热传导真空计的工作原理

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  热传导真空计是根据在低压力下(λ ≥ d),气体分子热传导与压力有关的原理制成的。其原理图如图4-1所示。它是在一玻璃管壳中由边杆支撑一根热丝,热丝通以电流加热,使其温度高于周围气体和管壳的温度,于是在热丝和管壳之间产生热传导。当达到热平衡时,热丝的温度决定于气体热传导,因而也就决定于气体压力。如果预先进行了校准,则可用热丝的温度或其相关量来指示气体的压力。

热传导真空计原理图

图4-1 热传导真空计原理图

1、热传导真空计的热量散失

  (1)热丝引线热传导的热量散失

  若热丝中部最高温度等于加热温度为T1,引线及管壁温度等于环境温度为T2,热丝两端的三分之一部分具有均匀的温度梯度为3(T1-T2)/L,则热丝引线单位时间热传导散失的热量QL为

热传导真空计的工作原理

  (2)热丝热辐射的热量散失

  根据斯蒂芬—波尔兹曼定律,热丝单位时间热辐射散失的热量Qr为

热传导真空计的工作原理

  (3)气体分子热侍导的热量散失

  根据气体热传导理论,在低压力下(分子流状态),气体分子单位时间热传导散失的热量Qg为

热传导真空计的工作原理

  根据热平衡定律,当达到热平衡时,在不存在对流的情况下,热丝通电单位时间产生的总热热量Q应等于热丝引线热传导散失的热量QL、热丝热辐射散失的热量Qr及气体分子热传导散失的热量Qg三者之总和,即

热传导真空计的工作原理

  不难看出,式(4-5)中右边第一项(QL)和第二项(Qr)与气体压力无关,仅第三项与气体压力有关,在一定的范围内与压力成正比。

  热传导量Q与压力p的关系如图4-2所示。当规管尺寸、热丝温度T1和管壁温度T2为一定值时,式(4-5)可简化为

热传导真空计的工作原理

热传导量Q与压力p的关系

图4-2 热传导量Q与压力p的关系

  式(4-6)表明,当K1《K2p时,即QL+Qr《Qg时,总的热量散失Q只与压力p有关,也即Q与Qg有关。它表明,在一定的加热条件下,可根据低压力下气体分子热传导,即气体分子对热丝的冷却能力作为压力的指示。这就是热传导真空计的基本工作原理

2、热丝温度的测量方法

  热传导真空计规管热丝的温度T1是压力p的函数(见图4-2所示),即T1=f(p)。如果预先测出这个函数关系,便可根据热丝的温度T1来确定p。热丝温度的测量方法,有以下三种:

  (1)利用热丝随温度变化的线膨胀性质;

  (2)利用热电偶直接测量热丝的温度变化;

  (3)利用热丝电阻随温度变化的性质。

  根据第一种测温方法制成的真空计称膨胀式真空计。最简单的膨胀式真空计是采用温度系数大的铂铱合金做敏感元件,在其中间连接一标准弹簧,用以测定热丝的受热线膨胀量。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为比较实用的膨胀式真空计是采用平面螺旋式双金属带、圆柱螺旋式双金属带和平面双金属片作敏感元件,利用其自由端的转动或摆动来确定热丝的温度变化。由于这种方法的测量误差较大和使用不够方便,现在已很少使用。根据第二种测温方法制成的真空计称热电偶真空计。根据第三种测温方法制成的真空计称电阻真空计,在电阻真空计中也有用热敏电阻代替金属热丝的,此种真空计称热敏电阻真空计。其灵敏度较高,但稳定性较差。

  热偶真空计和电阻真空计是目前粗真空和低真空测量中用得最多的两种真空计。

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