Розанов Вакуумная техника 1990 (1248470), страница 26
Текст из файла (страница 26)
симости теплопередачи через разреженный газ от давления. ПеРедача теплоты происходит от тонкой металлической нити к баллону, находящемуся прн комнатной температуре. Металлическая нить нагревается в вакууме путем пропускания электрического тока Уравнение теплового баланса такого прибора можно представить в следующем виде: !'„11 = Е„+ Е, + Е„!- Е „, (6.3) где Тз — ток, проходящий через нить; )т — сопротивление нити; Е, 141 Ет, Ен, 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. Е,=О, а потери теплоты излуче) нием Е„=К„(Т'„— Т') А; здесь А — поверхность нити; Кп — коэффициент излучения материала нити; Т, и Тб — температуры нити и баллона. Тепловые потери нити за счет передачи теплоты по материалам нити и электродов, соединяющих нить с корпусом преобразователя, Ем=В(҄— Т,) 7, (5 — коэффициент теплопроводности материала нити; 1 — сечение нити). Потери теплоты через газовый промежуток Е„= Л (҄— Тб) А, (6.4) где Л= — — коэффициент теплопроводности газа (см. (3,27)). Ар р+В В области низкого вакуума Р)~В, а коэффициент теплопроводности газа не зависит от давления. Давление р В, соответствуюшее 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 о=1 из (3.25) следует Л,=К,Р. (6.5) Измерительное уравнение теплового преобразователя с учетом уравнений (6.3), (6.4), (6.5) можно записать так: !и )7 — (Е„+ Ем) Р= К, (Гн — Гб) (6.6) Для точного измерения давления необходимо, чтобы Е, составляло значительную долю от Е,+Еи, т.
е. чтобы сумма Еи+Е была существенно меньше мощности 7и%, выделяющейся в нити манометра. Поэтому условие 7,гŠ— (Еи+Е„) )0,01! гВ определяет нижний предел измерения манометра. Из уравнения (6.6) видно, что давление является функцией двух переменных; тока накала нити ! и температуры нити Т,. Сушествует 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 списываются уравнением (6.6) и перехо- 142 гн х) н Рис. 6.6. Градуировочные кривые теп нового преобрнаовнтеля: а — прн постоянном токе накала; б — прп по стоянноя температуре ннтн Р! Кт ! = РгКтг " Р! Кт! = " = РаКта Выпускаемые промышленностью приборы проградуированы по сухому воздуху.
Если необходимо измерить давление других газов, то нужно учитывать относительную чувствительность прибора к данному газу Р! = Рн — = Рас7сс Ктп Кт! (6.7) где Рв и Кт. — давление и коэффициент теплопРоводности воздУха; г)с=Кт а7Кт! — коэффициент относительной чувствительности теплового преобразователя к данному газу. Значения д! 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 рсл РгКтат РгКтг+ ° "+РаКта=Р Кт ° (6.8) Так как из определения относительной чувствительности (6,7) следУет, что Рн =ром!с)см, то выРажение (6.8) можно записать в виде Ром!и)си=Рг7Чг+Рг!г)г+ - +Ра7г)н. Разделив обе части уравнения на Р,, получим (т! )г "а а с!с м и ! !уг с!а дят в линии, параллельныеосн давления.
Для расширения верхнего едела измерения теплового еобразователя следует меньшать его габариты, что еличивает отношение Е/с! и вигает 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 (Е„+Е„) в сумме тепловых потерь нити.
Это может быть достигнуто понижением температуры нити н 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: 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 10'...10-' Па. Характерисики современных тепловых вакуумметров представлены в табл. .10. в) 1к Рис. 6.7, Схемы тепловых преобразователей: с — термаперного; б — преабрезсвзтелк сопратнвленнн где 111, ..., )1„— объемные концентрации соответствующих газов, в причем ~)') "1=1. Таким образом, коэффициент относительной 1-1 чувствительности для смеси газов определяется по формуле и 177см=~)';/7и (6.9) ! 1 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 144 9 6.5. Электронные преобразователи Принцип действия электронных преобразователей основан на пропорциональности между давлением и ионным током, образовавшимся в результате ионизации термоэлектронами остаточных газов. Существует две схемы электронного преобразователя: с внутренним и внешним коллектором. Схема с внутренним коллектором (рис.
6.8, а) аналогична обычному триоду. Коллектором ионов является сетка, на которую относительно катода подается отрицательное напряжение в несколько десятков вольт, а на анод в положительное напряжение 100— 200 В, Электроны на пути от катода к аноду (ток 7,) соударяются с молекулами остаточных газов, и образовавшиеся положительные ионы попадают на сетку, создавая ионный ток 7„измеряемый гальванометром. В схеме с внешним коллектором (рис. 6.8, б) потенциалы сетки и анода меняются местами, и коллектором становится анод. Электроны, летящие от катода к сетке, совершают вокруг ее витков ряд колебаний, что увеличивает длину траектории электронов и повышает вероятность иоиизации молекул остаточных газов, Это делает схему с внешним коллектором более чувствительной, несмотря на то что часть положительных ионов, образовавшихся между сеткой и катодом, не участвует в измерении давления, Рассмотрим уравнение эле- 1с 1н ктронного преобразователя 4(Лг =предг, (6.10) 1л мА где оМ вЂ” число положительиых ионов; и — число элект- ~ + вА роков; дг — элементарная длина траектории электронов;е— + эффективность ионизации, равная количеству положитель- в) Ц ных ионов, образуемых одним Электроном на единице пути Ркс.
6.8, Схемы электронных преобрппри единичном давлении (см, а — с внутренннм коллектором; б — с внешним рис. ВА). коллекторам 145 а) о/ д/ Р не. б.9. Конструктнвные схеыы электронных нреобраэо- ввтелея: н — с внемлем волленторон; 6 — с осевым ноллентором: е — с мос- китным волен Если ввести в (6.10) электронный ток 1,=п//, то с!Аг/1 =1,ре дг. (6.!! ) Интегрируя (6.11) по всей длине траектории электрона с энергией, большей потенциала ионизации, 'получим выражение для ионного тока Ре 1„=/,р~ с(г, Р, которое перепишем в виде /н=Кв/,р (6.12) Р ° К.
1'Š— у ю ы "Р Р~) Р, Из выражения (6.12), называемого уравнением электроны о г о п р е о б р а з о в а т е л я, очевидно, что, для того чтобы измеряемый ионный ток был пропорционален давлению, необходимо во время измерения поддерживать постоянное значение электронного тока. Тогда а=/,Кн — п о с т о я н н а я э л е к т р о н н о г о м ан о м е т р а — равна тангенсу угла наклона градуировочной кривой 1н(р) к оси давления. Схематично конструкция электронного преобразователя с внешним коллектором представлена на рис. 6.9, а, Коллектор ионов 1 имеет форму цилиндра с электрическим вводом в верхней части баллона, сетка 2 — форму двойной спирали с двумя выводами для обезгаживания путем пропускания электрического тока.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
