Теплоэлектрические манометры. На принципе изменения теплопроводности разреженного газа с изменением давления основано действие двух известных и имеющих широкое применение манометров: манометра сопротивления и термопарного манометра.
Оба манометра содержат тонкую проволоку, помещенную в вакууме и нагреваемую электрическим током. Пирани [17] применял проволоку из металла с большим температурным коэффициентом сопротивления, включая ее в цепь моста Уитстона. Термопарный манометр представляет собой чувствительную термопару, прикрепленную к нагреваемой проволоке. Оба манометра не являются абсолютными. Верхний предел рабочего диапазона давлений определяется теплопроводностью газа, которая становится почти постоянной при давлении около 1 мм Hg и выше. Манометр сопротивления впервые был рассчитан на удовлетворительную работу при давлении до 3 мм Hg. Нижнего предела теоретически нет; однако на практике измерять давления ниже 10~3 мм Hg такими приборами трудно. Это объясняется несколькими причинами. Тепло от нагретой проволоки отводится через газ за счет теплопроводности опор и путем излучения; всякое изменение теплопроводности соединений тонкой проволоки с ее опорой будет изменять градуировку. По мере того как понижается давление, тепловые потери от молекулярного переноса уменьшаются, тогда как потери на излучение остаются почти неизменными (см. гл. I, п. 7). Дюмонд и Пикельс [18] вычислили, что для применяемой обычно проволоки при давлении 3* 10-5 мм Hg потеря на молекулярный перенос составляет лишь 1 % от потери на излучение при умеренном возрастании температуры. Между указанным давлением и давлением в 10 раз большим градуировка будет сильно изменяться при всяком изменении излучательной способности проволоки или поверхности баллона. Такие изменения могут происходить из-за присутствия паров масла или других вредных примесей, находящихся в загрязненной вакуумной системе. Далее, количество тепла, переданное молекулами газа, может изменяться благодаря изменению состояния поверхности нагретой проволоки, так как при этом будет изменяться коэффициент аккомодации, т. е. молекулы газа будут в большей или меньшей степени, чем раньше, принимать температуру нагретой проволоки при ударе о последнюю. Коэффициент аккомодации, кроме того, различен для разных газов. Это является одной пз причин изменения градуировкп манометра при переходе от одного газа к другому.
В Радиационной лаборатории, когда остро встала необходимость замены ионизационного манометра, была предпринята попытка применпть манометр сопротивления для низких давлений. Однако уже при давлении 1СГ4 мм Hg было невозможно достаточно хорошо поддерживать установку нуля, тогда как было необходимо иметь манометр, позволяющий отсчитывать давления ниже 10~5 мм Hg. Вообще опыт показал, что градуировка манометра сопротивления в области давлений от 1 до 100 и. Hg довольно устойчива, но точка нуля блуждает.
Чувствительность манометра сопротивления быстро уменьшается с увеличением давления вследствие того, что столкновения между молекулами происходят чаще и зависимость теплопроводности от давления становится мало заметной (см. гл. I, п. 7). Чувствительность можно повысить, если уменьшить расстояние между проволокой и стенками баллона. Ритпер [19] описал манометр, имеющий вольфрамовую проволоку толщиной 0,025 мм, укрепленную в капилляре из стекла пирекс с диаметром 2 лиг; манометр, по заявлению автора, измерял давления порядка 15 мм Hg с точностью Чд 2,5%.
В обычном манометре сопротивления в одно плечо моста включается лампа, соединенная с вакуумной системой (рабочая лампа), а в другое плечо — балластная лампа. Последняя хорошо откачана и запаяна. Обе лампы располагаются вместе, так что обе они находятся при одной температуре. Мост балансируется, когда рабочая лампа откачана до высокого вакуума. Ток, вызванный нарушением баланса, служит показателем давления. При работе схемы часто поддерживают постоянное значение напряжения, хотя можно работать и с постоянной силой тока питания моста.
В другом промышленном типе манометра две балластные лампы в двух противоположных плечах моста балансируются двумн рабочими лампами в двух других противоположных плечах. Благодаря этому чувствительность прибора удваивается. Кроме того, балластные лампы сообщаются с атмосферой и мост балансируется при предельно высоком для данного манометра давлении. Эти манометры оказались весьма устойчивыми. Измерительный прибор подстраивается на полное отклонение при предельно низком («нулевом») давлении.
В литературе описано много конструкций манометров сопротивления и схем их питания. Некоторые пз них описаны в работах (20—23].
Схема термопарного манометра представлена на фиг. 43. Ток накала подогревателя может быть как переменным, так и постоянным. Манометр обычно работает при фиксированном значении тока накала [24].
Холодным спаем термопары по существу являются ее массивные выводы, температура которых близка к температуре ее баллона.
Так как разность температур между баллоном и нагревателем мри малых изменениях температуры баллона изменяется несущественно, то прп применении термопарных манометров не требуется никакого контроля температуры плп балластных ламп.
Достоинством термопарного манометра является его простота, а недостатком — чрезвычайная нелинейность шкалы. Эти манометры весьма удобны для измерения давлений в трубопроводах предварительного вакуума, где не требуется большой точности1).
Градуировку манометра можно изменять путем изменения тока накала. Малые значения тока накала и чувствительный измерительный прибор в цепи термопары расширяют шкалу прибора в области низких давлений, а большой ток накала п менее чувствительный прибор — в области высоких давлений. Эмдер и Пэрл-мэп [25] описали термопарный манометр, который, по заверению авторов, измерял давления ниже 10~4 мм Hg.
Манометр сопротивления и термопарный манометр конкурируют с компрессионными и с радиоактивным ионизационным манометрами. Их преимущества перед компрессионным манометром при промышленном применении многочисленны. Они реагируют на пары, являются непрерывно действующими, позволяют вести дистанционные измерения, не громоздки и не хрупки и могут быть использованы в системе автоматического управления. Их избирательная чувствительность к водороду и гелию позволяет применять их для отыскания течей. Эти манометры не разрушаются, если во время их работы вакуумная система окажется под атмосферным давлением.
Вязкостные манометры. В литературе описаны две главные разновидности вязкостного манометра [26—28]. Простейшая из них [26] имеет кварцевую нить пли ленточку, которая приводится в колебание; время, в течение которого амплитуда колебаний уменьшается вдвое, принимается за меру давления. В более сложной конструкции [27] вращающийся диск вызывает поворот на^некоторый угол другого диска, подвешенного на кварцевой
нити и параллельного первому. Угол поворота зависит от давления газа. Некоторое практическое применение находит более простая конструкция с кварцевой нитью, так как она позволяет измерять давление химически активных газов.
Манометр Кнудсена. Манометр Кнудсена [18, 29—31] состоит из легкого крылышка, подвешенного на тонкой проволочке между двумя нагревателями (фиг. 44). Молекулы, отскакивающие от нагревателя, бомбардируют крылышко с большей скоростью, чем те, которые падают на противоположную сторону крылышка. Сила отталкивания между нагревателем и крылышком, выраженная в динах на квадратный сантиметр, равна
где Р — давление в динах на квадратный сантиметр, Т — температура крылышка (и иаллона) и 7Х температура па. рователн. Необходимо, чтобы расстояние между отталкивающимися поверхностями было мало по сравнению с длиной свободного пробега молекулы; кроме того, эта формула справедлива при —Т)<^Т. Если первое требование не удовлетворяется, то возрастающие конвекционные токи делают поведение кры
лышка неустойчивым.
Для измерения отклонения крылышка используются зеркальце, осветитель и шкала.
Как можно видеть из формулы, действие манометра не зависит от рода газа, и манометр позволяет определять давления паров, не конденсирующихся при температуре манометра. Ни один из прочих высоковакуумных манометров не обладает этими свойствами. Помимо этого, достоинствами манометра Кнудсена является то, что его шкала почти линейна; он не связан с каким-либо посторонним веществом, как, например, ртутью с ее нежелательными парами; применение его не требует дорогих электроизмерительных приборов; его работа не сопровождается крекингом паров; вероятность изменения его градуировки очень мала; он не имеет нитей накала, которые могли бы перегорать. При большой тщательности конструкции манометры этого типа могут измерять давления
до 5-10"9 мм Hg.
Благодаря всем этим качествам манометр Кнудсена занимает видное место в вакуумной технике. Однако следует сказать и о его серьезных недостатках, в особенности с точки зрения применения в промышленности. Первым из них является «деликатность» прибора. Прибор требует точной установки, исключающей малейшие сотрясения. Если вакуумная система вибрирует из-за работы механических насосов (обычный случай), то соединение манометра с измеряемой системой должно быть гибким. Подвижная система имеет большой период колебаний (примерно 10 сек), и так как затухание, обусловленное трением о воздух, отсутствует, то крылышко должно быть металлическим и для торможения нужно применять сильный постоянный магнит. При необходимости сообщения манометра с атмосферой давление нужно повышать медленно, иначе сильная струя воздуха может разрушить систему подвеса крылышка. Вероятно, было бы легче защитить от разрушения воздухом нить накала ионизацион-кого манометра, чем подвесную систему манометра Кнудсена. Серьезным недостатком для целого ряда промышленных применений итого манометра является его непригодность для дистанционных измерений.
Диапазон давлений манометра можно увеличить, изменяя температуру нагревателя; однако даже при этом манометр Кнудсена имеет меньший диапазон, чем ионизационный манометр, и измененпе диапазона в нем не может производиться с такой быстротой, как измененпе усиления.
Манометр Кнудсена был построен в Радиационной лаборатории но проекту Дюмопда и Пикельса [18]. Нагреватель, выполненный в виде ленточки из платиновой фольги, обладая меньшей теплоемкостью и большей поверхностью излучения, обеспечил более быструю установку нуля при холодном подогревателе, чем описанный ими подогреватель с нихромовой намоткой. Манометр обладал достаточной чувствительностью, но с трудом подвергался обезгажпванию. Кроме того, в лаборатории, где имеется много магнитной пыли, оказалось трудным изготовить крылышко, которое не обнаруживало бы заметных магнитных свойств. Проблема торможения подвесной системы манометра Кнудсена была решена в одной модели применением вместо крутильного подвеса полоски из фольги, подвешенной за один конец. Для отсчета положения фольги такое устройство требует применения микро-скопа.
Следует заметить, что манометры Кнудсена являются сейчас вполне доступными; онп успешно применялись в годы войны в производстве оптических систем. Возражения против этого манометра, кажется, могут быть устранены техническим усовершенствованием, в то время как недостатки, присущие манометрам Мак Леода, Ппранп пли термопарному, являются принципиальными.