Тепловые манометры

0

Принцип работы. В работе тепловых манометров используется зависимость теплопроводности газа от давления, которая начинает, как мы знаем ( 3-7), проявляться в области среднего вакуума, постепенно переходя в прямую пропорциональность в области высокого вакуума.




В настоящее время получили распространение два типа тепловых манометров: манометр сопротивления и термопарный манометр.

Монометр сопротивления. На рис. 6-14 схематически изображена одна из наиболее употребительных конструкций. В ней имеется две части: манометрическая лампа ЛМ (датчик) и измерительная часть. Манометрическая лампа представляет собой стеклянный баллон с трубкой для присоединения к вакуумной системе. В баллоне на двух вводах смонтирована одна или несколько (параллельно) металлических нитей, которые можно нагревать электрическим током.

Измерительная часть представляет собой мостик для измерения сопротивлений:

G — сопротивление нити манометрической лампы, обладающее большим температурным коэффициентом, чтобы изменение температуры нити достаточно резко сказывалось на величине сопротивления и; этим требованиям удовлетворяют такие материалы, как вольфрам, никель, платина и т. п.;

г2 — переменное сопротивление из материала с весьма малым темпер атурным коэффициентом, чтобы изменение температуры практически не сказывалось на значении сопротивления;

г3 и г4 — постоянные сопротивления, также с весьма малым температурным коэффициентом, причем г3 = г4.

Из материалов, обладающих малым температурным коэффициентом, можно указать манганин и константан.

Питание мостика подводится к точкам М и N от батареи постоянного тока 4 и регулируется реостатом 5; 3— выключатель.

Ток через нить манометрической лампы измеряется миллиамперметром 1, ток между точками А и В цепи мостика — миллиамперметром 2.

Порядок работы по измерению давления мостиковым манометром рассматриваемой конструкции заключается в следующем:

  • 1. Устанавливается величина сопротивления г2, значение которого для определенных пределов комнатной температуры указывается в паспорте манометрической лампы.

  • 2. Включается цепь мостика и по прибору 1 при помощи реостата устанавливается ток нагрева нити 1Н, значение которого также указывается в паспорте. Указанный ток поддерживается при всех измерениях давления постоянным.

  • 3. Если откачка вакуумной системы еще не начата, то при правильно установленных г2 и 1Н мостик должен быть в равновесии (стрелка прибора 2 должна стоять на нуле). Это значит, что при атмосферном давлении поддерживается такая температура нити, что ее сопротивление ri = r2. Если обозначить среднее расстояние нити до стенок баллона через d, а среднюю длину свободного пути молекул газа через X, то степень вакуума в манометрической лампе, очевидно, будет определяться соотношением между X и d равновесие мостика не нарушается, пока в манометрической лампе будет низкий вакуум (Zd), так как при низком вакууме теплопроводность таза от давления не зависит.

  • 4. По мере откачки вакуумной системы, покав манометрической лампе давление еще высоко. (АЧ d), мостик продолжает оставаться в равновесии. Но при достаточном понижении давления (увеличении X) теплопроводность газа начинает заметно уменьшаться, в связи с этим отвод тепла от нити газом уменьшается, температура, а с нею и сопротивление нити манометрической лампы увеличиваются и, следовательно, стрелка прибора 2 смещается с нулевого положения и начинает перемещаться вправо тем дальше, чем ниже давление.

В случае применения манометрической лампы обычных размеров стрелка начинает заметно отклоняться, начиная с давлений 0,1ч-0,2 мм рт. ст., что и является верхним пределом давлений, измеряемых манометром сопротивления обычной конструкции; чтобы по положению стрелки на шкале прибора 2 можно было судить о давлении в вакуумной системе, к манометру прилагается градуировочная кривая, по которой показания прибора 2 можно перевести в миллиметры ртутного столба (рис. 6-15 и 6-16).

Начало градуировочной кривой соответствует нулевому положению стрелки прибора 2 только при правильно уста новленном сопротивлении г2. Если г2 при измерении установлено неправильно, то при атмосферном давлении стрелка прибора 2 не встанет на нуль шкалы; вся градуировочная кривая окажется как бы сдвинутой влево или вправо в зависимости от того, установлено ли г2 соответственно больше или меньше требуемого. Соответственное искажение градуировки произойдет, если температура помещения или вернее баллона манометрической лампы изменится настолько, что необходимо внести поправку в значение г2; причиной сдвига градуировочной кривой при изменении температуры баллона является одновременное изменение температуры нити с изменением температуры баллона, а вследствие изменения температуры нити ее сопротивление изменится и стрелка прибора 2 сдвинется независимо от изменения давления в вакуумной системе. Поэтому рекомендуется измерение давления манометром сопротивления проводить, по возможности, при неизменной температуре баллона, помещая его, если возможно, в водяную баню с требуемой температурой или хотя бы защищая его от воздушных потоков и излучения со стороны нагретых предметов.

Манометр сопротивления с компенсатором. Интересен вариант конструкции манометра (рис. 6-17), при котором практически исключается влияние изменения температуры баллона, что достигается заменой переменного сопротивления г2 так называемым компенсатором. Последний является точным воспроизведением манометрической лампы и отличается от нее только тем, что он применяется в запаянном виде, предварительно откачанным до давления, не превышающего 1 • 104 мм рт. ст.


При наличии компенсатора изменения температуры помещения одинаково влияют как на манометрическую лампу, так и на компенсатор, и сдвига градуировочной кривой не происходит Так как сопротивление помпенс атор а г2 не поддается регулировке, то сопротивления г3 и г4 выполняются в виде потенциометра с движком, положение которого выбирается таким, чтобы при атмосферном давлении мостик был в равновесии. В остальном порядок работы не отличается от описанного выше.

Приведем краткие данные, характеризующие важнейшие элементы манометрической лампы и измерительной части манометр а сопротивления, получившего большое распространение в производственных условиях.

Манометрическая лампа изображена на рис. 6-18. Она может вставляться в гнездо откачного автомата (откачной трубкой) в целях проверки работы последнего. Баллон берется того же объема, что и лампы, откачиваемые на проверяемом автомате. На никелевых держателях приварены четыре параллельные вольфрамовые спирали из тонкой вольфрамовой проволоки.

Измерительная часть манометра монтируется в одном ящике, что делает его переносным; манометрическая лампа присоединяется к соответствующим зажимам мостика длинным гибким шнуром, позволяющим проводить откачку манометра на автомате при нормальном вращении карусели последнего. Сопротивления в плечах мостика 15 -4- 20 ом; миллиамперметры: 1—до 100 ма, 2—до 15 маг, — 65 ма.

Градуировка манометра сопротивления. Тепловые манометры нельзя рассчитывать, так как явления, связанные с соприкосновением газовых молекул с поверхностью твердых тел, изучены еще недостаточно хорошо. Большую неопределенность вносит коэффициент аккомодации, связанный, как мы знаем, с условиями теплообмена между молекулами газа и твердой поверхностью (нити и колбы). Поэтому манометр сопротивления приходится градуировать путем сравнения показаний прибора 2 с показаниями манометра другого типа. Обычно градуировка выполняется по компрессионному манометру, причем для исключения влияния конденсирующихся паров, искажающие показания компрессионного манометра, необходимо градуировку выполнять с применением вымораживания паров. Процесс градуировки сводится к следующему. При атмосферном давлении подбирается сопротивление г2 для данного экземпляра манометрической лампы или в случае применения компенсатора подбирается положение движка потенциометра так, чтобы яри атмосферном давлении мостик был уравновешен. При этом ток нагрева 1Н устанавливается пбка приближенно, исходя из среднего его значения, принятого для манометров данной конструкции. Далее манометрическая лампа откачивается до давления не выше 1 — 10 4 мм рт. ст., и если при установленном среднем значении 1Н стрелка прибора 2 устанавливается не на делении шкалы этого прибора, принятом в качестве предельного, а на каком-то другом, то значение /к корректируется реостатом так, чтобы положение стрелки прибора 2 совпало с предельным делением. Если манометрическая лампа выполнена с достаточной тщательностью, то скорректированное значение тока нагрева мало отличается от среднего установленного первоначально при атмосферном давлении.


После этого при скорректированном значении 1Н и установленном г2, зачения которых записываются в паспорт манометрической лампы, в последней создаются давления последовательными ступенями в пределах от 0,1 0,2 мм рт. ст. до полной остановки стрелки на предельном делении шкалы прибора 2; производится параллельная запись показаний компрессионного манометра и показаний прибора 2. При этом каждая точка снимается после выдержки, достаточной для установления стабильных значений температуры нити и давления газа. Полученные цифры позволяют вычертить градуировочную кривую, имеющую для манометра сопротивления вид, приведенный на рис. 6-15 и 6-16.

Вместо градуировки и работы im анометр а сопротивления при постоянном токе нагрева 1Н можно тот же манометр использовать при постоянном напряжении, подаваемом к точкам М и N, для чего, конечно, требуется специальная градуировка манометра. Однако если при работе манометра поддерживать постоянным именно ток нагрева, а не напряжение в точках М и N, то манометр выигрывает в чувствительности.

Манометр сопротивления с манометрической лампой в виде капилляра. Манометром сопротивления можно охватить диапазон давлений до нескольких миллиметров ртутного столба, если применить манометрическую лампу в виде Таким образом, потеря тепла нагретой нитью манометрической лампы происходит не только путем теплопроводности газа, но дополнительно еще двумя путями. Так как в основе работы манометра лежит потеря тепла нитью через теплопроводность газа, которая зависит от его давления, то для чувствительности манометра весьмаважно, чтобы другие два слагаемых р2 и р3, не связанные с изменением давления газа, играли, по возможности, меньшую роль; они являются только помехой для чувствительности манометра.

Конструкция манометрической лампы такого манометра показана на рис. 6-19. При измерении давления нить поддерживается при постоянной температуре (около 70° С); это значит, что сопротивление нити лампы остается также постоянным и мостик при любом давлении сохраняет равновесие. Давление же измеряется миллиамперметром, включенным в цепь питания мостика. Описываемый манометр может работать в диапазоне 1 • 102—15 мм рт. ст.; его следует считать весьма полезным, так как им можно поль-

Чувствительность манометра сопротивления. Составим уравнение энергетического баланса нити манометрической лампы. Представим себе, что в вакуумной системе и, следовательно, манометрической лампе поддерживается определенное постоянное давление. При неизменном давлении температура нити Т и ее сопротивление примут определенные, установившиеся значения, когда между мощностями, получаемой нитью от батареи и теряемой ею при нагреве, устанавливается равновесие. На основе этого равновесия можно составить следующее уравнение:

В связи с этим для чувствительности теплового манометра не безразлично, до какой температуры нагревается нить манометрической лампы при измерении давления.

Если требуется, чтобы тепловой манометр обладал высокой чувствительностью при низких давлениях, когда теплопроводность газа становится очень малой, то, очевидно, необходимо, чтобы температура нити была достаточно низка (для снижения Г4); по этой причине у всех описанных выше манометров сопротивления температура нити лампы не превышает 150° С.

Чувствительность теплового манометра можно продвинуть далее в сторону более низких давлений, если, сохраняя температуру нити достаточно низкой, увеличить теплопроводность газа путем увеличения разности температур нити и колбы, применяя специальное охлаждение последней.

Обратно, чтобы поднять верхний (по давлению) предел применимости теплового манометра обычных размеров, выгодно измерение проводить при более высокой температуре нити, так как и без того большая при больших давлениях теплопроводность газа увеличивается за счет увеличения разности температур нити и колбы.

Манометр сопротивления с нитью манометрической лампы, нагреваемой до высокой температуры. Рассмотрим конструкцию манометра сопротивления, верхний предел чувствительности которого благодаря высокой температуре нити повышается до 50 60 мм рт. ст. (без применения капиллярной манометрической лампы).

На рис. 6-20 и 6-21 изображены соответственно манометрическая лампа и измерительная схема такого манометра. Лампа манометра включается прямо в цепь батареи £i (мостик отсутствует); ток через нить можно регулировать реостатом R. Если бы не было дополнительной батареи Е2, ток, проходящий через нить, проходил бы и через миллиамперметр (ма), но благодаря наличию батареи Е2 и реостата R2 показания миллиамперметра частично или полностью компенсируются, и он показывает лишь разность идущих через него токов от батарей Ех и Е2.

Температура нити поддерживается при измерении постоянной и равной 450° С, что соответствует едва заметному на глаз калению нити. Очевидно, если давление в лампе изменится, например понизится, то соответствующим образом должен быть изменен (уменьшен) и ток через нить, чтобы ее температура сохранялась неизменной, а это уменьшение тока через нить тотчас же отразится на разности токов, иоказываемой миллиамперметром.

На рис. 6-22 приведена градуировочная кривая описываемого манометра. Нагрев нить до едва заметного на глаз каления (450° С) и скомпенсировав (до нуля) показания миллиамперметра при давлении в вакуумной системе, равном 200 мм рт. ст., мы получим первую (исходную) точку градуировочной кривой; далее, поддерживая температуру нити (450°С), снижаем давление, и, записывая разность токов, показываемую миллиамперметром, при разных давлениях, мы, очевидно, получим остальные точки, необходимые для построения градуировочной кривой.



Термопарный манометр. Большое распространение получил второй вид теплового манометра — термопарный.

Манометрическая лампа представляет собой стеклянный баллон с трубкой для присоединения к вакуумной системе (рис. Ь-23). В баллоне на двух вводах смонтирован подогреватель 3, к двум другим вводам приварена термопара 4, спай которой, в свою очередь, приварен к подогревателю (в точке Д). Измерительная часть манометра состоит из источника переменного или постоянного тока 5, реостата 6 и двух электроизмерительных приборов. Подогреватель нагревается током, который можно, регулировать реостатом и измерять миллиамперметром 1. Спай термопары, нагреваемый от подогревателя, является источником термо-э. д. с., значение которой показывает милливольтметр 2.

До откачки вакуумной системы, т. е. пока давление в ней равно атмосферному, стрелка милливольтметра стоит вблизи нуля.

Далее совершенно аналогично тому, как это происходит в случае манометра сопротивления, стрелка милливольтметра по мере откачки системы при среднем вакууме начинает передвигаться по шкале; передвижение продолжается и при высоком вакууме, но когда давление понизится настолько, что теплопроводность газа станет очень малой, стрелка милливольтметра остановится на предельном давлении; в этот момент потеря тепла подогревателем и термопарой обусловливается практически только теплопроводностью и излучением самих проволок.

Так же как и в случае манометра сопротивления, при всех измерениях поддерживается установленный ток нагрева; причем, если величина его подобрана правильно, то передвижение стрелки милливольтметра прекращается на делении шкалы, соответствующем термо-э. д. с., указанной для невскрытой манометрической лампы в ее паспорте, например, 10 мв.

Потребителям термопарных манометров градуировкой их заниматься не приходится, так как к каждому экземпляру манометрической лампы завод-изготовитель прилагает усредненную (общую для всех манометрических ламп данного типа) градуировочную кривую, снятую для сухого воздуха. Пользование усредненной градуировочной кривой возможно благодаря тщательному соблюдению технологии при изготовлении манометрических ламп; что касается при- • менения градуировочной кривой, снятой для воздуха, к измерению давления газов, отличающихся от воздуха, то полу-.-чающиеся при этом ошибки при обычной практической ра- боте не имеют большого значения.

На долю потребителя остается лишь подбор тока нагрева подогревателя.

Подбор тока нагрева подогревателя. Выше отмечалось, что операция подбора тока нагрева подогревателя манометрической лампы термопарного манометра проводится до ее вскрытия и присоединения к вакуумной системе. Поскольку эта операция лежит на ответственности потребителя и в то же время имеет очень важное значение для правильного измерения давления, необходимо рассмотреть ее более подробно.

Возможность определения тока нагрева до вскрытия манометрической лампы предоставляет то большое удобство, что позволяет приступить к использованию новой манометрической лампы непосредственно после ее присоединения к вакуумной системе, не прибегая к предварительной градуировке.

Однако если вакуумная система, к которой присоединяется новая манометрическая лампа, позволяет получать вакуум не хуже 1 • 104 мм рт. ст., то определение тока нагрева лучше проводить после припайки лампы на самом рабочем месте. Как показывает опыт работы а термопарными манометрами, ток нагрева, подобранный гю еще не вскрытой лампе, может иногда оказаться несколько большим по сравнению с током нагрева той же лампы, определенным при давлении в вакуумной системе, не превышающем 1 • 104 мм рт. ст. Такое расхождение получается при недостаточно хорошем, вакууме, который может оказаться в запаянной манометрической лампе и который заставляет для нагрева термопары до требуемой термо-э. д. с. (10 мв) пропускать через нее соответственно больший ток.

При практической работе с термопарными манометрами необходимо также периодически проверять определенный в начале работы ток нагрева манометрической лампы, который, к сожалению, может меняться с течением времени; причина неустойчивости тока нагрева кроется в загрязнении поверхности подогревателя, вследствие чего нарушается его теплообмен с окружающими газами (то же происходит и с поверхностью нити манометра сопротивления).

Определение термопарным манометром давлений различных газов и их смесей известного состава по градуировочной кривой для воздуха. Когда требуется более точное определение давления с учетом состава газов в вакуумной системе, градуировочная кривая, снятая для воздуха, может оказаться неудовлетворительной. Однако и для этого слу-

Коэффициент дг характеризует собой по существу теплопроводность газа, поэтому, как видно из табл. 6-2, значения 7,, относящиеся к газам (парам) с одинаковым числом атомов в молекуле, возрастают с возрастанием молекулярного веса.

В случае смеси газов с известным объемно-процентным содержанием /г отдельных составляющих (г = 1, 2, п) пе-ресчетный коэффициент дсм можно подсчитать из соотношения, если состав газов известен, можно пользоваться кривой для воздуха, но с соответствующим пересчетом.

Возможность такого пересчета основана на том, что градуировочные кривые для различных газов подобны друг другу. Если определенным значениям термо-э. д. с. в случае воздуха соответствуют давления р , рв и т. д., то для любого другого газа этим же значениям термо-э. д. с. соответствуют пропорциональные значения давлений рг, р и т. д.

Наиболее вероятные значения пересчетных коэффициентов дг для некоторых газов и паров, давления которых определяются термопарным манометром с датчиком ЛТ2, приведены в табл. 6-2.

Таблица 6-2

Промышленные типы термопарных манометров. Наша промышленность выпускает термопарные манометры отдельно или ® комбинации с рассматриваемыми ниже ионизационными манометрами. В качестве отдельного термопарного манометра можно указать манометр ВТ-2, общий вид которого1 показан на рис. 6-30,а.

В качестве датчиков служат манометрические лампы типа ЛТ-2 (стеклянная) и ЛТ-4М (металлическая). Измерительная часть позволяет измерять термо-э. д. с. в двух поддиапазонах давлений: 1) 103 2 • 10-1 мм рт. ст. и

2) 2 • 10 мм рт. ст. 1 мм рт. ст.

Второй поддиапазон осуществляется путем переключения подогревателя на больший ток нагрева (на более высокую температуру).

Единственный электроизмерительный прибор можно переключать на измерение термо-э. д. с. (до 10 мв) и на измерение тока нагрева подогревателя. Этим прибор ВТ-2 отличается от ранее выпускавшихся термопарных манометров УТВ-46 п УТВ-49, имевших отдельные милливольтметр и миллиамперметр.

Особенности тепловых манометров. Достоинством тепловых манометров является их. применимость ко всем газам и парам, возможность непрерывного наблюдения за изменением давления в вакуумной системе, простота изготовления.

К числу недостатков следует отнести зависимость их показаний от рода газа, а также наличие тепловой инерции, вследствие которой при быстром изменении давления нить манометра сопротивления или подогреватель термопарного манометра не успевают менять свою температуру до значения, соответствующего градуировке, и манометр со своими показаниями запаздывает. Для уменьшения тепловой инерции выгодно брать тонкие проволоки как для нитей, так и для подогревателей, что совпадает с требованием их малой теплопроводности.

Leave A Reply