1.4.4. Манометр опору

Манометр опору менш зручний в експлуатації і застосовується значно рідше, ніж термопарний. Він, як і термопарний, складається з двох частин: перетворювача та вимірювального блоку.

Рис. 1.7. Перетворювач манометра опору

Будова перетворювача манометра опору показана на рис. 1.7. Він складається з скляного балона 1, всередині якого змонтована тонка металева нитка розжарення 2. Кінці та середня частина нитки приварені до спеціальних траверс-утримувачів. Через крайні траверси до нитки підводиться струм розжарення; середня траверса грає роль утримувача. За допомогою трубки 3 перетворювач приварюється до вакуумної установки, де вимірюється тиск. Нитка розжарення виготовляється з металу з великим температурним коефіцієнтом опору (наприклад, з вольфраму), коли незначна зміна температури нитки викликає помітну зміну її опору, а отже, і струму розжарення. Таким чином зміна струму розжарення нитки може служити мірою тиску в перетворювачі манометра. Недоліком вольфраму є недостатня стійкість до окислення. Тому часто нитку розжарення роблять з платини або її сплаву з іридієм, що збільшує міцність тонких ниток.

Але при такій схемі вмикання прилад буде мати низьку чутливість. Справа в тому, що для вольфраму (температурний коефіцієнт опору 4.7*10^-3 град^-1 в інтервалі температур 0 – 100 °С) відносне збільшення опору при нагріванні на 5 °С не перевищує 2.5%. Через те, що струм в провіднику лінійно залежить від опору, то його зміни можуть бути невеликими, а отже, одним й тим самим приладом реєструвати їх практично неможливо. Крім того, на градуювання такого манометра буде впливати зміна температури оточуючого середовища.

Щоб усунути ці недоліки, в сучасних манометрах опору зміна опору нагрівального елементу (нитки) реєструється не по зміні струму розжарення, а по розбалансуванню моста Уітстона (рис. 1.8), в одному з плечей якого знаходиться датчик (опір R1), а в другому – балансний опір R2 (компенсатор). Останній є такою ж ниткою розжарення, яка запаяна в колбу, відкачану до найнижчого можливого тиску. Наявність балансного опору автоматично компенсує всі впливи зовнішнього середовища на датчик.

Рис. 1.8. Мостова схема включення датчика манометра опору

Розбалансування моста може бути визначене кількома методами.

Струм, що живить мостову схему (і нитку розжарення), підтримується сталим, і по гальванометру G оцінюється розбалансування моста, як функція тиску.

Підтримуються сталими температура та опір нитки, а вимірюється напруга V джерела живлення в процесі відкачування.

Після приведення моста в рівновагу (при сталому струмі розжарення або напрузі живлення нитки) його розбалансування оцінюється за градуйованими опорами R3 та R4 (на практиці цей метод застосовується рідко).

Як правило манометр опору градуюють по компресійному манометру для сухого повітря. На рис. 1.9 показано типову градуювальну криву при вимірюванні тиску першим методом, коли підтримується сталий струм живлення мостової схеми.

Рис. 1.9. Градуювальна крива манометра опору при постійному струмі розжарення

Якщо градуювання проводять за другим методом, то вимірювальним приладом в мостовій схемі є вольтметр, ввімкнений в другу діагональ моста (рис. 1.8). При зміні тиску в датчику баланс моста відновлюється шляхом зміни вхідної напруги V за допомогою потенціометра R. Якщо V – напруга джерела живлення моста при тиску р в датчику, а V₀ – та ж напруга, що відповідає високому вакууму, то в області застосування методу є справедливим наближений вираз

, (1.15)

де k – коефіцієнт пропорційності.

Типовий приклад градуювальної кривої при вимірюванні тиску другим методом показаний на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Градуювальна крива манометра опору при сталій температурі нитки

Як правило, манометрами опору вимірюють тиск в інтервалі 1.0 – 10^-4 мм рт. ст., хоча сучасні схеми ввімкнення дозволяють розширити верхню границю тисків до декількох десятків міліметрів ртутного стовпчика. Це досягається в схемах з сталою (більш високою) робочою температурою нитки за рахунок використання перехідної ділянки кривої залежності теплопровідності від тиску (рис. 1.3).

Однак з підвищенням тиску помітну роль починає відігравати відведення тепла за рахунок конвекції газу. Тому градуйований датчик манометра опору повинен завжди знаходитися в певному положенні (як правило вертикально, цоколем вгору).