3. Измерение газовых потоков

3.1. Методы измерения газовых потоков

Газовый поток – это масса газа, проходящая в единицу време­ни через заданное поперечное сечение элемента вакуумной систе­мы. В Международной системе единицей газового потока является кг/с. Потоки индивидуальных веществ можно измерять также ко­личеством молекул газа, проходящих через заданное сечение эле­мента вакуумной системы в единицу времени.

При постоянной температуре газа часто используют внесистем­ную единицу газового потока м³∙Па/с. Для воздуха при Т₀ = 273 К 1 м³∙Па = 1,3·10^–5 кг. Стационарный поток газа, выра­женный в м³∙Па/с, можно записать в виде

Q = U(р₁ – р₂), (3.1)

где U – проводимость вакуумной системы. Уравнение (3.1) может быть использовано для измерения стационарных газовых потоков методом двух манометров по перепаду давления на вакуумном элементе известной проводимости.

Другое выражение для определения как стационарных, так и нестационарных газовых потоков можно записать в дифферен­циальной форме:

(3.2)

_{В соответствии с уравнением (3.2) для измерения газовых по­токов используют два метода: постоянного давления и постоянного объема. При р = const поток а его измерение осуществляется по скорости изменения давления в камере постоян­ного объема. При V = const поток газа а его измере­ние осуществляется по скорости изменения объема газа при по­стоянном давлении.}

Описанные методы считаются абсолютными. Косвенные мето­ды – тепловые, радиоизотопные, ионизационные – нуждаются в градуировке по абсолютным методам.

Метод двух манометров. Метод двух манометров основан на измерении перепада давлений на элементе с известной проводи­мостью в соответствии с уравнением (3.1) и применяется для из­мерения стационарных или медленно изменяющихся во времени газовых потоков.

На рис. 3.1 показана схема измерения производительности и быстроты действия вакуумных насосов методом двух манометров. Поток газа, откачиваемый насосом 5, измеряется по перепаду дав­ления на диафрагме 3 известной проводимости U. Диафрагма установлена в измерительном колпаке 6, рекомендуемые раз­меры которого показаны на ри­сунке. Давления р₁ и р₂ измеря­ются соответственно манометра­ми 2 и 4. Регулировка потока га­за осуществляется с помощью натекателя 1, подключенного к вспомогательной вакуумной си­стеме.

Рис. 3.1. Схема измерения потока газа методом двух манометров

Рабочее давление вспомо­гательной вакуумной системы больше, чем основной. Произво­дительность насоса или газовый поток, проходящий через его входной патрубок, рассчитывает­ся по уравнению (3.1), а быстрота откачки

(3.3)

Для расширения пределов измерения проводимость диафрагмы можно изменять непрерывно, например, с помощью конструкции ирисовой диафрагмы, применяемой в фотоаппаратах, или ступен­чато, используя поворотные диски с отверстиями различных диа­метров.

Для элементов с малой проводимостью вместо отверстий, изго­товление которых сопровождается технологическими трудностями обеспечения формы, используют длинный трубопровод – капилляр.

Метод постоянного давления. Схема измерения газового потока методом постоянного давления, использующая жидкостную бюрет­ку, показана на рис. 3.2, а. Давление в измерительном объеме 5 жидкостной бюретки 6:

р_изм = р_В – ρgh, (3.4)

где р_В – давление внешней среды; ρ – плотность жидкости в бю­ретке; h – разность уровней жидкости в измерительном объеме и внешнем цилиндре бюретки. Тогда газовый поток согласно (3.2) определяют по уравнению

(3.5)

здесь ∆h и ∆V – изменения уровня жидкости и величины объема измерительного цилиндра бюретки за время ∆t; K_б – постоянная бюретки; K_б = πR²_изм; R_изм – радиус измерительного объема. Кран 4 необходим для опускания жидкости в бюретке и повто­рения экспериментов. Натекатель 3 предназначен для регулирова­ния потока газа. Бюретка обычно заполняется вакуумным маслом, имеющим низкое давление насыщенного пара при комнатной тем­пературе.

Рис. 3.2. Схема измерения потока газа методом постоянного дав­ления:

а – метод масляной бюретки; б – метод газовых пузырей

Схема измерения газового потока методом постоянного давле­ния, использующая образование газовых пузырей, показана на рис. 3.2, б. При вытекании газа из объема 2 в объем 1 при p₂ > p₁ газовый поток может быть рассчитан по скорости dN/dt возникно­вения и объему V_п газовых пузырей 4, возникающих в жидко­сти 3:

Q = V_п p_i dN/dt. (3.6)

Вакуумирование пространства над жидкостью увеличивает чув­ствитель­ность измерения, так как сопровождается увеличением объема пузырьков.

Примером использования метода постоянного давления явля­ется определение газового потока по известному значению быстро­ты откачки вакуумной камеры S₀. Вакуумный насос 1 (рис. 3.2, а) через клапан или диафрагму 2 подключается к откачиваемо­му объекту 2, давление с в котором измеряется вакуумметром 2. Поток газа регулируется клапаном 4 и натекателем 3.

Быстрота откачки камеры в соответствии с основным уравне­нием вакуумной техники

_(3.7)

где U – проводимость вакуумной системы от насоса до откачивае­мого объекта; S_Н – быстрота откачки насоса.

Измерения удобно проводить в молекулярном режиме, когда про­водимость U зависит только от ро­да газа и температуры, но не за­висит от давления. Нестабильно­стью быстроты откачки насоса мож­но пренебречь, если S₀ >> U, тогда из (3.7) S_Н ≈ U. Так как S₀= dV/dt, то, согласно (3.2), величина газо­вого потока

Q = pS₀. (3.8)

Метод постоянного объема. Для определения газового потока мето­дом постоянного объема можно ис­пользовать схему на рис. 3.3, а. В этом случае насос 1 и клапан 2 ис­пользуются в качестве вспомога­тельной вакуумной системы для по­лучения вакуума в объеме 3. В процессе измерения клапан 2 за­крывается. Газ из баллона 6 через натекатель 4, поступающий в объем 3, вызывает увеличение давления р. Если поток газа по­стоянен, то происходит линейное повышение давления (кривая 2 на рис. 3.3, б). По скорости повышения давления определяют га­зовый поток:

Q = V dp/dt. (3.9)

В момент прекращения откачки вакуумной камеры (t = 0) в ней возникает газовыделение адсорбированных газов, приводящее к нелинейному повышению давления (кривая 3 на рис. 3.3, б). Суммарное изменение давления происходит согласно кривой 1 (рис. 3.3, б). Для надежного измерения потока методом постоян­ного объема газовыделение должно быть мало по сравнению с из­меряемым газовым потоком. Этого можно достичь длительной предварительной откачкой вакуумной камеры.

Рис. 3.3. Схема для определения потока газа методом постоянного объема: а – вакуумная схема; б – кривые откачки

_{Метод постоянного объема можно использовать для определе­ния производительности и быстроты действия вакуумных насосов. Насос 1 (рис. 3.4) непосредственно подключается к откачиваемо­му объекту 2. По кривой откачки (рис. 3.5, а) определяется в каждый момент времени ti значение рi и по tg φ – значение (dp/dt). Если выполняется условие V >> SН, то производительность насоса в каждый момент времени можно рассчитать по формуле (3.9). Быстрота откачки насоса (рис. 3.5, б).}

Рис. 3.4. Определение производительных вакуумных насосов методом постоянного объема

Рис. 3.5. Экспериментальное определение производительности вакуумных насосов: а – кривая откачки; б – зависимости быстроты откачки S(t) и производительности вакуумного насоса от давления на входе p Q(2)

Косвенные методы определения газовых потоков. Методы из­мерения газовых потоков, точность которых может быть обеспе­чена только после предварительной градуировки, называются кос­венными. Чувствительность по потоку приборов для косвенных из­мерений

К_Q = a/Q, (3.10)

где а – показания прибора в делениях самой чувствительной шка­лы; Q – газовый поток, определенный абсолютным методом.

В процессе градуировки определяется диапазон потоков, в ко­тором сохраняется линейность градуировочной характеристики. Проверка градуировки в процессе эксплуатации осуществляется с помощью калиброванных течей, одна из конструкций которых показана на рис. 3.6. Она представляет собой стеклянный баллон 1, заполненный гелием при давлении 10⁵ Па. В баллон впаяна че­рез переход 2 кварцевая трубка 3. Гелий диффундирует сквозь плавленый кварц. Для потоков 10^–6…10^–9 м³∙Па/с проверка те­чей может производиться один раз в год.

Рис. 3.6. Конструкция калибровочной течи

Примером косвенного метода измерения газовых потоков яв­ляется тепловой метод. Теплопередача в области низкого вакуума при вынужденной конвекции зависит от скорости течения газа, а температура нагретой нити, сле­довательно, от потока газа. В связи с тем, что точный расчет зависимости между температурой и газовым потоком выполнить сложно, градуируют тепловой потокомер по абсолютному при­бору.