Лабораторная работа №1 термопарный вакуумметр

ТЕРМОПАРНЫЙ ВАКУУММЕТР

Термопарный вакуумметр предназначен для измерения давлений в диапазоне 10⁵ ... 10⁴ Па (10³ ...10³ мм рт.ст.). Термопарные вакуумметры содержат в своем обозначении букву Т, например ВТ-2А, ВТ-3 и т.д. (буква В обозначает вакуумметр, а цифра ― порядковый номер разработки вакуумметра). Конструктивно вакуумметр выполнен в виде двух частей: манометрического преобразователя и измерительного блока. Манометрический преобразователь соединен с вакуумной системой с помощью трубопровода, а с измерительным блоком посредством электрического кабеля.

Термопарный вакуумметр ― прибор косвенного действия о величине давления судят по температуре нити накала преобразователя, помещенной в газ.

Конструктивно манометрический преобразователь представляет собой баллон, внутри которого натянута нить накала и находится термопара, контактирующая с этой нитью. Для нагрева нити через нее пропускают электрический ток.

Измерительный блок содержит источник питания нити накала и приборы для измерения тока накала и термоЭДС. По величине термоЭДС судят о температуре нити накала.

Принцип действия манометрического преобразователя основан на зависимости теплопередачи через газ от его давления. В области давлений, при которых средняя длина свободного пробега молекул газа меньше поперечных размеров баллона преобразователя, теплопроводность газа прямо пропорциональна давлению, а температура нити накала обратно пропорциональна давлению газа из-за охлаждающего действия газа на нить. Баланс мощности для нити накала

где Q_мет ― мощность теплоотвода вдоль металла нити к ее держателям; Q_л ― мощность, отводимая лучеиспусканием; Q_г ― мощность, передаваемая за счет теплопроводности газа.

Преобразователь используется при давлениях, когда наиболее существен вклад последней составляющей Q_г балансе мощности,

При измерении давления совершенно не обязательно измерять температуру нити накала в градусах. Обычно используют градуировочные кривые, связывающие давление газа с термоЭДС и электрическим режимом нити накала.

Узнать температуру нити можно, используя характеристику термопары хромель-копель, которая применяется в преобразователе типа ПМТ-2:

Температура спая термопары, °С	10	20	50	100	150
ТермоЭДС, мВ	0,646	1,303	3,350	6,898	10,624

Сплав хромель содержит 10% хрома, 1% кобальта, остальное ― никель. Сплав копель содержит 40% никеля, 2% кобальта, 1% марганца, остальное   медь.
Описание лабораторной установки

Лабораторная установка выполнена в виде одного блока, содержащего вакуумные макеты с генераторами водорода, источник питания и термопарный вакуумметр.

Вакуумный макет изготовлен из стекла и конструктивно совмещен с термопарным манометрическим преобразователем ПМТ-2 (Рис 1. 1.). Внутри стеклянной оболочки макета содержится гидрид-титановый генератор водорода. Для нагрева генератора внутри него расположен подогреватель, выводы которого соединяются с внешней цепью. Для измерения температуры генератора водорода предусмотрена термопара, выводы которой также выходят наружу через оболочку.

Рис 1. 1. Конструкция вакуумных макетов.

Генератор водорода работает следующим образом. При подаче на подогреватель напряжения генератор нагревается до высокой температуры (свыше 100°С). Гидрид титана, из порошка которого спрессован генератор, разлагается с образованием титана и свободного водорода. Водород выделяется во внутренний объем макета и, естественно, попадает в манометрический преобразователь. Чем сильнее нагрет генератор, тем выше давление водорода в макете. Таким образом, регулируя напряжение на подогревателе, мы тем самым изменяем давление водорода в преобразователе. Причем каждой температуре (или мощности накала) подогревателя в установившемся режиме соответствует свое давление. При выключении подогревателя или уменьшении мощности накала, когда снижается температура генератора, титан снова вступает в химическую реакцию с водородом с образованием гидрида титана (Ti-H), давление водорода падает. При комнатной температуре весь водород поглощен генератором, а внутри макета содержатся остаточные газы при давлении Р<10^-2 Па (10^-4 мм рт.ст.).

Передняя панель лабораторной установки изображена на рис 1.2.

Рис. 1.2 Передняя панель лабораторной установки.

В правой части установки размещен вакуумметр типа ВТ-2А (перемонтированный из промышленного корпуса).

В левой части установки размещены измерительные приборы и ручки управления режимов генератора водорода.

Тумблер "Сеть" предназначен для включения установки. При этом на верхней части панели загорается сигнальная лампочка, а внутри установки начинает работать вентилятор, предназначенный для охлаждения макетов и установки.

Переключатель "Макет" предназначен для выбора любого из пяти макетов, размещенных внутри установки. Все макеты видны через прозрачную крышку установки. Около выбранного макета загорается красная сигнальная лампочка. Номер макета, с которым проводятся измерения, сообщается преподавателем перед началом проведения лабораторных занятий.

Для измерения напряжения, подаваемого на подогреватель генератора водорода, используется стрелочный вольтметр "Накал генератора". Регулировка напряжения, подаваемого на подогреватель, осуществляется с помощью ручки "Рег. накала генератора". В крайнем левом положений "0" на подогреватель напряжение не подается.

Для измерения ЭДС термопары, контактирующей с генератором водорода, используется стрелочный прибор "ТермоЭДС". Для его включения необходимо тумблер "ТермоЭДС" перевести в положение "Вкл.". Использование этого прибора при выполнении работы необязательно.

Электрическая схема установки, включая вакуумметр, изображена на рис. 1.3.


Рис. 1.3. Электрическая схема установки.

Феррорезонансный стабилизатор напряжения, состоящий из трансформатора Тр1, конденсатора С1 и сопротивления R13 предназначен для получения стабильного напряжения на выводах обмоток. Это напряжение выпрямляется с помощью выпрямителя Д1-Д4 и емкостного фильтра С2. Для дополнительной стабилизации напряжения используется кремниевый стабилизатор Д5-Д8.

Стабилизированное постоянное напряжение через балластные сопротивления R20-R15-R16-R17 подается на нить накала термопарного манометрического преобразователя. Величина балластного сопротивления намного больше сопротивления нити накала, поэтому при изменении ее сопротивления ток накала не меняется. Эта схема обеспечивает работу преобразователя в режиме постоянного тока накала.

Регулировка тока накала осуществляется потенциометром R16, выведенным на переднюю панель и имеющим обозначение "Рег. накала".

Для переключения диапазона давлений используется переключатель S4 "1...0,2" – "0,2...0,001" (единицы измерений ― мм рт.ст.). В первом диапазоне ток накала должен быть больше, поэтому балластное cопротивление уменьшается (закорачиванием сопротивления R15 и включением сопротивления R18 параллельно R16, R17). В данной работе используется диапазон 0,2...0,001.

Для измерения ЭДС термопары преобразователя и тока накала используется прибор Р1 "Вакуумметр". В положении переключателя S4 "Давление ― ток накала" ― прибор через сопротивление R19 подключен к выводам термопары преобразователя. На приборе P1 имеется шкала на 10 милливольт, по которой производится отсчет термоЭДС.

В положении "Ток накала" прибор измеряет ток, протекающий через нить накала. Для измерения тока используется шунт R20 добавочные сопротивления R21 и R22. В диапазоне 0,2...0,001 сопротивление R21 закорочено, а вся нижняя шкала прибора P1 равна 150 мА. В диапазоне 1...0,2 показания по нижней шкале нужно умножить на 2 для определения правильного значения тока накала.

Переключатель S1 "Макет" предназначен для переключения всех выводов вакуумных макетов. Одновременно переключаются сигнальные лампочки V1 ― V5 для индикации включенных вакуумных макетов.

Для подачи напряжения на подогреватель генератора водорода используется понижающий трансформатор Тр2 и ступенчатый регулятор напряжения R1 R12 на основе переключателя S2. Вольтметр РЗ "Накал генератора" служит для измерения напряжения на подогревателе генератора водорода.

Прибор Р2 "ТермоЭДС" предназначен для измерения ЭДС термопар, контактирующих с генератором водорода.

В комплект оборудования, необходимого для выполнения данной лабораторной работы, кроме описанной установки входят промышленный вакуумметр ВИТ-2 с преобразователями ПМТ-2 и ПМТ-4М.

Инструкция по обслуживанию вакуумметра, входящего в лабораторную установку.

В вакуумметре типа ВТ-2А манометрический преобразователь работает в режиме постоянного тока накала, т.е. схема вакуумметра обеспечивает постоянство тока накала независимо от давления газа в преобразователе.

Вакуумметр измеряет давление в двух диапазонах: 0,2...0,001 и 1…0,2 мм рт.ст. Для каждого диапазона используются различные методики определения рабочего тока и стандартные градуировочные кривые, связывающие ЭДС термопары с давлением водорода.

Измерения в диапазоне 0,2 0,001 мм рт.ст. Перед градуировкой преобразователя ПМТ-2 следует убедиться, что подогреватель генератора водорода выключен, а сам генератор находится при комнатной температуре (ручка "Рег" накала генератора и стрелка прибора "ТермоЭДС' должны находиться на нулевой отметке). Необходимо учитывать, что выключенный генератор остывает не менее 15 мин и за это время поглощает весь газ в макете. Если генератор водорода находится при комнатной температуре давление газа в вакуумных макетах и преобразователе ПМТ-2 меньше 10^-4 мм рт.ст.

Переключатель "Давление ― ток накала" следует перевести в положение "Давление" и путем вращения ручки "Рег. накала" установить значение термоЭДС 10 мВ (на конец шкалы). Из-за тепловой инерционности преобразователя ток накала следует изменять медленно, а значение термоЭДС отсчитывать только тогда, когда стрелка прибора займет устойчивое положение.

Переключатель "Давление ― ток накала" перевести в положение "Ток накала" и по нижней шкале измерить рабочий ток преобразователя. При измерениях в диапазоне 0,2...0,001 мм рт.ст. необходимо поддерживать неизменным данный ток (не трогать ручку "Рег. накала"). В этом случае можно использовать стандартную градуировочную кривую 2 (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Градуировочные кривые преобразователя ПМТ-2

Стандартные градуировочные кривые рассчитаны на сухой воздух. Для пересчета давления, определенного для воздуха, в давление для водорода нужно величину, определенную по градуировочной кривой для воздуха, умножить на 0,67, т.е .

В макете устанавливается давление водорода 0,2 мм рт.ст. с помощью вакуумметра, включенного на диапазон 0,2…0,001 (давление водорода 0,2 мм рт.ст. соответствует давлению воздуха =0,3 мм рт.ст. и термоЭДС 0,7 мВ по градуировочной кривой 2 (рис. 1.4).

Затем вакуумметр переключают на диапазон 1…0,2 и, регулируя ток накала, устанавливают значение термоЭДС, соответствующее давлению водорода 0,2 мм рт.ст. по градуировочной кривой 3 (рис. 1.4). (При определении значения термоЭДС по кривой 3 не следует забывать о пересчетном коэффициенте для водорода).

Переключив прибор вакуумметра на измерение тока накала, можно определить его искомое значение, умножив показания нижней шкалы прибора, на два. Полученное значение тока накала является рабочим для измерения в диапазоне 1...0,2 мм рт.ст. по градуировочной кривой 3 (см. рис. 1.4).

1. 
   Ознакомиться с данной инструкцией по лабораторной работе.
   
2. 
   Ознакомиться и усвоить содержание разделов "Методы измерения давления разреженных газов" и "Тепловые вакуумметры" [4].
   
3. 
   Пересчитать для водорода градуировочную кривую 2 (см. рис. 1.4). Новые кривые привести в отчете.
   
4. 
   Изучить по макетам, выданным преподавателем, конструкцию промышленных манометрических преобразователей, определить назначение каждой детали манометрических преобразователей. Уяснить работу манометрического преобразователя. В отчете сделать эскиз преобразователя ПМТ-2.
   
5. 
   Ознакомиться с электрическими схемами термопарных вакуумметров и изучить с помощью инструкций их работу. Начертить в отчете схему включения термопарного преобразователя ПМТ-2.
   
6. 
   Определить рабочий ток откачанного и запаянного на заводе преобразователя ПМТ-2 для измерений методом постоянного тока накала. Для определения рабочего тока использовать преобразователи, выдаваемые лаборантом. Измерение рабочего тока производится с помощью промышленного вакуумметра. Методика определения рабочего тока приведена в инструкциях к промышленному вакуумметру (приложение). Результаты измерений записать в отчете.
   
7. 
   Подготовить к работе лабораторную установку.
   
   1. 
      По данной инструкции уяснить ее устройство и особенности эксплуатации.
      
   2. 
      Проверить заземление установки. Оно должно бить подключено к клемме на задней панели установки.
      
   3. 
      Все тумблеры должны находиться в выключенном положений, а регуляторы тока накала вакуумметра и подогревателя генератора водорода ― в крайнем левом положений. Переключатель диапазона давлений вакуумметра должен находиться в положений "0,2...0,001".
      

1. 
   Переключатель "Макет" установить в положение, заданное преподавателем.
   
2. 
   Включить тумблер "Сеть" и установить с помощью ручки "Рег. накала генератора" заданное преподавателем напряжение на подогревателе генератора водорода. Выждать 5...10 мин, пока не установится давление водорода в макете.
   
3. 
   Установить поочередно в десяти различных значениях тока накала преобразователя в пределах 80...150 мА и измерить соответствующие величины ЭДС термопары преобразователя.
   

8.4. Повторить измерения зависимости при другом значении напряжения на подогревателе генератора водорода, заданном преподавателем.

8.5. Данные измерений записать в таблице отчета:

Uг.в.=……В макет №
Iн, мА
Ет, мВ
Uг.в.=......В
Iн, мА
Ет, мВ

В отчете построить зависимости . Объяснить результаты измерений.

8.6. Установить ручку "Рег. накала генератора" в крайнее левое положение "0". Выключить тумблер "Сеть".

9. Произвести градуировку генератора водорода по давлению с помощью термопарного вакуумметра.

1. 
   Перед включением установки убедиться в том, что ручка "Рег. Накала генератора" находится в крайнем левом положений "0".
   
2. 
   Переключатель "Макет" установить в положение, заданное преподавателем.
   
3. 
   Включить тумблер "Сеть" и определить рабочий ток преобразователя ПМТ-2 для работы в диапазоне 0,2...0,001 мм рт.ст., как описано в "Инструкции по обслуживанию вакуумметра, входящего в лабораторную установку".
   

9.4. Измерить давление водорода в диапазоне 0,2...0,001 мм рт.ст. во всем возможном диапазоне изменения напряжения на генераторе водорода. При переводе значений термоЭДС в давление водорода следует пользоваться градуировочной кривой для водорода.

В диапазоне напряжений 0...4 В напряжение на генераторе водорода изменять через 1 В, в диапазоне 4...6 В ― через 0,5 В.

9.5. Результаты измерений занести в отчет в виде таблицы:

Макет №…… Рабочий ток преобразователя   ……мА
Uг.в., В
Ет, мВ
, мм рт.ст.

Построить в отчете зависимость .

10. После окончания работы ручки "Рег. накала генератора" и "Рег. накала" поставить в крайнее левое положение, тумблеры "Сеть" и "ТермоЭДС" поставить в выключенное положение.

1. Название и цель лабораторной работы.

2. Порядок выполнения работы.

3. Градуировочные кривые 2 и3 (рис. 4), пересчитанные для водорода.

4. Эскиз манометрического термопарного преобразователя ПМТ-2 с обозначением его основных деталей.

5. Схема включения термопарного преобразователя.

6. Измеренные величины рабочих токов преобразователей ПМТ-2, выданных лабора­нтом.

7. Таблицы с результатами измерений и графики с семействами кривых ; .

8. Выводы по работе о достоинствах и недостатках термопарных вакуумметров.

ВНИМАНИЕ! Пп. 1-3 отчета подготовить заранее, до начала выполнения лабораторной работы. Также заранее в отчетах начертить таблицы для записи результатов измерений.
Контрольные вопросы.

1. В каких единицах измеряется вакуум?

2. Классификация вакуумметров. Диапазоны давлений, измеряемых различными типами вакуумметров.

3. Принцип действия тепловых вакуумметров. Чем отличаются вакуумметры сопротивления от термопарных вакуумметров?

4. Почему показания тепловых вакуумметров зависят от рода газа?

5. Напишите баланс мощности теплового вакуумметра.

6. Какие меры применяются для повышения чувствительности тепловых вакуумметров?

7. Какие факторы определяют границы рабочего диапазона тепловых вакуумметров?

8. Объясните принцип действия термопарного вакуумметра.

9. Какие режимы работы термопарных манометрических преобразователей используются для измерения давлений?

10. Нарисуйте схему включения термопарного преобразователя.

11. Объясните ход зависимости при различных значениях давления газа.

12. С какой целью и для какого режима работы определяется рабочий ток манометрического преобразователя?

13. С какой целью и для какого режима работы определяется рабочее значение термоЭДС преобразователя?

14. Как производится определение рабочего тока преобразователя?

15. Как производится определение рабочего значения термоЭДС преобразователя?

16. Почему при работе на повышенных давлениях рабочий ток преобразователя больше?

17. Почему можно пользоваться стандартными градуировочными кривыми при работе с термопарными преобразователями?

18. Почему производится пересчет градуировочных кривых для газов, отличных от воздуха? Почему для водорода переводной коэффициент меньше единицы?

19. Почему балластное сопротивление, включенное последовательно с нитью накала преобразователя для стабилизации тока, не помещают вместе с нитью в ту же оболочку?

20. Достоинства и недостатки тепловых вакуумметров?

21. Объясните ход зависимости и принцип действия гидрид-титанового генератора водорода.