Тепло, теряемое трубой в результате лучистого теплообмена, равно

(4.6)

где С - коэффициент лучеиспускания поверхности трубы; Т_Т и Т_СТ - температуры трубы и стенок, ограничивающих объем испытуемой среды (рис. 4.28); F₁ - поверхность излучения трубы.

Рис. 4.25. Устройство теплоприемника термометра сопротивления.

Для уменьшения коэффициента с поверхность трубы делают полированной. Кроме того, значение этого коэффициента зависит также и от материала трубы.

Если пренебречь потерями через теплопроводность трубы, обычно гораздо меньшие, чем потери на лучеиспускание, то уравнение теплового баланса трубы со средой будет

откуда погрешность измерения, обусловленная лучистым теплообменом, равна

(4.7)

Из этой формулы видно, что наибольшее влияние на величину погрешности оказывают коэффициент теплоотдачи x, и разность температур трубы и стенок, поскольку они стоят в четвертой степени.

Для уменьшения погрешности можно увеличить x путем увеличения скорости обтекания защитной трубы исследуемой средой, поскольку x зависит от скорости среды.

Уменьшить же разность температур трубы и стенок можно применением тепловой изоляции стенок или путем экранирования защитной трубы цилиндрическим экраном с отверстиями для пропуска среды.

В случае экранирования труба оказывается в состоянии лучистого теплообмена лишь с экраном, температура которого значительно меньше отличается от температуры трубы, чем температура стенок.

Измерение нестационарных (меняющихся во времени) температур сопряжено с возникновением особого вида погрешностей измерения, называемых динамическими. Они проявляются в характерном запаздывании изменений показаний термоприемника относительно изменений измеряемой температуры объекта и обусловлены термической инерцией теплоприемника, необходимостью затраты времени на изменение его теплосодержания.

Характер динамических погрешностей измерения зависит от физических свойств теплоприемника и от характера изменения температуры объекта. Учет и исключение этого вида погрешности можно осуществить либо расчетным путем, либо с помощью соответствующих автоматических устройств.

Наличие термической инерции теплоприемников можно использовать для расширения диапазона измеряемых высоких температур. В этом случае теплоприемник периодически на короткое время опускается в исследуемую среду. Стационарная температура среды определяется по скорости изменения, сигнала теплоприемника в процессе его прогрева путем расчета по соответствующим весьма сложным формулам.

Измерители плотности газа (вакуумметры)

Измерение малых плотностей газа при помощи термосопротивлений основано на зависимости теплопроводности сильно разряженных газов от степени разрежения.

При плотностях газа, соответствующих области атмосферного давления, теплопроводность газа практически не зависит от плотности. Молекула газа, ударившись о нагретое термосопротивление, получает добавочную кинетическую энергию, определяемую температурой нагретого тела. Затем, по мере перемещения от нагретой поверхности к холодной, молекула сталкивается с целым рядом других молекул. Таким образом, в передаче тепла от нагретой поверхности к холодной участвуют много молекул, что статистически приводит к постоянству среднего по объему значения теплопроводности среды.

Однако при уменьшении концентрации, т. е. количества газа или воздуха в замкнутой камере, возрастает длина свободного пробега молекулы. Когда средняя длина свободного пробега молекулы становится величиной одного порядка с расстоянием между термосопротивлением и стенками камеры, теплопроводность газа определяется числом оставшихся молекул, т.е. плотностью (концентрацией) молекул в камере, практически независимо от температуры и давления газа.

Таким образом, естественной входной величиной таких преобразователей является концентрация, т.е. число молекул, находящихся в камере, а выходной величиной - температура (или сопротивление) термосопротивления.

Принципиальное устройство вакуумметра изображено на рис. 4.29.

Рис. 4.26. Устройство вакуумметра

Термосопротивлением является лента 1, нагреваемая постоянным током. Амперметр А и реостат R_p предназначены для установки и поддержания постоянным значения нагревающего тока, которое было принято при градуировке прибора.

Для измерения температуры термосопротивления применена термопара ТП, рабочий спай которой приварен к середине термосопротивления. Термо-э.д.с. измеряется милливольтметром mV.

4.4. Ионизационные преобразователи

Принцип действия

Ионизационные преобразователи - это такие преобразователи, в которых измеряемая неэлектрическая величина функционально связана с током электронной и ионной проводимости газовой среды.

Поток электронов и ионов получается в ионизационных преобразователях либо ионизацией газовой среды под воздействием того или иного ионизирующего агента, либо путем термоэлектронной эмиссии, либо путем бомбардировки молекул газовой среды электронами и т.д.

Обязательными элементами любого ионизационного преобразователя являются источник и приемник излучений.

Ионизирующие агенты

В качестве ионизирующих агентов применяются a, b, g - лучи и рентгеновские лучи.

а - частицы являются ядрами гелия и несут положительный заряд. Это более тяжелые частицы и потому они обладают большей энергией и являются наиболее сильным ионизирующим агентом. Однако проникающая способность их очень мала. Наибольшая длина пробега их в воздухе равна 90 мм, а в твердых телах они поглощаются уже в слоях порядка единиц или десятков микрон (например, для алюминия длина пробега равна 0,05 мм). Поэтому при использовании -a частиц в качестве ионизирующего агента осизлучатель помещается внутри преобразователя.

b - частицы являются потоком отрицательно заряженных частиц (электронов). Они обладают меньшим запасом энергии, но проницаемость их достигает нескольких мм в твердых телах (например, для алюминия длина пробега равна 1,75 мм).

Поэтому в измерительной технике используется в основном проникающая способность b-лучей, и излучатель помещается вне преобразователя.

g - лучи представляют собой электромагнитные колебания весьма малой длины волны. Электромагнитная энергия излучается не непрерывно, а квантами или фотонами, которые не несут электрического заряда, и потому не отклоняются ни электрическим, ни магнитным полем.

g -лучи распространяются со скоростью света и обладают наибольшей проникающей способностью (например, у алюминия- до 12 см).

И, наконец, рентгеновские лучи являются электромагнитными колебаниями, но большей длины волны. Они обладают теми же свойствами, что и g -лучи и могут излучаться почти всеми веществами, если последние подвергаются бомбардировке электронами или другими частицами достаточной энергии.

Использование их в измерительной технике основано на способности этих лучей проникать через светонепроницаемые тела.

Чаще всего применяется метод ионизации газовой среды лучами радиоактивных веществ или рентгеновскими лучами. Такие преобразователи носят название ионизационных камер и счетчиков.

Принцип действия ионизационной камеры показан на рис. 4.30.

Рис 4.27. Ионизационная камера.

Газовая среда в камере 1 подвергается ионизации под воздействием ионизирующего агента 2. В камере расположены два электрода 3, к которым подводится напряжение U. При ионизации газа в камер возникает упорядоченное движение электронов и положительных ионов этого газа, т. е. иониза­ционный ток, который является функцией приложенного на­пряжения, свойств ионизирующего агента, ионизируемой сре­ды, стенок камеры, а также других тел 4, находящихся на пути излучения ионизирующего агента. Используя зависи­мость ионизационного тока от всех этих факторов можно при­менять ионизационные преобразователи для измерения раз­личных физических и геометрических величин.

Газоразрядные счетчики служат для регистрации актов ионизации.

Принципиальная схема устройства ионизационной счетной трубки показана на рис.4.31.

Рис. 4.28. Схема устройства ионизационной счетной трубки.

Счетная трубка выполняется в виде металлического или стеклянного цилиндра 1, покрытого изнутри слоем, токопроводящего металла и заполненного аргоном, азотом или дру­гими инертными газами. Внутри цилиндра, служащего като­дом, вдоль его оси натянута металлическая, изолированная от цилиндра нить 2, служащая анодом. Трубка герметизирована в стеклянном баллоне 3. Между нитью и цилиндром прикла­дывается напряжение. При напряжениях, соответствующих самостоятельному разряду на вольтамперной характеристи­ке ионизационной камеры, ионизационный ток в ней усилива­ется за счет самостоятельного разряда, благодаря чему чув­ствительность преобразователя резко увеличивается. Это дает возможность регистрировать каждую пару ионов, образован­ную в трубке.

Правда, такой счетчик может регистрировать, отдельные акты ионизации только в том случае, если возникающий само­стоятельный разряд будет гаситься до возникновения следую­щего акта ионизации, для чего существуют различные методы гашения разряда.

Сцинтилляционные счетчики. Принцип действия сцинтилляционных счетчиков основан на возникновении в некоторых веществах (фосфорах) под действием ядерных излучений слабых световых вспышек - сцинтилляций. Свет подается на светочувствительный фотокатод, вызывая фототек. Комбина­ция фосфора, фотокатода и фотоэлектронного умножителя в общем светонепроницаемом корпусе называется сцинтилляционным счетчиком.

В качестве фосфора в различных счетчиках могут быть применены сернистый цинк, активированный серебром или медью, сернистый кадмий, активированный серебром, кристал­лы йодистого натрия, активированного таллием.

Масс-спектрометры

Преобразователи масс-спектрометров предназначены для анализа газовой смеси методом получения спектра масс всех положительно заряженных ионов исследуемой газовой смеси.

В основе разделения ионов по их массам лежит одновре­менное воздействие на ионы электрического и магнитного полей, благодаря которым ионы различных масс движутся по разным траекториям.

Связь между массами и параметрами электрического и магнитного поля описывается уравнением

(4.8)

где т - масса иона; е - заряд иона; В - индукция магнитного поля; U - напряжение электрического поля; r - радиус траектории, описываемой ионом под действи­ем электрического и магнитного полей.

Принцип устройства масс-спектрометра изображен на рис. 4.32.

Рис. 4.29. Устройство масс-спектрометра.

Испытуемый газ вводится под небольшим давлением в ионизационную камеру, где он подвергается бомбардировке пучком электронов. Образованные при бомбардировке поло­жительные ионы, под воздействием электрического поля, соз­данного разностью потенциалов DU, получают ускорение и, вылетая через щель 1 ионизационной камеры, попадают через щель 2 в камеру, где действует магнитное поле с индукцией В. Магнитное поле, в зависимости от величины отклоняет ионы, и они движутся по траекториям с радиусами r₁, r₂, r₃, и т.д. Ионы, радиус траектории которых r₃, пройдут через щель 3 и попадут на коллектор. Последний соединен через сопротивление R с землей. Ток, значение которого определяет­ся количеством ионов, отдающих свой заряд коллектору в единицу времени, создает на сопротивлении R падение напря­жения, которое усиливается усилителем постоян­ного тока и регистрируется самопишущим прибором V.

Изменяя индукцию магнитного поля В при U=const или наоборот, изменяя напряжение электрического поля U при В=const, можно добиться того, что ионы различных масс будут попадать через щель 3 на коллектор и таким образом в достаточно широких пределах можно на диаграмме записать кривую, имеющую ряд пиков (рис. 4.33). Высота каждого пика является критерием концентрации ионов данной массы в га­зовой смеси.

Рис. 4.30. Диаграмма прохождения ионов через щель 3 камеры масс-спектрометра.