Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

Университет им. В.И. Ульянова (Ленина) “ЛЭТИ”

Кафедра ЭУТ

Реферат

Методы измерения вакуума

Выполнил: Сиринчук А.В.

ФИБС. Гр.8581

Преподаватель: Коновалов С.И.

Санкт-Петербург 2012

Введение

Утвердившийся в науке и технике термин «вакуум» характеризует разреженное состояние газа, т. е. такое состояние, в котором его плотность меньше плотности при нормальных условиях [давление 101,2 кПа (760 мм рт. ст.), температура 0° С,].

В некоторых случаях для грубой оценки небольшого разрежения вакуум измеряют в процентах:

%вак = (101,2 * p_ост/101,2) * 100у

где p_ост -- остаточное давление в системе, выраженное соответственно в кП/а или мм рт. ст.

С уменьшением Рост точность характеристики разрежения, оцениваемого в процентах, уменьшается, поэтому в процентах иногда характеризуют вакуум в области сравнительно высоких давлений -- от атмосферного до нескольких сотен паскалей (десятков мм рт ст.).Приближенную оценку остаточного давления можно давать, пользуясь понятиями глубины вакуума. Условно различают низкий, средний, высокий и сверхвысокий вакуум, что примерно соответствует следующим интервалам давления:

· низкий вакуум 101,2 * 10³ -- 133,3 Па, или 760--1 мм рт. ст ;

· средний 133,3 -- 133,3 * 10^-3, или 1 -- l x 10^-3 мм рт. ст.;

· высокий 133,3 * 10^-3 -- 133,3 * 10^-7 Па, или 1 x 10^-3 -- 1 x 10^-7 мм рт. ст.;

· сверхвысокий вакуум менее 133,3 - 10^-3 Па или 1 x 10^-7 мм рт. ст.

Вакуумметрия - совокупность методов измерения давления разреженных газов. Универсального метода измерений вакуума не существует. При измерении давления основываются на различных физических закономерностях, прямо или косвенно связанных с давлением или плотностью газа. Единица давления в Международной системе единиц (СИ) -- ньютон на квадратный метр (н/м²). В вакуумной технике применяется также внесистемная единица мм рт. ст. 1 мм рт. cт. = 133,322 н/м². Измеряют вакуум вакуумметрами, каждый из которых имеет свой диапазон измерения давлений (рис. 1). По устройству вакуумметры разделяются на жидкостные, механические (деформационные, мембранные и др.), компрессионные (например, вакуумметр Мак-Леода), тепловые (термопарный и теплоэлектрический), ионизационные, магнитные, электроразрядные, вязкостные, радиометрические. Этими вакуумметрами измеряют полное давление.

При оценке вакуума, помимо полного давления, часто необходимо измерять парциальные давления компонентов газа. Для этого пользуются некоторыми типами масс-спектрометров и специальными измерителями. В отличие от аналитических масс-спектрометров, измерители парциальных давлений не имеют собственной вакуумной системы и устанавливаются непосредственно на откачиваемых объёмах. Диапазон измерений парциальных давлений 10³--10^-10 н/м² (10-- 10^-12 мм рт. ст.). Рассмотрим вауумметры подробнее.

Жидкостные вакуумметры

В жидкостном (гидростатическом) вакуумметре (рис. 2) газ давит на жидкость, находящуюся в U-oбразной трубке. В одном из колен находится газ при измеряемом давлении р_в, а в другом -- при известном (опорном) давлении р_к. Если плотность жидкости с, то разность давления в коленах уравновесится столбом жидкости высотой h:

р_в -- p_k = gсh,

где g -- ускорение свободного падения; обычно p_{k «} р_в. Применяемые жидкости (ртуть или вакуумные масла) имеют малое парциальное давление пара при рабочей температуре и химически нейтральны по отношению к газам и материалу трубки. Жидкостные вакуумметры бывают с закрытым и открытым коленом, колокольные и др. Недостатки жидкостных вакуумметров: проникновение паров жидкости в вакуумную систему, небольшой диапазон измерения давлений с нижним пределом до 10^-1 н/м² (10^-3 мм рт. ст.).

Рис. 2. Жидкостный U-oбразный вакуумметр с открытым (а) и закрытым (б) коленом.

Механические вакуумметры

В механическом вакуумметре газ давит на чувствительный элемент (спиральную трубку, сильфон, мембрану). Например, в мембранном вакуумметре (рис. 3) мембрана герметически отделяет вакуумную систему от объёма, в котором поддерживается постоянное опорное давление, обычно в 100--1000 раз меньше измеряемого. Деформация мембраны передаётся стрелке, передвигающейся по шкале. При измерении малых давлений для повышения чувствительности мембрану соединяют с электрическим датчиком. Механический вакуумметр обычно позволяет измерять давления до 10² н/м²(1 мм рт. ст.).

Рис. 3. Мембранный вакуумметр: 1 -- мембрана; 2 -- корпус; 3 -- передняя прозрачная поверхность вакуумметра; 4 -- присоединительный фланец; 5 -- система рычагов; 6 -- стрелка.

Компрессионные вакуумметры

Компрессионным вакуумметром (рис. 4) можно измерять более низкие давления 10^-3 н/м² (10^-5 мм рт. ст.). Действие такого вакуумметра основано на Бойля - Мариотта законе. Основные части прибора: баллон объёмом V, два капилляра одинакового диаметра d, один из которых запаян, и трубка, соединяющая прибор с системой, в которой измеряется давление; снизу вводится жидкость (в большинстве случаев ртуть), которая отсекает в объёме V газ при измеряемом давлении р и затем сжимает его до давления p₁ ? р в малом объёме запаянного капилляра

где h -- высота части капилляра, не заполненная жидкостью. Давление p₁ определяется по разности уровней столбиков жидкости в запаянном и открытом капиллярах. По закону Бойля -- Мариотта p = p₁ V₁/V, таким образом измеряемое давление можно определить, если известны d и V.

Показания жидкостных, механических и компрессионных вакуумметров не зависят от природы газа.

Рис. 4. Схема компрессионного вакуумметра Мак-Леода.

Тепловые вакуумметры

вакуумметр давление компрессионный радиометрический

Для измерения вакуума до 10^-2 н/м² (10^-4 мм рт. ст.) можно применять также и тепловой вакуумметр, принцип действия которого основан на зависимости теплопроводности разреженных газов от давления. Датчиком прибора служит герметичный баллон с проволокой, нагреваемой электрическим током. При изменении давления в системе изменяется отвод тепла от нити датчика и, следовательно, её температура (при постоянной мощности). Различают термопарные вакуумметры, температура нити которых измеряется присоединённой к ней термопарой, и теплоэлектрические вакуумметры сопротивления, температуру нити которых определяют по её электрическому сопротивлению.

В термопарных вакуумметрах с изменением давления изменяется температура нити накала, подогреваемой током постоянной величины. Температура нити непрерывно измеряется термопарой, спай которой припаян к нити. По величине т. э. д. с. термопары судят о давлении в лампе, соединенной с вакуумным объемом.

Термопарные датчики выпускаются в стеклянном баллоне и с платиновой нитью накала или в металлическом корпусе и с танталовой или никелевой нитью накала, термопара хромель-копелевая.

В датчиках вакуумметров сопротивления при изменении давления изменяется сопротивление медной или платиновой нити, по которой пропускается стабилизированный ток. Сопротивление нити измеряют по мостовой схеме и по степени разбалансировки моста судят о величине давления в лампе, соединенной с вакуумной системой. Датчики сопротивления также выпускают в стеклянных и металлических баллонах.

Теплоэлектрические преобразователи для измерения давления: а -- термопарный датчик ЛТ-2; 1 -- стеклянный баллон; 2 -- нить накала; 3 -- термопара; б -- датчик сопротив-ления Ml-6; 1 -- защитный колпачок (в нерабочем состоянии); 2 -- металлический корпус; 3 -- рабочая нить

Ионизационные вакуумметры

В ионизационном вакуумметре газ ионизуется каким-либо источником постоянного ионизующего излучения. Интенсивность ионизации газа зависит от давления. В электронных ионизационных вакуумметрах ионизация производится потоком электронов. Обычно такой вакуумметр имеет три электрода (рис. 5): катод К, анод А, создающие электрическое поле, которое ускоряет электроны и сообщает им энергию, необходимую для ионизации; отрицательный коллектор Кол, собирающий образующиеся в газе положит, ионы. Сила ионного тока в цепи коллектора служит мерой давления газа. Ионизационными вакуумметрами можно измерять вакуум в широких пределах (см. рис. 1). Сверхвысоковакуумным ионизационным вакуумметром, так называемой лампой Байярда-Альперта (рис. 6), можно измерять давления в широких пределах. Этот вакуумметр имеет катод, находящийся снаружи, и коллектор, которым служит тонкая проволока, помещенная внутри анодной сетки. Таким вакуумметром можно измерять давления до 10^-8 н/м² (10^-10 мм рт. ст.). Ионизационный вакуумметр Лафферги (рис. 7) работает в магнитном поле. Это позволяет удлинить пути электронов в рабочем пространстве и обеспечить высокую эффективность ионизации при очень малом электронном токе. Нижний предел измерений такого вакуумметра -- 10^-11 н/м² (10^-13 мм рт. ст.). Для измерения давлений до 10^-5 н/м² (10^-7 мм рт. ст.) применяют ионизационный радиоизотопный вакуумметр (Альфатрон), в котором ионизация газа осуществляется б-частицами.

Рис. 5. Схема ионизационного вакуумметра: А -- анод; К -- катод; Кол -- коллектор.

Рис. 6. Лампа Байярда-Альперта: 1 -- анод; 2 -- катод; 3 -- коллектор; А -- анод.

Рис. 7. Вакуумметр Лафферти: 1 -- катод; 2 -- анод; 3 -- коллектор; 4 -- экран; 5 -- магнит; Н -- напряжённость магнитного поля.

Магнитные электроразрядные вакуумметры

Первыми электроразрядными вакуумметрами измеряли давления до 10^-2 н/м² (10^-4 мм pт. ст.), а современными электроразрядными вакуумметрами (в том числе выпускаемыми в СССР) -- до 10^-12н/м² (10^-14 мм рт. ст.).

Рис. 8. Схема магнитного электроразрядного вакуумметра: р -- давление, N и S -- сев. и юж. полюсы магнита; А -- анод; К -- катод; Н -- напряжённость магнитного поля; Г -- гальванометр.

Вязкостные вакуумметры

Вязкостный вакуумметр применяют в лабораторной практике для измерения давлений до 10^-4 н/м² (10^-6 мм рт. ст.). Принцип его действия основан на зависимости вязкости разреженного газа от его давления. Существуют демпферный вязкостный вакуумметр и вязкостный вакуумметр с диском. В первом мерой давления служит время затухания свободных колебаний какого-либо вибратора в газе. Во втором -- вращающийся с большой скоростью диск передаёт через газ вращающий момент др. диску, подвешенному на тонкой нити; угол поворота этого диска служит мерой давления.

Радиометрические вакуумметры

В радиометрическом вакуумметре используется Радиометрический эффект. Между двумя неодинаково нагретыми пластинами, помещенными в разреженный газ, возникают силы, отклоняющие пластины на величину, пропорциональную давлению газа. Показания такого вакуумметра почти не зависят от природы газа. Предел измерения 10^-5 н/м² (10^-7 мм рт. ст.).

Заключение

В данной работе я рассмотрел все типы вакууомметров, в зависимости от диапазона давления, в котором они применяются. Различные типы вакууометров распространены в различных отраслях производства, в науке, в том числе в дефектоскопии.

Литература

Дэшман С., Научные основы вакуумной техники, пер. с англ., М., 1964;

Эшбах Г. Л., Практические сведения по вакуумной технике, М.-Л., 1966;

Лекк Д. Х., Измерение давления в вакуумных системах, пер. с англ., М., 1966;

Востров Г. А. и Розанов Л. Н., Вакуумметры, Л., 1967.

Размещено на Allbest.ru