2.7.Тепловые методы измерения вакуума

Теплопроводность газа. Состояние газа при давлении ниже атмосферного называется вакуумом. В свою очередь вакуум делится на низкий 0-10^-3 мм.рт.ст., средний, высокий - свыше 10^-6 мм.рт.ст. Средняя длина свободного пробега молекул газа зависит от давления и при при давлении 10^-6 мм.рт.ст. этот параметр возрастает до 50м, что много больше размеров датчиков приборов, которыми измеряют вакуум. Теплопроводность газа зависит от сорта газа и условий, в которых находится газ: , где: - плотность газа; – средняя скорость молекул, - средняя длина свободного пробега молекул; - теплоемкость газа при постоянном объеме.

На зависимости теплопроводности газа от давления основано действие тепловых методов измерения вакуума. В случае низкого вакуума, несмотря на то, что количество переносчиков тепла изменяется пропорционально давлению, теплопроводность газа от давления не зависит. Причиной этого являются взаимные столкновения молекул в пространстве между пластинами. Чем выше давление, тем, с одной стороны, больше переносчиков тепла (выше плотность), но, с другой — тем больше тепла, переносимого каждой отдельной молекулой, теряется вследствие более частых столкновений со встречными молекулами, так как средняя длина свободного пробега мала. Наоборот, с понижением давления количество переносчиков тепла уменьшается, но одновременно уменьшаются и потери тепла при столкновениях, так как последние становятся реже. В условиях среднего вакуума (10^-1 -10^-3 мм.рт. ст.), когда средняя длина свободного пути молекул газа не слишком сильно отличается от расстояния между пластинами, теплопроводность газа в некоторой степени зависит от давления, т.к. преобладающим фактором является уменьшение плотности с уменьшением давления. При дальнейшем понижении давления молекул становится настолько мало, что передача тепла от нагретого тела передается другими способами – за счет теплого излучения и теплопроводности через конструктивные элементы. Эта зависимость теплопроводности газа от давления изображена на рис.2.20 сплошной линией. Таким образом, существует диапазон давлений, в котором теплопроводность практически линейно зависит от давления.

Тепловые манометры. Типичным манометром для измерения вакуума в диапазоне 10^-1 -10^-3 мм.рт. ст. является манометр сопротивления (Пирани). Тонкая металлическая нить впаяна в цилиндрическую манометрическую лампу (рис.2.21), диаметр которой много больше диаметра нити. Через нить пропускается ток, который нагревает нить. Подводимая мощность расходуется путем теплового излучения, путем теплопроводности и отвода по проволоке к выводам. В диапазоне давлений, где теплопроводность зависит от давления температура, а следовательно, и сопротивление зависят от давления. Сопротивление измеряется мостом Уинстона. Показания манометра зависят от рода газа. Чувствительность определяется температурным коэффициентом проволоки. Большей частью применяется платина, вольфрам или молибден толщиной 30 мк.

Другим манометром, использующим зависимость теплопроводности газа от давления, является термопарный манометр, в котором измеряется не сопротивление проволоки, а термоЭДС, которая зависит от температуры спая, в свою очередь, температура спая также зависит от теплопроводности газа. т.е. от давления.