэнергии (и скорости) электрона уменьшает вероятность егоэффективного столкновения с молекулой. Другой фактор,увеличивающий ионизацию - удлинение пути электронов.Казалось бы, что для измерения давления можноиспользовать триод, измеряя сеточный ионный ток припостоянном электронном токе на аноде. Однако при этом малаэффективность ионизации из-за короткого пути электроновот катода к аноду и, кроме того, оксидные катоды недопускают соприкосновения с атмосферой даже в холодномсостоянии.Поэтому разработана специальная конструкциям а н ом е т р и ч е с ко г о п р е о б р а з о в а т ел я с в н е ш н и мколлектором.Термоэлектронный (ионизационный) преобразовательРизм.
= 10-1…10-5 ПаµAmA1 – вольфрамовый катод;2 – сетка анод;3– коллектор ионовМанометрический датчик такого типа – ПМИ-2, служитдля измерения давлений в диапазоне 10-1…10-5 Па.Катод прямого накала 1 в форме шпильки из вольфрамаслужит источником электронов. Сетка 2 в форме спиралиимеет напряжение +200 В и являетсяанодом.Цилиндрический коллектор ионов 3 с потенциалом –25 Вимеет отдельный вывод на горловине для уменьшения утечкиэлектронов по цоколю и стеклу. Стабилизированный токэмиссии лампы ПМИ-2 составляет 0,5 мА.
Эмитированныекатодом электроны в большинстве пролетают мимо редкойсетки-анода, отталкиваются полем коллектора обратно иколеблются у сетки, прежде чем попасть на неё, ионизируя газ.Ионизационные манометры обладают откачивающимдействием за счёт хемосорбции О2 на горячем катоде извольфрама и ионной откачки (осаждение ионов наколлекторе).Для ПМИ-2 быстрота ионной откачки около10-5 м3с-1.В е рх н и й п р ед ел и зм е р е н и й д ат ч и к П М И - 2 ,составляющий 10-1 Па, ограничен распылением (перегоранием)катода.
Для датчика ЛМ-3 с иридиевым катодом, покрытымокисью иттрия, этот предел составляет 1 Па.Нижний предел измерения датчика ПМИ-2,составляющий 10-5 Па, ограничен наличием фонового токаколлектора. Электроны при торможении на сетке-аноде даютмягкое рентгеновское излучение, которое, попадая наколлектор, вызывает с него фотоэмиссию. Фототок, идущий сколлектора на анод, имеет тот же знак, что и ионный ток, однакоот давления не зависит, поэтому в начале ХХ века существовалоошибочное мнение, что давление ниже 10-5 Па получитьневозможно.В 1950 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
