熱傳導(dǎo)真空計(jì)的工作原理

　　熱傳導(dǎo)真空計(jì)是根據(jù)在低壓力下(λ ≥ d)，氣體分子熱傳導(dǎo)與壓力有關(guān)的原理制成的。其原理圖如圖4-1所示。它是在一玻璃管殼中由邊桿支撐一根熱絲，熱絲通以電流加熱，使其溫度高于周?chē)鷼怏w和管殼的溫度，于是在熱絲和管殼之間產(chǎn)生熱傳導(dǎo)。當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，熱絲的溫度決定于氣體熱傳導(dǎo)，因而也就決定于氣體壓力。如果預(yù)先進(jìn)行了校準(zhǔn)，則可用熱絲的溫度或其相關(guān)量來(lái)指示氣體的壓力。

圖4-1 熱傳導(dǎo)真空計(jì)原理圖

1、熱傳導(dǎo)真空計(jì)的熱量散失

　　(1)熱絲引線熱傳導(dǎo)的熱量散失

　　若熱絲中部最高溫度等于加熱溫度為T(mén)1，引線及管壁溫度等于環(huán)境溫度為T(mén)2，熱絲兩端的三分之一部分具有均勻的溫度梯度為3(T1-T2)/L，則熱絲引線單位時(shí)間熱傳導(dǎo)散失的熱量QL為

　　(2)熱絲熱輻射的熱量散失

　　根據(jù)斯蒂芬—波爾茲曼定律，熱絲單位時(shí)間熱輻射散失的熱量Qr為

　　(3)氣體分子熱侍導(dǎo)的熱量散失

　　根據(jù)氣體熱傳導(dǎo)理論，在低壓力下(分子流狀態(tài))，氣體分子單位時(shí)間熱傳導(dǎo)散失的熱量Qg為

　　根據(jù)熱平衡定律，當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，在不存在對(duì)流的情況下，熱絲通電單位時(shí)間產(chǎn)生的總熱熱量Q應(yīng)等于熱絲引線熱傳導(dǎo)散失的熱量QL、熱絲熱輻射散失的熱量Qr及氣體分子熱傳導(dǎo)散失的熱量Qg三者之總和，即

　　不難看出，式(4-5)中右邊第一項(xiàng)(QL)和第二項(xiàng)(Qr)與氣體壓力無(wú)關(guān)，僅第三項(xiàng)與氣體壓力有關(guān)，在一定的范圍內(nèi)與壓力成正比。

　　熱傳導(dǎo)量Q與壓力p的關(guān)系如圖4-2所示。當(dāng)規(guī)管尺寸、熱絲溫度T1和管壁溫度T2為一定值時(shí)，式(4-5)可簡(jiǎn)化為

圖4-2 熱傳導(dǎo)量Q與壓力p的關(guān)系

　　式(4-6)表明，當(dāng)K1《K2p時(shí)，即QL+Qr《Qg時(shí)，總的熱量散失Q只與壓力p有關(guān)，也即Q與Qg有關(guān)。它表明，在一定的加熱條件下，可根據(jù)低壓力下氣體分子熱傳導(dǎo)，即氣體分子對(duì)熱絲的冷卻能力作為壓力的指示。這就是熱傳導(dǎo)真空計(jì)的基本工作原理。

2、熱絲溫度的測(cè)量方法

　　熱傳導(dǎo)真空計(jì)規(guī)管熱絲的溫度T1是壓力p的函數(shù)(見(jiàn)圖4-2所示)，即T1=f(p)。如果預(yù)先測(cè)出這個(gè)函數(shù)關(guān)系，便可根據(jù)熱絲的溫度T1來(lái)確定p。熱絲溫度的測(cè)量方法，有以下三種：

　　(1)利用熱絲隨溫度變化的線膨脹性質(zhì)；

　　(2)利用熱電偶直接測(cè)量熱絲的溫度變化；

　　(3)利用熱絲電阻隨溫度變化的性質(zhì)。

　　根據(jù)第一種測(cè)溫方法制成的真空計(jì)稱(chēng)膨脹式真空計(jì)。最簡(jiǎn)單的膨脹式真空計(jì)是采用溫度系數(shù)大的鉑銥合金做敏感元件，在其中間連接一標(biāo)準(zhǔn)彈簧，用以測(cè)定熱絲的受熱線膨脹量。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為比較實(shí)用的膨脹式真空計(jì)是采用平面螺旋式雙金屬帶、圓柱螺旋式雙金屬帶和平面雙金屬片作敏感元件，利用其自由端的轉(zhuǎn)動(dòng)或擺動(dòng)來(lái)確定熱絲的溫度變化。由于這種方法的測(cè)量誤差較大和使用不夠方便，現(xiàn)在已很少使用。根據(jù)第二種測(cè)溫方法制成的真空計(jì)稱(chēng)熱電偶真空計(jì)。根據(jù)第三種測(cè)溫方法制成的真空計(jì)稱(chēng)電阻真空計(jì)，在電阻真空計(jì)中也有用熱敏電阻代替金屬熱絲的，此種真空計(jì)稱(chēng)熱敏電阻真空計(jì)。其靈敏度較高，但穩(wěn)定性較差。

　　熱偶真空計(jì)和電阻真空計(jì)是目前粗真空和低真空測(cè)量中用得最多的兩種真空計(jì)。