Термопарный вакуумметр

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К проведению лабораторной работы № 3

"ИЗМЕРЕНИЕ ВАКУУМА ПРИ ПОМОЩИ ТЕРМОПАРНОГО И ЭЛЕКТРОННОГО ИОНИЗАЦИОННОГО ВАКУУММЕТРОВ"

по дисциплине "Физические основы вакуумных технологий "

Цель: изучение принципов действия термопарного и электронного ионизационного вакуумметров и приобретение навыков работы с этими приборами.

Общие и теоретические сведения

Термопарный вакуумметр

Термопарный вакуумметр относится к классу тепловых вакуумметров, принцип действия которых основан на зависимости теплопроводности разреженного газа от давления (рис.1, кривая 1).

Термопарные вакуумметры впервые были описаны в 1906 г. Ф. Феге и М. Пирани. Они широко используются в вакуумной технике и в настоящее время.

Из кинетической теории известно, что коэффициент теплопроводности газа в низком вакууме определяется выражением:

l_{т =} с_n r v_а (1)

где: с_n- удельная теплоемкость при постоянном объеме;

v_а - среднеарифметическая скорость теплового движения молекул газа;

r - плотность газа;

- средняя длина пути молекул газа.

Как видно из (1), теплопроводность газа определяется произведением r . Однако, поскольку r~Р, а ~Р^-1, теплопроводность практически не зависит от его давления Р в низком вакууме, т.е. от 10⁵ Па (750 Торр) до 10⁴-10³Па (10²-10 Торр). Следовательно, в этом интервале давления тепловые вакуумметры непригодны для измерения давления. Это верхний предел измерения Р.

При более низких давлениях, т.е. в области среднего и высокого вакуума, теплопроводность газа существенно зависит от давления:

= (2)

где: L - расстояние между нагретыми поверхностями;

Т – средняя температура Т=(Т₂-Т₁)/2; g=С_р/С_n.

Эта зависимость и используется для измерения давления при помощи тепловых вакуумметров в области среднего вакуума и переходе к высокому вакууму (Р~10² - 10^-2 Па).

Термопарный вакуумметр, как и большинство вакуумметров других классов, состоит из двух основных частей - преобразователя давления (ПД) и измерительного блока (ИБ).

ПД – устройство, которое вакуумноплотно присоединяется к вакуумной камере, воспринимает непосредственно измеряемое давление и преобразует его в другую физическую величину. ИБ – устройство, обеспечивающее требуемый электрический режим работы ПД, усиление и измерение его выходного сигнала.

Преобразователь давления теплового вакуумметра представляет собой баллон (чаще - из стекла), внутри которого расположен чувствительный элемент (тонкая нить из металлического сплава). Через нить пропускают ток, под влиянием которого она нагревается до температуры Т₁. При понижении давления теплопроводность газа уменьшается, теплоотвод от нити становится меньше и она нагревается до более высокой температуры Т₂ (рис.1, кривая 2). Изменение температуры нити фиксируют в термопарном вакуумметре при помощи термопары - соединенных вместе двух тонких проволочек из разнородных металлов или сплавов, подключенных к электроизмерительному прибору (милливольтметру). Если температура участка, в котором они соединяются, отличается от температуры свободных концов проволочек (Т₀), то прибор зафиксирует возникновение термоэлектродвижущей силы (термоэдс e_т), пропорциональной разности температур:

e_т = a(Т₁ – Т₂), (3)

где: a- удельная термоэдс, зависящая от материалов термопары.

Устройство преобразователя давления термопарного вакуумметра (манометрической лампы ПМТ-2) изображено на рис.2. Нагреватель 3 приварен к внешним вводам 6. По нагревателю пропускают электрический ток I_н от измерительного блока. Величину I_н регулируют при помощи потенциометра R₂ и измеряют электроизмерительным прибором. Термопара 5 приварена к внутренним вводам 7. Термопара имеет тепловой контакт с нагревателем через перемычку 4. Возникающую термоэдс e_т, как отмечалось выше, измеряют при помощи милливольтметра. Поскольку e_т изменяется от долей милливольта до 10 мВ, а I_н составляет обычно величину ~ 100мА, то для косвенного измерения I_н можно использовать один и тот же милливольтметр mv, измеряя падения напряжения ∆ ν на сопротивлении R₁ ≈ 100 Ом: I_н = ∆U / R₁. При измерении I_н переключатель устанавливают в положение ТОК НАГРЕВАТЕЛЯ. Как уже указывалось, в области высоких давлений теплопроводность почти не зависит от давления, поэтому температура нагревателя и, следовательно, измеряемая термоэдс e_т не изменяются. При понижении Р теплопроводность газа падает, температура нагревателя возрастает, что и фиксируется при помощи термопары. При уменьшении давления Р ниже 10^-1- 10^-2 Па (10^-3-10^-4 Торр) потери тепла нагревателем за счет теплопроводности газа становятся соизмеримыми с тепловыми потерями из-за теплопроводности по вводам и через излучение. Поэтому температура нагревателя перестает увеличиваться при дальнейшем понижении давления. Этим и определяется нижний предел измерений давления тепловым, и в частности,- термопарным вакуумметром.

Следует иметь в виду, что по методу измерения тепловые вакуумметры относятся к вакуумметрам косвенного действия, т. к. принципы их работы основаны на зависимости теплопроводности газа от давления. Поскольку для разных газов эта зависимость отличается, показания тепловых вакуумметров определяется родом газа. Обычно вакуумметр градуируют по воздуху, а давление Р_г других газов рассчитывают по формуле:

Р_г = Р_в / q, (4)

где: Р_в- давлене воздуха, q – коэффициент относительной чувствительности вакуумметра, зависящей от рода газа (табл.1).

Таблица 1. Коэффициент относительной чувствительности теплового вакуумметра для некоторых газов