Вакуумный практикум. Учебно-методическое пособие

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ к работе № 2

Контрольные вопросы включают задания 1–8 в виде теста. Выберите правильный, с Вашей точки зрения, ответ

исравните с ответами, приведенными в конце пособия

1.Тепловые манометры нельзя использовать при давлениях, меньших 10–4 мм рт.ст., и при давлениях, больших 1 мм рт.ст., так как:

А. Постоянная Больцмана за пределами этих значений давления начинает изменяться;

Б. Электропроводность газа за пределами этих значений давления не изменяется;

В. Теплопроводность газа за пределами этих значений давления не изменяется;

Г. постоянная Больцмана за пределами этих значений давления не изменяется.

2.«Дифференциальный» гидростатический манометр становится «абсолютным» когда:

А. Давление газа над одним из колен больше, чем над другим; Б. Давление газа над одним из колен много больше, чем над другим; В. Давление газа над одним из колен меньше, чем над другим.

3.Зависимость показаний тепловых манометров и их чувствительности от рода газа вызвана:

А. Химическими реакциями на поверхности нити; Б. Вторичной электронной эмиссией на поверхности нити; В. Влиянием рода газа на его теплопроводность.

4.Зависимость показаний тепловых манометров и их чувствительности от температуры газа вызвана:

А. Влиянием средней тепловой скорости молекул газа на его теплопроводность;

Б. Химическими реакциями на поверхности нити; В. Вторичной электронной эмиссией на поверхности нити.

5.Зависимость показаний тепловых манометров и их чувствительности от влажности воздуха вызвана:

А. Химическими реакциями на поверхности нити; Б. Вторичной электронной эмиссией на поверхности нити; В.Влиянием состава газовой смеси на ее теплопроводность.

6.Для того, чтобы ток через нить теплового манометра не изменялся при изменении давления, источник питания должен быть:

22

Лабораторная работа № 3

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ДАВЛЕНИЙ ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ И ТЕПЛОВЫМИ МАНОМЕТРАМИ

3.1. Цель работы:

Знакомство с теорией и техникой получения вакуума, методами измерения малых давлений, используемыми в физическом эксперименте, а также с методами градуировки тепловых манометров-вакуумметров по абсолютному гидростатическому манометру.

3.2. Перед выполнением работы необходимо:

–изучить способы получения вакуума: принцип действия и типы вакуумных насосов, вакуумных кранов, ([1] – с. 9–20, [2] – с. 79–136, [3] –

с. 60–105, 177–182);

–познакомиться с принципом действия манометров различных типов, в томчислетепловых(термопарногоиманометрасопротивления)игидроста-

тического ( [1] – с. 20–30, [2] – с. 136–155, [3] – с. 106–147);

–изучить влияние рода газа на показания тепловых манометров ([1] –

с. 20–30, [2] – с. 136–155, [3] – с. 106–147). 3.3. Отчет по работе должен содержать:

–название и цель лабораторной работы;

–схему лабораторной установки;

–вывод рабочей формулы для системы дозирования газа;

–методику градуировки тепловых манометров (кратко);

–градуировочные кривые для термопарного манометра и манометра сопротивления.

3.4. Типы измерителей низких давлений

3.4.1. Гидростатический U-образный масляный манометр ММ (рис. 3.1)

Рис. 3.1

24

Обозначим: давление и высоту столба жидкости в левом (открытом и соединенном с системой ) колене как P1 и h1, а в правом, закрытом колене – как P0 и h0. Условие равновесия столба жидкости плотностью ρ будет

P1 – P0 = ρgh0 – ρgh1 ,

и тогда измеряемое манометром давление P1

P1 = P0 + ρg (h0 – h1) = P0 + ρg h ,

где h – разность высот уровней жидкости в правом и левом коленах. Такой манометр является дифференциальным.

Очевидно,чтоприP0=0илиприP0 <<P1 показанияманометранезависят отP0:Р=ρg h,идифференциальныйманометрстановится«абсолютным»,а при использовании в качестве рабочей жидкости ртути, позволяет производить отсчет непосредственно в мм рт. ст.

Минимальное давление, которое при этом можно надежно зафиксировать,определяетсяточностьювизуальногоотсчета h,иоказываетсяпорядка 1 мм рт. ст. Повысить точность измерений малых давлений (чувствительность манометра) удается заменой ртути на другую жидкость с меньшей

плотностью ρ. Так, при использовании в качестве рабочей жидкости–ваку-

ρHg ≈

умного масла ( ρ 17), разности высот h~мм соответствует давление

масла

1/17 мм рт.ст., т.е. чувствительность манометра повышается в 17 раз.

3.4.2. Тепловые манометры (термопарный манометр и манометр сопротивления).

Измерение давления в данной работе электрическими методами производится с помощью тепловых манометров двух типов: «термопарного» манометра и манометра сопротивления (манометра Пирани), предназначенных для измерения давлений в диапазоне от 0,2 до 10–4 мм рт.ст. Схемы включения таких манометров показаны на рис. 3.2.

Датчик термопарного манометра (рис. 3.2, a) содержит нить 1, нагреваемую током от выпрямителя и соединенную с термопарой 2, предназначенной для контроля температуры нити. Температура нити и э.д.с. термопары зависят от теплопроводности газа, т.е. от рода газа и величины его давления в колбе датчика. Величина тока I через нить (называемую в ряде приборов– «нагревателем») может регулироваться с помощью переменного резистора Rрег. Измерительный прибор ИП может или контролировать ток в цепи нити (переключатель П – в положении «Ток нагревателя» или измерять термо-э.д.с. термопары датчика (переключатель П – в положении

«Измерение»).

25

а) б)

Рис. 3.2. Общий вид и схемы включения тепловых манометров-вакуумметров: а – термопарного манометра, б – манометра сопротивления (Пирани)

На рис. 3.2, б показана схема манометра сопротивления. Датчиком его является нагреваемая постоянным током (от выпрямителя Выпр) вольфрамовая нить, температура и сопротивление R которой оказывается однозначно связанным с родом газа и величиной его давления. Добавочное сопротивление Rд в цепи датчика подобрано таким (Rд>>R), что изменение сопротивления нити (при изменении давления p ) практически не изменяет величину тока I в цепи, т.е. I = Const(p). Изменение величины сопротивления R нити датчика контролируется путем измерения падения напряжения U на нем, т.е. R=U/I.

Поскольку тепловые манометры являются приборами косвенных измерений, их необходимо градуировать для каждого газа по точно известным значениям давления. В работе градуировка производится в диапазоне давлений 0,1...10–3мм рт.ст. (13....0,13 Па), которые задаются с помощью дозирующей измерительной системы ДИС.

ПосравнениюсиспользованиемкомпрессионногоманометраМак–Лео- да, описанного в Лабораторной работе № 2 настоящего практикума, данная методика градуировки позволяет ускорить ее процесс, и дает возможность легко провести градуировку не только для воздуха, но и для любого газа (например, любого инертного газа).

3.5. Схема лабораторной установки Обозначения, использованные на схеме (рис. 3.3): ФН – ротационный

объемно-механический (форвакуумный) насос, ТМ – датчик теплового тер-

26

мопарного манометра-вакуумметра (ПМТ-2), ВТ – вакуумметр термопарный (ВТ–2, ВТ–3 или ВИТ) (схема питания и регистрации для ТМ), МС – тепловой манометр-вакуумметр сопротивления (манометр Пирани) (датчик и схема регистрации), ПО–объем, имеющий течь, ДИС – дозирующая измерительная система, включающая: ММ – гидростатический U–образный масляный манометр, ДЗ – дозирующий клапан. К1–К5 – вакуумные краны. Краном К1 к системе может быть подключен либо форвакуумный насос ФН, либо насос другого типа. Кран К2 предназначен для пуска атмосферного воздуха во входной патрубок ФН после его останова при выключении установки (при откачке форвакуумным насосом кран К2 находится в нейтральном положении). Кран К3 – «раздаточный», с его помощью объем ПО может подключаться к системе. С помощью крана К4 осуществляется «деление» давления газа в ДИС в постоянноечислораз,итакимобразомзадаетсямалоеизвестноедавлениегазавпроцессе градуировки тепловых манометров. С помощью крана К5 правое колено ММ можно либо откачивать до давления Р0, либо отсекать от установки для измерений давления в левом колене.

Рис. 3.3. Схема лабораторной установки

3.6.МетодикаполучениямалогоизвестногодавлениягазаспомощьюДИС. Обозначим Vу – объем установки, заключенный «между» кранами К1 и

К4, и VДИС – объем ДИС.

Предположим, что начальное давление газа в установке и в правом колене манометра ММ – P0. Если в отсеченной от установки ДИС давление газа P1 и P0 << P1 (манометр ММ –«абсолютный»), то при соединении ДИС с установкой, учитывая, что масса газа неизменна, и процесс расширения газа изотермический, получим

27

– «коэффициент деления» давления (постоянная установки). (Коэффициент можно определить измерениями давления до– и после присоединения ДИС к установке с помощью манометра ММ).

Если вторично отсечь ДИС от установки, установку откачать до предельно малого давления P0, а затем вторично присоединить к ней ДИС, то

После n–подобных шагов

(Pn)k = P1 -n

(при этом должно выполняться P0 << Pn, в противном случае необходимо вводить соответствующую поправку).

3.7. Ход работы

УКАЗАНИЯ ПО МЕРАМ БЕЗОПАСНОСТИ

1.Работа должна выполняться бригадой, включающей не менее двух человек, причем в каждый момент времени все переключения и регулировки должен выполнять только один студент, а другой (другие) студенты должны внимательно контролировать правильность его действий.

2.При выполнении работы следует постоянно иметь в виду, что стеклянные оболочки проверяемого объема, вакуумпровода, кранов, маноме-

тров и других вакуумных устройств находятся под давлением, равным разности наружного атмосферного давления и давления внутри установки,

28

т.е. при откачке находятся под давлением, практически равным атмосферному. Поэтому любые повреждения оболочек приводят к мгновенному их разрушению и разлету осколков, которые могут нанести травму. В связи с этим, категорически запрещается:

–прикладывать к ручкам вакуумных стеклянных кранов чрезмерно большие усилия, а также при вращении кранов держать в руке какие-либо предметы;

–держатьнарабочемстолепосторонниепредметы(сумки,одеждуипр.);

–включать установку без разрешения лиц, проводящих практикум;

–крометого,вустановке,находящейсяподнапряжением,разъединять разъемы, а также осуществлять какие-либо переключения, не оговоренные инструкцией к работе.

3.7.1. Включение установки. Для этого:

–поставить краны К1–К4 в нейтральное положение, кран на манометре

ММ– в положение «открыт», кран дозиметра ДЗ – в положение «закрыт»;

–включить термопарный манометр и форвакуумный насос ФН;

–по мере откачки воздуха из трубопровода, подключить установку к насосу, повернув кран К1 вправо.

3.7.2.Задаваямалоеизвестноедавлениегазаспомощьюдозирующейизмерительной системы ДИС, произвести градуировку тепловых манометров (термопарного ТМ и манометра сопротивления МС) для воздуха.

3.7.3. Перед началом градуировки:

–включить термопарный манометр ТМ;

–проверить, соответствует ли значение тока накала нити (нагреватель) датчика паспортному значению, при необходимости установить паспортное значение тока, для чего перевести тумблер на лицевой панели в положение «Ток нагревателя» и потенциометром «Ток нагревателя» произвести уста-

новку тока, учитывая, что полное отклонение индикатора равно 150 мА. (При отсутствии паспортных данных необходимо путем регулировки

тока накала нити согласовать показания термопарного и ионизационного манометров при давлении 10–4мм рт.ст. и менее. Для этого необходимо запустить высоковакуумный диффузионный насос и с его помощью откачать установку до указанного давления, проводя измерения ионизационным манометром. Далее, в положении тумблера «Измерение» путем регулировки тока накала (нагревателя) установить э.д.с. термопары термопарного манометра, равной при этом давлении 10 мВ. Перевести тумблер в положение «Ток нагревателя»ипошкалемиллиамперметраотсчитатьпаспортноезначениетока.)

–включить источник питания и вольтметр измерительной схемы МС. 3.7.4. Определить коэффициент «деления давления» . Для этого:

–откачать систему до предельного вакуума;

–поставить все вакуумные краны в нейтральное положение, а кран на манометре ММ в положение «закрыт»;

29

–с помощью дозиметра ДЗ напустить в ДИС порцию воздуха, давление которого (P1) измерить манометром ММ;

–краном К4 соединить ДИС с установкой и измерить давление расши-

рившегося газа (P1)к, вычислить коэффициент .

3.7.5. Последовательность действий при градуировке тепловых манометров:

–задать малое известное давление газа, для этого: откачать систему до предельного вакуума, поставить все вакуумные краны в нейтральное положение, а кран на манометре ММ в положение «закрыт»; с помощью до-

зиметра ДЗ напустить в ДИС одну или несколько порций воздуха, давление которого (P1) измерить манометром ММ; краном К4 соединить ДИС с установкой и вычислить давление расширившегося газа (P1)к;

– произвести отсчет показаний термопарного манометра (в мВ) и рассчитать величину сопротивления нити манометра сопротивления (в Омах).

Аналогичные измерения произвести для других значений давления (примерно через каждый мВ по шкале термопарного манометра), данные свести в таблицу:

Измерения

Начальное давление в ДИС P1,

мм масляного столба

Начальное давление в ДИС P1,

мм ртутного столба

Давление (P1)к , мм рт.ст.

3.7.6. Для обоих тепловых манометров построить градуировочные кривые, т.е. зависимости U((P1)к) и R((P1)к).

1.1.7.Аналогично провести градуировку манометров по одному из тяжелых инертных газов (по заданию преподавателя).

3.7.8.Объяснить ход полученных кривых и их отличия для воздуха и инертного газа.

3.7.9.Выключить установку, для чего поставить краны K1–K4 в ней-

тральное положение, кран на манометре ММ в положение «открыт», выключить форвакуумный насос, и незамедлительно соединить входной патрубок форвакуумного насоса через вакуумпровод с атмосферой, повернув кран K2.

30