Термопарний манометричний перетворювач ЛТ - 2

Термопарний манометричний перетворювач ЛТ-2 (ПМТ-2) - це лампа зі скляним або металевим (ЛТ - 4) балоном, в який вмонтовано чотири електроди. До двох приєднана платинова нитка (дротик) 1 (див. рис. 4), як і в манометрі опору, і яка нагрівається електричним струмом від батареї БТ. Величина струму I контролюється міліамперметром 3, а встановлюється до відповідного значення реостатом R.

До середини платинової нитки приварена термопара 2, вільні кінці якої приєднані до останніх двох електродів і до яких через розйом підключається мілівольтметр.

Рис. 4.

Термопара - це два дротики з різних металів, які з одного кінця з’єднані за допомогою зварювання. Якщо зварені кінці нагрівати до температури, наприклад, T , то на вільних кінцях, які охолоджуються до T , з’явиться термопарна Е.Р.С., величина якої залежить від різниці температур (T - T ) - чим більша ця різниця, тим більшою буде Т. Е.Р.С. Ще збільшити цю Т. Е.Р.С. можна вибрав відповідні метали. В данній лампі використовується термопара з металів хромеля (90 % Ni + 10 % Cr) і копеля (56 % Cu + 44 % Ni).

Відкритим кінцем лампа приєднується герметично до вакуумної системи.

Поки тиск у вакуумній системі буде атмосферним, мілівольтметр буде показувати Т.Е.Р.С., близьку до нуля при струмі I , заданому для даної лампи при її виготовленні. При достатньому зниженні тиску мілівольтметр 4 почне показувати зростаючу Т.Е.Р.С., тому що теплопровідність газу зменшиться і це призведе до підвищення температури нитки, тобто термоспаю. Коли тиск знизиться настільки, що теплопровідність стане дуже малою, стрілка мілівольтметра зупиниться на граничній (максимальній) позначці, якщо струм I буде виставлено вірно; у цей момент витрати тепла ниткою і термопарою будуть зумовлені практично тільки теплопровідністю самих дротиків і випромінюванням.

Термопарна манометрична лампа виготовляється у запаяному вигляді з вакуумом в середині - тор. Щоб вірно визначити робочий струм запаяної лампи, необхідно старанно підібрати величину I реостатом R так, щоб стрілка мілівольтметра незмінно встановилась на поділці 10 mV. Цей струм і є робочим для даної лампи і при ньому виконують всі вимірювання після приєднання лампи до вакуумної системи. Оскільки за допомогою термопарної лампи вимірюється фактично не тиск, а Т.Е.Р.С., то для визначення тиску використовують градуювальну криву - криву залежності величини Т.Е.Р.С. від тиску.

Тепловими манометричними перетворювачами можна проводити вимірювання при різних газах і пари; вести безперервні спостереження за зміною тиску у вакуумній системі; вони не складні для виготовлення. Усе це є їх позитивними якостями. Але вони мають і недоліки, головними з яких є залежність градуювальних кривих від виду газу і зміни робочого струму з часом. Останній недолік виникає тому, що забруднюється поверхня платинової нитки парою вакуумних масел та інше. У зв’язку з цим при використанні теплових манометричних перетворювачів необхідно періодично перевіряти (визначати) робочий струм, відкачуючи для цього вакуумну систему до тиску - тор.

1.4 Будова й принцип роботи іонізаційного манометричного перетворювача ЛМ – 2 (ПМІ-2)

Високий вакуум характеризується числом Кнудсена, більшим за одиницю ( >1). Тобто це стан газу, в якому середня довжина вільного пробігу молекул перевищує характерний лінійний розмір ємкості, де знаходиться газ. При високому вакуумі число зіткнень молекул між собою менше числа зіткнень молекул зі стінкою, що утримує газ. Взагалі, при таких умовах тиск газу менше Тор. Для вимірювання такого низького тиску широко застосовують іонізаційні манометри, в яких використовується залежність інтенсивності іонізації молекул від тиску газу.

З рівняння Больцмана відомо, що тиск газу прямо пропорційний концентрації його молекул при даній температурі (p=nkT). Оскільки при високому вакуумі концентрація молекул газу в мільйон разів менша за концентрацію при атмосферному тиску, то їх тиск можна знайти, якщо якимось чином “намітити” кожну, а потім “підрахувати”, тобто визначити концентрацію.

Якщо перетворити якимось чином кожну молекулу газу в іон, то електричний струм, який вони можуть створити, очевидно, буде пропорційним тиску. Для іонізації молекул застосовують лампу (перетворювач манометричний іонізаційний - ПМІ). Іонізацію молекул газу здійснюють потоком прискорених електронів, що створюються в лампі завдяки термоелектронній емісії (випромінювання електронів з нагрітих металів) з нитки розжарення.

Манометрична іонізаційна лампа-датчик ПМІ-2, як і термопарна лампа, складається з двох частин: вимірювальної і датчика. Датчик – це лампа (рис. 5) у вигляді скляної колби 1, що закінчується циліндричною трубкою 2 з одного боку, через яку вона приєднується до вакуумної системи, і цоколем з другого боку, в якому впаяні чотири електроди-вводи і через який лампа приєднується до вимірювального блоку вакууметра ВІТ-1А. Цоколь лампи має спрямляючий ключ, щоб неможливо було переплутати електроди при з’єднанні лампи кабелем з вакуумметром.

Рис. 5.

До двох електродів приварені кінці 4 вольфрамової нитки розжарювання-катода 3, яка має форму петлі, розміщеної на осі колби, і підтримується від провисання пружиною, що закріплена на траверсі (утримувачі), (на рисунку не показана). До інших двох електродів приварені кінці 6 біфілярної спіралі сітки-анода 5, яка співвісно оточує катод і підтримується від провисання іншою траверсою. Через ці два вводи сітку-анод можна розжарювати електричним струмом перед вимірюваннями, щоб викликати виділення поглинутих газів як з неї, так і, частково, з інших елементів лампи. Анод 5 і катод 3 оточені співвісно циліндричним колектором іонів 7, до якого приварений електричний ввід 8, розміщений на звуженні колби.

Лампу-датчик ПМІ-2 можна підключати за схемою, наведеною на рис. 6.

Струм розжарювання катоду створюється джерелом постійної напруги, регулюється реостатом R і контролюється міліамперметром I (на схемі не показаний). До сітки-аноду прикладена позитивна напруга до 250 В відносно катода, а до колектора іонів прикладена від’ємна напруга відносно катода.

Рис. 6.

При розжаренні катода електрони, що випромінюються завдяки термоелектронній емісії, прискорюються електричним полем анода і при зіткненні з поверхнею витків сітки-анода створюють електронний струм I . Оскільки сітка має великий період намотки, то значна частина електронів, що прискорюється полем анода, не зразу досягає її поверхні, а пролетівши повз неї, опиняється в гальмуючому електричному полі колектора іонів і починає коливальних рух навколо сітки перед тим, як потрапить до неї. Збільшення довжини траєкторії руха електронів збільшує імовірність ударної іонізації молекул газу і значно підвищує чутливість манометра. З цією ж метою відстань між сіткою-анодом і колектором іонів роблять відносно великою. Частина прискорених електронів, що пролетить між витками сітки в напрямі до колектора, при зіткненні з молекулами газу, зможе іонізувати їх і, таким чином, у просторі між анодом і колектором іонів з’являться додатні заряди (іони), що зберуться колектором під дією його електричного поля і створять іонний струм I . Для створення іонного струму достатньо до колектора прикласти від’ємну напругу приблизно 10 В.

Як показує досвід, при достатньо низьких тисках (звичайно нижче Тор) відношенняіонного струму до електронного I / I прямо пропорційне до тиску газу в манометричній лампі:

I / I = b (1)

Якщо електронний струм протягом вимірювання підтримувати на незмінній величині, то

I = I b = с , (2)

де с = I - називається сталою іонізаційного манометра, яка є характерною для лампи відповідної конструкції.

Контрольні запитання

1. Як побудований манометр опору і принцип його роботи?

2. Як побудований термопарний манометр і принцип його роботи?

3. Що являє собою термопара і принцип її роботи?

4. Порядок проведення вимірів за допомогою термопарного манометра?

5. Що називають робочим струмом термопарного манометра?

6. Якими міркуваннями необхідно керуватись при виборі діаметру трубки термопарного манометра?

7. Якими способами можна визначити робочий струм термопарного манометра?

8. Як визначають величину тиску газу, що знаходиться а вакуумній системі, за допомогою термопарного манометра?

9. Чому необхідно періодично визначати (перевіряти) значення робочого струму термопарного манометра?

10. Навести межі вимірювання тиску за допомогою термопарного манометра?

11. Чим обумовлені такі межі вимірювання тиску?

12. Яким чином можна змінювати чутливість манометру опору і чому?

13. Написати рівняння балансу потужності теплових манометричних перетворювачів і проаналізувати його.

14. Навести позитивні й негативні якості теплових манометричних перетворювачів.

15. Як визначають граничний тиск?

16. Як перевіряють робочий струм термопарного манометра, якщо він змінився з часом?

17. Який вакуум називають високим, критерії оцінки вакууму?

18. Які елементи вакуумної системи необхідні для отримання вакууму ( -- Тор)?

19. Принцип роботи високовакуумного дифузійного насоса?

20. Як побудований іонізаційний манометр ПМІ-2 і принцип його роботи?

21. Що називають сталою іонізаційного манометра?

22. Недоліки іонізаційного манометра?

23. Порядок проведення вимірів за допомогою іонізаційного манометра?

24. Вказати діапазон тиску, що вимірюється за допомогою іонізаційного манометра, а також причини, що його обмежують?