熱傳導真空計的工作原理

　　熱傳導真空計是根據在低壓力下(λ ≥ d)，氣體分子熱傳導與壓力有關(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。當達到熱平衡時(shí)，熱絲的溫度決定于氣體熱傳導，因而也就決定于氣體壓力。如果預先進(jìn)行了校準，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 熱傳導真空計原理圖

1、熱傳導真空計的熱量散失

　　(1)熱絲引線(xiàn)熱傳導的熱量散失

　　若熱絲中部最高溫度等于加熱溫度為T(mén)1，引線(xiàn)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(xiàn)單位時(shí)間熱傳導散失的熱量QL為

　　(2)熱絲熱輻射的熱量散失

　　根據斯蒂芬—波爾茲曼定律，熱絲單位時(shí)間熱輻射散失的熱量Qr為

　　(3)氣體分子熱侍導的熱量散失

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

　　根據熱平衡定律，當達到熱平衡時(shí)，在不存在對流的情況下，熱絲通電單位時(shí)間產(chǎn)生的總熱熱量Q應等于熱絲引線(xiàn)熱傳導散失的熱量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(QL)和第二項(Qr)與氣體壓力無(wú)關(guān)，僅第三項與氣體壓力有關(guān)，在一定的范圍內與壓力成正比。

　　熱傳導量Q與壓力p的關(guān)系如圖4-2所示。當規管尺寸、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 熱傳導量Q與壓力p的關(guān)系

　　式(4-6)表明，當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，可根據低壓力下氣體分子熱傳導，即氣體分子對熱絲的冷卻能力作為壓力的指示。這就是熱傳導真空計的基本工作原理。

2、熱絲溫度的測量方法

　　熱傳導真空計規管熱絲的溫度T1是壓力p的函數(見(jiàn)圖4-2所示)，即T1=f(p)。如果預先測出這個(gè)函數關(guān)系，便可根據熱絲的溫度T1來(lái)確定p。熱絲溫度的測量方法，有以下三種：

　　(1)利用熱絲隨溫度變化的線(xiàn)膨脹性質(zhì)；

　　(2)利用熱電偶直接測量熱絲的溫度變化；

　　(3)利用熱絲電阻隨溫度變化的性質(zhì)。

　　根據第一種測溫方法制成的真空計稱(chēng)膨脹式真空計。最簡(jiǎn)單的膨脹式真空計是采用溫度系數大的鉑銥合金做敏感元件，在其中間連接一標準彈簧，用以測定熱絲的受熱線(xiàn)膨脹量。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為比較實(shí)用的膨脹式真空計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。由于這種方法的測量誤差較大和使用不夠方便，現在已很少使用。根據第二種測溫方法制成的真空計稱(chēng)熱電偶真空計。根據第三種測溫方法制成的真空計稱(chēng)電阻真空計，在電阻真空計中也有用熱敏電阻代替金屬熱絲的，此種真空計稱(chēng)熱敏電阻真空計。其靈敏度較高，但穩定性較差。

　　熱偶真空計和電阻真空計是目前粗真空和低真空測量中用得最多的兩種真空計。