1.4.3. Термопарний манометр

Термопарний манометр, або, як його часто називають, термопарний вакуумметр, широко застосовується в вакуумній техніці. Він складається з двох частин: перетворювача, який приєднується до вакуумної системи, в якій вимірюється тиск, та переносного електричного вимірювального блоку. Перетворювач виконує функції датчика, а за допомогою блока встановлюється режим роботи перетворювача та вимірюється термо-е.р.с. термопари.

На рис. 1.4 показано будову лампи ЛТ-2 та принципова електрична схема вимірювального блоку.

Рис. 1.4. Термопарний манометр та спрощена схема вимірювального блоку

Манометрична лампа складається з скляного або металевого балона 1, всередині якого розміщені нитка розжарення 2 (підігрівач) у вигляді тонкої платинової стрічки або дротинки, та термопара 3. Як матеріал термопари, як правило, використовують наступні пари металів: платина -платинородій (95% Pt + 5% Rh), хромель (85% Ni + 15% Cr) – алюмель (94% Ni + 2.5% Mg + 0.5% Fe + 2% Al + 1% Si), мідь – константан (45% Ni + 55% Cu) та інші. Термопару приварено до середньої частини нитки розжарення, завдяки чому між ними існує досить добрий тепловий контакт. За допомогою трубки 9 лампа _______приварюється до вакуумної системи, де вимірюється тиск.

Нитка нагрівається струмом від джерела 5, який можна регулювати реостатом 6 та вимірювати за допомогою міліамперметра 7. Спай термопари, який нагрівається підігрівачем, є джерелом термо-е.р.с., значення якої показує мілівольтметр 4.

Принцип дії датчика базується на реєстрації термопарою зміни температури нитки, яка викликана зміною тиску газу.

Про зміну температури нитки судять за показами мілівольтметра 4, який вимірює термо-е.р.с.

Термопарний манометр – це не абсолютний манометр і його доводиться градуювати, порівнюючи з іншим, наприклад, з компресійним.

Градуювання відбувається таким чином. Вакуумна система, з якою з’єднано датчик, відкачується до високого вакууму (~10^-4 мм рт. ст.) і реостатом 6 встановлюється величина робочого струму розжарення нитки 2, що відповідає 10 мВ термо-е.р.с. термопари 3 (для ЛТ-2). При цьому втрати тепла підігрівачем та термопарою завдяки малій теплопровідності газу будуть обумовлені лише тепловим випромінюванням (~63%) та теплопровідністю вводів (37%). Отримана величина струму розжарення фіксується міліамперметром 7 і підтримується сталою як при зніманні градуювальних відліків, в ході яких встановлюється зв’язок між тиском та величиною термо-е.р.с., так і в процесі подальших вимірювань. Градуювання за показами компресійного манометра необхідно проводити з застосуванням виморожуючих уловлювачів.

Побудова градуювальної кривої виконується в напівлогарифмічному масштабі, причому логарифмічний масштаб використовується для тиску, а лінійний – для термо-е.р.с. термопари.

На рис. 1.5 наведено градуювальну криву (для повітря) термопарного манометра з манометричною лампою ЛТ-2.

Рис. 1.5. Градуювальна крива термопарного манометра для сухого повітря

З кривої видно, що вимірювання тисків можна робити з достатньою точністю лише в порівняно вузькому діапазоні тисків від 5*10^-1 до 10^-3 мм рт. ст.

При вимірюванні тисків за цими межами чутливість манометра істотно падає і його покази стають неточними. Чутливість манометра особливо різко падає в області високого вакууму при р < 10^-3 мм рт. ст. Так, при зміні тиску в діапазоні 10^-3 – 10^-4 мм рт. ст. покази мілівольтметра змінюються всього лише на 0.3 мВ, що складає 3% від усієї шкали приладу.

Рис. 1.6. Градуювальні криві термопарного манометра для різних газів

З числа інших недоліків термопарного манометра слід відзначити його інерційність. Внаслідок наявності відомої теплоємності нитки розжарення (беручи до уваги й її з’єднання з термопарою) при зміні тиску газу новий температурний режим нитки встановлюється не одразу. Як правило, для цього потрібен час 15 – 20 с. Таким чином, швидкі процеси термопарним манометром реєструватися не можуть.

Як зазначалося вище, покази термопарного манометра залежать від роду газу. На рис. 1.6 наведено градуювальні криві термопарного манометра для різних газів.