Читайте также:
|
В США критерий --- если иследование не дорогие 100 т. ф.л. его выгоднее повторять, чем искать в потоке информации.
Полки Ленинской библиотеки = 400 км и ежегодно удлиняются на 15 км.
Наука породила Джина---Джина информации, который может ее погубить. Чтобы этого не произошло создаются различные иформационные системы.
Т. О. в настоящее время промышленности нужны материалы,которые бы позволили осуществлять технологические процессы в широчайших диапазонах t (сто миллионов градусов до 0 К и давлений от вакуума (космос) до 10,e+005,бар--алмазы). Задача стоящая перед наукой заключается в обеспечении этого, в умении прогнозировании свойств веществ всамых различных диапазонах параметров. Аэто накладывает свои жесткие требования к технике физического эксперемента. Что же представляет из себя эта техника и какии предявляются к ней требования мы и узнаем из этого курса.
Техника эксперимента (Т.Э.)--- это совокупность технических средств, которые обеспечивают проведение экперементального исследования.
Этапы эксперемента
а) локализация объекта исследования
б) приведение объекта в интерисующее нас состояние
в) осуществление воздействия на объект
г) регистрация,измерение ответная реакция объекта на воздействие
а, б, в, г—осуществляются в эксперементальной установки.
Структура эксперементальной установки.
1 измерительные ячейки (И. Я.) --- это основной элемент эксперементальной установки (теплофизической), в котором содержится исследуемое вещество (или протекаемый исследуемый процесс) и в которой это вещество (или процесс) подвергается целенаправленному воздействию.
И. Я. является индивидуальным элементом эксперементальной установки.
Её индивидуальность определяется:
§ Объектом иследования (какое вещество, каково его агрегатное состояние …)
§ Какое свойство изучаемого объекта нас интересует в данном эксперименте
§ Методом исследования интересующего нас свойства.
Экспериментальный метод – это практическая реализация каких-либо теоретических моделей в экспериментальных установках.
Вторая группа – универсальные (чисто унифицированные) элементы экспериментальных установок, которые имеются во многих установках. Они получили название систем.
Система – это совокупность элементов обеспечивающих нормальное функционирование И. Я.:
1) при его подготовке
2) в ходе самого эксперимента
3) при обработки данных.
§ система предназначена для подготовки эксперимента а) система подготовки исследуемого вещества: её функции 1.определение состава вещества или смеси, очистки
2.обеспечение определенного фазового состояния
б)система заправки – обеспечивает определенное количество вещества и необходимое сохранение определенного количества вещества.
2)более универсальными являются системы поддерживающие в И. Я. определенные условия
а)система создания и поддержания температуры, изменения температуры по определенному закону. В этом случаи вместо термостата применяют программаторы.
б) система создания и поддержания давления
в) специальные системы, характерные для определенных установок (постоянство расхода при измерении Ср, измерение время истечения – при исследовании η)
Задача этой группы систем – поддержания параметров состояния неизменными.
3) система измерения, сбора и обработки данных или информации измерительные системы (ИИС)
К ИИС относятся все приборы за которыми наблюдает исследователь.
Функции ИИС:
1) количественная регистрация данных об ответной реакции объекта на воздействие
2) запись данных
3) обработка данных.
Основы вакуумной техники.
Лекция №1
Вакуум (от лат. Vacuum—пустота)—состояние разреженного газа когда давление ниже атм.
Применение высокого вакуума в практике теплофизического эксперимента.
а) очистка вещества от растворяющих газов
б) заправка вещества в измерительную ячейку
в) создание адиабатных условий для И. Я.
г) изоляция объекта от окружающей среды при исследовании теплофизических свойств жидких металлов
д) использование в качестве изоляции при высоких и низких температурах
Введем основные понятия:
Вакуумная техника – это совокупность методов и технических средств для создания, поддержания и измерение вакуума в процессе физического эксперимента
В физике и технике принято называть вакуумом состояние газа, когда его давление меньше атмосферного. Наименьшие достигнутое давление 10.e-13--10.e-14 мм. рт. ст.
Основным критерием для характеристики степени разряжения газа в аппарате является отношение длины свободного пробега молекулы к характерному размеру аппарата d –так называемый критерий Кнудсена:
Kn= /d
где =2*10.e-5 Т/Р, см
Р—мм. рт. ст., т.е. при уменьшении Р --возрастает.
В вакуумной технике различают:
низкий вакуум,
средний вакуум,
высокий вакуум,
сверхвысокий вакуум.
Низким вакуумом называют состояние разряжения газа в сосуде, характеризующееся тем, что <<d. Такому состоянию соответствуют давление 760 мм. рт. ст. – 1 мм. рт. ст. Kn<<1
Средний вакуум ~d Kn=1 1 мм. рт. ст. Р 10.e-4 мм. рт. ст.
Высокий вакуум >d Kn>1 10.e-4 мм. рт. ст. Р 10.e-8 мм. рт. ст.
Сверхвысокий вакуум >>d 10.e-8 мм. рт. ст. Р 10.e-14 мм. рт. ст.
Поскольку, как мы видим, давление при которых находится газ в вакуумных системах малы, то следовательно его можно расматривать как идеальный и лля него применяются законы:
1 Бойля—Мариота
РV=const при Т= const
2 Гей—Люсака
Р=Ро*(1+ *t)
V=Vо*(1+ *t)
t—в °С Vо и Ро объем и давление при 0°С.
Закон Авогадро: В равных объемах при одних и тех же Р и Т количество молекул различных газов равно.
Вывод: любой газ, масса которого численно равна молекулярной массе М, занимает один и тот же объем.
Уравнение состояния идеальных газов:
РV=N*m*Ro*T/M
V-- объем; N—число молекул в объеме V; m—масса одной молекулы; Rо—универсальная газовая постоянная
Rо=8.314 кДж/(кмоль*град);
V—м; --н/м; М—кг/кмоль; m-- кг;
Закон Дальтона
Рсм= Рі Рі—парциальное давление.
Режим течения газов при низких давлениях.
В рамках кинетической теории принято считать, что каждая молекула обладает собственной скоростью, газ в целом остается неподвижным. Однако в процессе откачки приходится неподвижным, происходящими при движении всей массы газа относительно стенок трубопроводов откаченный объем с вакуумным насосом.
Течение может быть турболентным и ламинарным (Re<2300)
Турбулентное течение газа имеет место при высоких давлениях. Оно существует в течение непродолжительного времени—в начальный момент откачки.
При ламинарном течении различают три режима:
1 вязкостный
2 молекулярный
3 молекулярно-вязкостный
1 Вязкостный—наблюдается в низком вакууме, <<d.в этих условиях число столкновений между молекулами намного превышает число ударов о стенку и газ в целом движется с различной скоростью по поперечному сечению трубопровода имеется место параболическая зависимость скорости U от расстояния от стенки r.
U=(Р2-Р1)*(rо - r)/(l)
молекулярный режим течения имеет место в условиях высокого вакуума (>>d). В этом случае молекулы практически не взаимодействуют друг с другом, а сталкиваются только со стенками трубопровода. После удара о стенку молекулы отскакивают от нее в различные направлениях подчиняясь закону косинусов
n=nо*cos
nо—количество молекул в единицу времени по нормали.
Этот закон вытекает из механизма соударения, согласно которому молекулы ударяясь о стенку, не отражаются, как упругие шары, а удерживаются на ней в течении некоторого времени. Затем под влиянием теплового движения в твердом теле они покидают стенку, подчиняясь вероятностным законам испарения.
Однако на концах трубопровода имеется разность давлений Р1-Р2 --- это равноценно существованию градиента концентрации и в трубопроводе устанавливается движение газа с постоянной скоростью по всему сечению в направлении от большой концентрации к меньшей.
3 Молекулярно-вязкостный режим. Реализуется при среднем вакууме (d), тогда по мере понижения давления ослабевает влияние вязкости, и все больше сказывается независимое тепловое движение отдельных молекул газа. Для него предложены полуэмпирические формулы.
Физико-химические явления при низких давлениях.
1. Испарения и конденсация в вакууме
В твердых телах и жидкостях молекулы удерживаются силами межмолекулярной связи и совершают колебательные движения с различной амплитудой, которая зависит от температуры. При увеличении температуры отдельные молекулы уходят на такие расстояния, где практически не сказывается притяжения соседних молекул --- наступает процесс испарения. В замкнутом объеме пар со временем достигает состояния насыщения.
Насыщенный пар не подчиняется закону Бойля—Мариотта. Зависимость Р=f(T) описывается уравнениями вида
lnP=A-B/T
Если производить непрерывную откачку, то равновесие не может наступить, т.к. по мере испарения происходит удаление молекул пара. В этом случае можно говорить о скорости испарения веществ в вакууме. Ее оценивают, пользуясь выражением для массы молекул, удаляющихся в единицу времени с единицы поверхности
µp= M/(2 RT)
М—молярная масса
R---универсальная газовая постоянная
2. Поглощение газов и паров твердыми телами.
Опыт показывает, что твердые тела поглощают значительное количество газа. Газ может проникать внутрь твердого тела. Такое глубинное удержание газа твердыми телами называется абсорбцией.
Газ может также удерживаться поверхностью твердого тела с образованием пленки толщиной несколько молекулярных слоев ---адсорбция. Как правило, эти явления накладываются одно на другое---сорбция. Твердые тела называются сорбентами. Обратный процесс удаления газа из сорбента называется десорбцией.
3. Газопроницаемость металлов в вакууме.
Типичными абсорбентами являются металлы. В зависимости от условий они могут поглощать объемы в тысячи раз, превышающий собственный объем. Титан при нормальных условиях может поглотить 1800 объемов водорода.
Вследствие того, абсорбированные атомы проникают в глубь металла, через некоторый промежуток времени газ начинает проходить сквозь него.
Стационарный поток диффузии газа Q в металлах с толщенной стенки d описывается выражением
Q=w(P1- P2)/d
w—проницаемость металла для данного газа ---поток газа через стенку площадью 1см, толщиной 1 мм при (P1- P2)=1
w=а·ехр(-b/T)
a и b постоянные для данной пары металл—газ.
4. Десорбция газов из твердых тел.
растворенный в твердом теле и адсорбированные на его поверхности газ при вакуумировании начинает выделяться (десорбироваться) тем интенсивнее, чем ниже давление.
Скорость существенно зависит от температуры. Поэтому целесообразному прогреть откачиваемые изделия до более высоких температур, произвести вакуумирование и снова охладить.
Структурная схема вакуумной системы.
Для удаления газа необходимо иметь простейшею вакуумную систему. Она должна состоять, по крайней мере, из трех элементов:
1 ВК—вакуумная камера (откачиваемый объем)
2 Тр---трубопровод—вакуумопровод
3 ВН---вакуумный насос (откачное средство)
Работа вакуумного насоса основана на принципе нейтральной откачки и выбрасывании порций газа через выпускной патрубок в атмосферу, либо входной патрубок. Вместо удаленного газа будет непрерывно поступать газ по вакуумопроводу из откачиваемого объема, количество его в системе будет непрерывно уменьшаться. Поскольку температура газа постоянна, уменьшение количество газа вызовет понижение давления, которое можно вычислить, применив уравнение Менделеева—Клапейрона
P1=P0·N1/N0,
Где P1,P0,N1,N0---начальное и конечное давление и количество молекул газа в откачиваемом объеме.
Следует иметь в виду, что в любой вакуумной системе нельзя добиться полной герметичности, т. к. имеются швы, соединения и уплотнения. Кроме того, нельзя полностью устранить газовыделение материалов, из которых изготовлена система, десорбция, и газопроницаемость материалов.
Кроме указанных элементов В. С. содержит вакуумметр (прибор для измерения давления в системе), натекатель и т. д. В зависимости от того, как во время опыта поддерживается вакуум, в системе различают системы:
1 статическим вакуумом создается вакуум, но не поддерживается во время опыта. Вакуумная камера отключена от внешней среды, т. е. герметизирована. В этих условиях будет наблюдаться ухудшение вакуума – давление повышается. Иногда этот эффект компенсируется за счет веществ поглотителей (геттеров). Пример статического вакуума – радиолампа.
2 Динамический вакуум – В. Н. Включен в течение всего опыта, и он выбрасывает в атмосферу определенное количество газа, которое натекает в В. К. за счет различных факторов – натекатель.
Вакуумостят – прибор для поддержания постоянного вакуума, должен содержать вакууметр, натекатель и И. М. (исполнительный механизм для регулировки натекателем).
Различают несколько типов вакуумных систем.
Открытая система – система, в которую попадает воздух из атмосферы и из насоса выбрасывается в атмосферу.
Данные системы работают на открытом воздухе. Если необходимо чтобы в В. К. находилось определенное вещество, то делают систему замкнутого типа.
РС – ресивер
Процесс откачки вакуумной системы.
Процесс откачки начинается с включения вакуумного насоса. При =0 вакуумная камера заполнена воздухом при = атм. При включении В. Н. давление начинает уменьшаться. Причем темп уменьшения давления в различных точках системы будет неодинаков.
Pн – давление во входном сечении В. Н. (на всасывающем патрубке)
Pс – давление на входном сечении трубопровода.
Считаем что Pс=idem=const во всех точках вакуумной камеры.
н - время запуска – время выхода на номинальный режим.
Рс Рн в трубопроводе всегда будет перепад давления Р, за счет которого газ перемещается по трубопроводу.
Введем понятие потока газа – количество газа, проходящего в единицу времени через поперечное сечение трубопровода при давлении Р, если газ находится в равновесном состоянии при Т=const
Q=PV PV=м Па/с=Вт
Q – поток газа; V – объем газа, проходящее через любое сечение системы в единицу времени; Р – давление в этом сечении.
Согласно уравнения состояния однородного газа
Q=PV=kNT
k– постоянная Больцмана, N – число молекул, проходящих через сечение в единицу времени.
Расход можно выразить различными способами.
1 Массовый – масса газа, проходящего через сечение в единицу времени;
2 число молекул проходящего через сечение в единицу времени;
3 Объемный расход – объем газа, проходящий через сечение в единицу времени. (Этот объем измеряется при давлении в данном сечении)
Объемный расход, приведенный к атмосферному (или другому, характерному для данной системы) давлению.
Поток газа Q представляет собой объемный расход, приведенный к единице давлению.
Массовый расход G можно выразить через поток газа следующим образом
G=Q = VP
Для часто используют аналогию между вакуумной системой и электрической цепью. Поток газа Q для данной системы величины const, в какой бы точке системы мы не определяли P и V. в связи с этим можно установить аналогию между потоком Q и силой тока в электрической цепи, также как сила тока пропорциональная числу электронов, проходящая через любое сечение в единицу времени, так и поток газа пропорционален числу молекул, проходящих через любое сечение в единицу времени (Q=kNT). Потенциалу в электрической цепи соответствует давление в каждой точке насматриваемой вакуумной системы.
об аналогии с электрической цепью можно записать
Q=(P2-P1) /W=U(P2-P1),
где U – величина обратная сопротивлению W называется пропускной способностью трубопровода или его проводимостью
U=1/W=Q/(P2-P1) (1)
Пропускная способность характеризуется количеством газа, протекающим через любое сечение вакуумопровода за единицу времени при движущей разности давлений =1.
U – зависит от геометрических размеров и режима течения.
Если трубопровод соединен последовательно то
Wпос= Wі 1/Uпос= 1/Ui (2)
При параллельном соединении трубопроводов
1/Wпарал= 1/Wi Uпарл= Ui (3)
Для количественной характеристики степени вакуума в системе пользуются параметрами:
1 Быстрота действия насоса Sн
2 Быстрота откачки объема Ѕ
Быстрота действия насоса – определяется объемом газа, поступающего в единицу времени из вакуумопровода в насос при впускном давлении Р1
Ѕн=-(dVн/dt)P1 (4)
dVн – бесконечно малый объем газа, входящий в насос при P1 за бесконечно малый промежуток времени dt.
Переход к бесконечно малым величинам обусловлен тем фактом, что Sн зависит от Р, которое, в свою очередь, зависит от времени, - — означает процесс разрежения, а не сжатия.
В вакуумопроводе с сопротивлением W скорость снижения давления у откачиваемого объема будет меньше, чем у входа в насос. Следовательно, эффективность насоса не будет полностью использоваться, поэтому приходится вводить понятие быстроты откачки объема S. По аналогии с (4) запишем
Ѕ =-(dV d)Р, (6)
Ѕн и Ѕ измеряются в объемных единицах за единицу времени.
Количество газа, проходящее через любое сечение вакуумопровода за единицу времени величина const. Поэтому количественно поток может быть записан
Q=P(V/), (6)
Где Р давление в определенном сечении, V – объем газа проходящий через тоже сечение за время.
Применив (6) к сечению входного патрубка В. С.
Q=P1(V/)=P1Sн (7)
P1—Рн, Ѕн – быстрота действия насоса.
В любом сечении системы по аналогии
Q=PS (8)
Следовательно, зная поток газа Q, можно определить быстроту откачивающего действия в любом сечении вакуумной системы, если известно Р.
Подставив выражение (8) в выражение (1) получим основное уравнение вакуумной техники.
Q=U(Q/So-Q/Sн) 1/So=1/Sн+1/U (9)
U – пропускная способность трубопровода.
Уравнение (9) показывает, насколько фактическая быстрота откачки So отличается от быстроты действия насоса Sн, имела бы место в отсутствии вакуумопровода.
1/So=1/Sн+1/U это уравнение характеризует систему с точки зрения ее эффективности. Позволяет определять быстроту откачки объема So зная быстроту действия насоса Sн и пропускную способность системы U.
Рассмотрим два случая.
1 U>>Sн проводимость намного больше скорости откачки насоса. (насос малой производительности и трубопровод большого диаметра) Определяющая величина Sн.
2 U<<Sн проводимость намного меньше скорости откачки насоса. (насоса большой производительности и трубопровод малого диаметра, большой длины) Определяющая величина U.
Проводимость вакуумопровода зависит:
от формы сечения канала различные расчетные уравнения;
от режима течения газа в вакуумопроврде.
Уравнение процесса откачки.
Данное уравнение описывает изменение давления в системе во время откачки.
Течение газа в реальной вакуумной системе может иметь место только при наличии градиента концентрации соответствующего газа.
Закономерность для определения пропускной способности U приведены в литературе позволяют рассматривать стационарные режимы течения газа, т. е. малые режимы, когда
давление в каждой точке остается неименным во времени;
величина потока Q=const;
режим течения газа одинаков на всем протяжении трубопровода.
Это соответствует случаю, когда количество газа, удаляющего в единице времени из вакуумной системы, рано количеству поступающего в нее газ или когда придельное давление в системе достигнуто и необходимо лишь его поддерживать. Однако на практике часто приходится решать задачу откачки объема от начального давления (Ратм) до заданного конечного давления.
На практике во время откачки имеет место нестационарный режим течение газа, при котором давление и скорости течения газа в каждой точке вакуумной системы непрерывно меняются. Однако решения задачи нестационарного режима течения газа в общем, виде представляет значительные математические трудности. Для упрощения расчетов решают задачу при так называемом квазистационарном режиме течении газа.
Квазистационарным называется режим течения газа, при котором
разность давления на концах трубопровода мала по сравнению со среднем давлении в нем;
объем трубопровода значительно меньше откачиваемого сосуда;
в трубопроводе в каждый момент времени существует один режим течения газа.
Если рассмотреть случай; откачка из камеры при постоянной скорости откачки S1=const, при бесконечно большой пропускной способности трубопровода U и предельном давлении Po можно получить уравнение процесса откачки
P=(Pi-Po)exp(-S1 /V)+Po (1)
Pi - давление при =0 (т. е. атмосферное давление)
- время достижения Po
V – откачиваемый объем
Отсюда время откачки
=V/S1·ln((Pi-Po)/(P-Po)) (2)
приведенные формулы верны для вязкостного и молекулярных режимов течения. Возможны другие случаи: (т. е. начальные условия) для которых в литературе имеются соответстующии формулы.
Расчет потока газа.
Поток газа, поступающего в вакуумную систему суммируется из
потока газов поступающих из обработанных деталей Qизд в вакууме (если таковые есть)
газоотделения стенок вакуумной системы Qгаз обращенных в вакуумную полость
потока газов, натекающих в систему Qнат
Q = Qизд +Qгаз+ Qнат=Рн.минЅн=Р1Ѕо
где Рн.мин – наименьшее давление, установившиеся в сечении входного патрубка насоса;
Ѕн – быстрота откачки насоса при Рн. мин;
Р1 – давление в откачиваемом объеме;
Ѕо – эффективная быстрота откачки объема при Р1.
Qизд=f(m,qизд,)/t где
m – масса изделия; qизд – удельное газовыделение см /г;
- коэффициент учитывающий неравномерность процесса газовыделение; t – время.
Qгаз=qгазF мм.рт.ст.л/сек
qгаз – удельное газовыделение с единицы площади поверхности стенки вакуумной камеры мм.рт.ст.л/см сек;
F – площадь.
При проектном расчете величину газовыделения с поверхностей, имеющих комнатную температуру принимают постоянной во времени. Для газов Qгаз определяют используя qгаз после 1час откачки.
Поток Qнат, натекающий в вакуумную обычно газа по характеристикам элементов вакуумной системы рассчитывается.
В случае их отсутствия равным или несколько большим чувствительности течеискателя, которым предполагается осуществлять проверку системы.
Найдя Q - суммарный поток газов, поступающую в вакуумную систему определяют эффективную быстроту откачки Ѕ0 и затем находят Ѕн
Ѕ0=k Ѕн
k – коэффициент использования насоса;
k=0.5 для высоковакуумных;
k=0.8 0.9 для механических форвакуумных.
Рассмотренная методика предполагает, что скорость суммарного газовыделения меняется незначительно!
Если же скорость газовыделения - var то расчетные формулы другие.
Следует помнить что:
Газовыделение зависит от
а) материала
б) технологической обработки
в) состояния атм в которой находятся материал до его помещения в вакуумную камеру;
Скорость газовыделения пропорциональна истинной поверхности материала;
Скорость газовыделения возрастает с повышением температуры;
Скорость газовыделения постепенно уменьшается со временем;
С достаточной для практики точносмтью можно принять, что скорость газовыделения при Р<10 мм. рт. ст. не зависит от Р (при больших газовыделениях).
Вакуумные насосы, работа которых основана на использовании закона Бойля-Мариота.
Поршневые насосы.
Теоретически при n Pn 0
Однако необходимо учитывать:
конечные значения упругости пара уплотняющей смазки
наличие ’’вредного’’ пространства V из которого газ в нижнем положении поршня не удаляется. Давление во вредном пространстве = атм (иначе клапан к2 не откроется)
натекание.
Минимальное давление в верхнем положении поршня Рmin
Рmin= V/Vmax·760 мм.рт. ст.
Так как клапан к1 может открыться только когда Pn>Pmin, исключая другие факторы (давление паров, натекание и т.д.), то Pmin следует считать предельным давлением, достаточным поршневым насосом (1 0.1 мм.рт. ст.).
Вращательные насосы.
Двух роторный насос.
Имеется два ротора 1, который вращается в противоположные стороны без соприкосновения между собой и статором.
Зазор – несколько сотых мм.
Количество оборотов – 2000—3000 об/мин.
Не надо применять смазок, так как нет трущихся деталей. Поскольку есть зазоры, происходит натекание тем больше, чем выше давление на выходе. По этому насосы данного типа требуют предварительного разряжения. Предельный вакуум 10 –5мм. рт. ст. Обладают постоянной быстротой действия Sн при 10<P 10-3мм. рт. ст.
Вращательные пластинчатые насосы.
Свое название насосы получили из-за наличия в их конструкции пластин, которые в одном типе насосов вращаются вместе с ротором (пластинчато-роторные, многопластинчатые насосы), а в другом – расположены в статоре (пластинчато-статорные насосы).
Пластинчато-роторный насос.
Пластины; А – полость впуска;
Пружина; В – полость переноса;
Ротор; С – полость выпуска;
Статор; к – клапан.
Ротор и статор касаются по образующей ab. При вращении ротора объем полости А увеличивается – происходит всасывание газа. Полость выпуска С уменьшается, что приводит к сжатию газа и выталкивание его наружу.
Быстрота действия насоса может быть записана в виде
Sн=nV
n – число оборотов, V – рабочий объем камеры (объем статора – объем ротора).
Объемы расположенные между общей образующей и отверстиями в статоре являются ’’вредными’’ пространствами. Вредность пространства у выходного отверстия заключается в том, что в нем газ сильно сжат, в то время как в полости всасывания создается разряжение в результате чего возможен прорыв газа в откачиваемую систему.
Насос нуждается в смазке - недостаток!
Предельный вакуум Рп – зависит от:
Величины вредного пространства
Качества обработки поверхности
Сорта смазки
Для одноступенчатого Рп – 10-1– 10-2мм. рт. ст.
Для двухступенчатого Рп 10-3мм. рт. ст.
Пластинчато-статорные насосы.
Ротор, к – клапан,
Статор, А – всасывающая полость,
Пластина В – выпускная полость,
Пружина.
Ротор насажан эксцентрически по отношению к камере. Пластина под действием пружины может участвовать в возвратно-поступательном движении разделяя рабочую камеру на две полости:
всасывающую А и выпускную В. При вращении объем полости А увеличивается, В – уменьшается.
Быстрота действия Sн=nV
Преимущества:
Малый объем вредного пространства
Меньшее количество малых мест через которое газ смог бы просачиваться в откачиваемую систему.
Для повышения герметичности и смазки трущихся поверхностей весь агрегат насоса, за исключением входного патрубка, помещается в масляную ванну.
Предельный вакуум Рп – 10-4 мм. рт. ст.
В практики нашли применение многопластинчатые вращательные насосы: в эксцентричном посаженом роторе имеется несколько пазов, в которых находятся подвижные пластины.
Насосы, работа которых основана на использовании явления внутреннего трения.
Общие сведения. Согласно кинетической теории внутреннее трение обусловлено передачей импульса от молекул быстро движущегося слоя молекулам медленно движущегося слоя. Работа насосов, которые используют это явление заключается в следующем: при движении рабочего вещества (жидкость или пар) в трубке переменного сечения устанавливается перепад давлений описывающих уравнением Бернули
Р1-Р2=0.5 (U22-U12),
Где Р1, U1- давление и скорость в сечении S1
Р2, U2- давление и скорость в сечении S2
– массовая плотность рабочего вещества.
Водоструйные насосы.
водоструйная магистраль;
сужение;
отводная трубка;
струя воды с давлением несколько кг/см подается в трубку 1 и вместе ее сужения выходит с повышенной скоростью. В избежания разбрызгивания отводная трубка 3 делается расширенной. Вследствие внутреннего трения струя воды увлекает с собой газ откачиваемого объема и переносит водогазовую смесь к выпускному отверстию насоса.
Предельный вакуум Рп=5 20 мм. рт. ст. (Рнас. воды).
Пароэжекторные насосы.
Эжектор – сверхзвуковое расширяющееся сопло. Струя пара рабочей жидкости (вода, ртуть, масло) выходящая из сопла 1 в камеру 2 расширяется и ее энергия давления переходит в энергию скорости потока. Форма сопла 1 выбирается такой, чтобы при выходе из него пар двигался со скоростью, больше скорости звука. При этом на границе струи появляется турбулентный слой, приводящий к интенсивному перемешиванию пара и откачиваемого газа и сообщения последнему направленной скорости. То есть в камере смешивания газ получает компоненту скорости в направлении потока рабочего вещества. Образовавшаяся парогазовая смесь из камеры смешения 2 попадает в расширяющийся диффузор 3 в котором скорость уменьшается, а статическое давление возрастает. То есть энергия скорости снова переходит в энергию давления. Из диффузора 3 газ выходит при давлении, значительно превышающем давление на входе в камеру смешения.
Основное преимущество эжекторных насосов: большая быстрота действия в диапазоне Р=10-110-2мм. рт. ст., то есть в той области, которая близка к предельному вакууму насосов предварительного разряжения (например – вращательных). Эжекторные насосы рационально располагать между высоковакуумным насосом и насосом предварительного разрежения.
Бустерные насосы (вспомогательные).
В бустерных насосах начальное давление молекулярного газа производится за счет вязкостного трения, имеющего место на границе струя-газ с дальнейшей его диффузией в струю пара рабочей жидкости. Бустерные насосы применяются в диапазоне давлений Р=10-110-4мм. рт. ст. при сравнительно высоком вакуумном давлении (1 10 мм. рт. ст.). На верхней границе диапазона механизм откачки чисто вязкостный, а на нижней границе – промежуточный, с переходом к молекулярному.
Для поддержания постоянной быстроты действия насоса во всем диапазоне давления применяют последовательное соединение ступеней откачки.
Критерием оптимальной работы отдельных ступеней является выполнение уравнения непрерывности потока.
Q=P1S1=P2S2=…=PiSi
S и P – быстрота действия и входное давление соответствующих ступеней многоступенчатого насоса.
Многоступенчатые насосы удобно создавать используя сопла зонтичного типа:
подсопельник;
зонт.
нагреватель;
рабочее вещество;
сопла;
охладительная рубашка;
подушка.
Молекулярные насосы.
При изучении вращательного вакуумного насоса газ рассматривается с макроскопической точки зрения, как непрерывная среда, в целом неподвижная, хотя каждая молекула участвует в тепловом движении. Изучая молекулярные насосы, необходимо рассматривать газ с микроскопической точки зрения и учитывать поведение и свойства отдельных молекул.
По конструктивному выполнению различают:
а) механические;
б) диффузионные молекулярные насосы.
Механические молекулярные насосы.
Используется специфика явления удара молекул газа о поверхность твердого тела. При таком взаимодействии они не отражаются, как упругие шары, а удерживаются на поверхности некоторое время (малое), после чего удаляются от нее в направлениях, подчиняющихся закону косинусов. Приведя в движение твердое тело, мы тем самым сообщим ударяющимся о его поверхность молекулам газа переносную скорость, направленную в сторону движения поверхности.
Достоинства:
откачка до Р=10-10мм. рт. ст. 10-11;
нет рабочих жидкостей;
не обязательно низкое предварительное разряжение.
Недостатки:
зазор между ротором и статором 0.1 мм это сложно;
при попадании посторонних частиц – заклинивание.
Диффузионные молекулярные насосы.
Работа диффузионных молекулярных насосов основана на принципе передачи импульса молекулам откачиваемого газа. Направленную скорость молекулы откачиваемого газа получают при соударениях с более тяжелыми молекулами струи.
Откачиваемый объем 2 содержащий газ В сообщается трубкой 4 с магистралью большого диаметра 1, по которой движется поток молекул рабочего газа (пара). Через трубку 4 происходит взаимная диффузия молекул А и В. Но если стенки 4 охладить до Т1<Ткргаза А, он конденсируется и не попадает в 2. В то время как газ В, у которого Т>Ткрсвободно будет диффундировать в 1.
Рассмотрим конструкцию парортутного насоса.
Насос предварительно откачивается до 1 мм. рт. ст. при этом ртуть кипит 120 °С. Про диффундировавший газ под воздействием ударов со стороны атомов ртути проталкивается вниз и ударяется насосом предварительного разряжения.
Для предотвращения попадания ртути в откачиваемый объем следует использовать вымораживающие ловушки, которые помещают между парортутным насосом и вакуумной камерой. Предельный вакуум такого насоса 10-5 – 10-6 мм. рт. ст.
Широкое применение нашли паромасляные насосы.
Рабочее тело – масло – в процессе нагрева разлагается, при этом увеличивается количество летучих компонентов (крекинг). Это снижает предельный вакуум. Этот недостаток значительно устраняется в фракционирующих (разгонных) насосах. Здесь предусмотрено автоматическое разделение фракций и удаление легколетучих компонентов от высоковакуумной части насоса.
Стеклянный фракционирующий насос.
Рп=10-6 – 10-7 мм. рт. ст. может быть разделение в кольцевом зазоре – компактно.
Принцип работы ионных насосов.
Молекулы откачиваемого газа ионизируются, например, электронами, выходящими из катода. Образовавшимся положительным ионом необходимо собирать направленную скорость в сторону предварительного разряжения, где они могут быть связаны одним из механизмов сорбции им после нейтрализации откачаны форвакуумным насосом. Рп=10-6
1. Адсорбционные насосы.
Принцип действия основан на связывании газов механизмом физической адсорбции некоторыми пористыми адсорбентами. Для процесса адсорбции поглотитель необходимо охлаждать.
Рабочими веществами насосов служат активированный уголь, и некоторые сложные силикаты (цеолиты).
Регенерация (восстановление) цеолитов происходит при нагреве в атмосфере или вакууме.
Рп ≈10-8 мм. рт. ст. работает то атмосферного давления при многократном цикле: откачки, регенерации, откачки … и т.д.
Конденсационные (криогенные) насосы.
Работа насосов основана на конденсации газов и паров на поверхности твердого тела, охлажденных до очень низких температур.
Рп=10-12 мм. рт. ст.
На охлаждаемых поверхностях накапливается слой конденсата, который удаляется при нагревании с помощью форвакуумного насоса.
Вакуумная аппаратура и вспомогательные устройства.
Ловушки.
Ловушки применяются:
а) для снижения давления в откачиваемом объеме
б) для предотвращения попадания паров рабочей жидкости в откачиваемый объем
в) для защиты механического насоса с масляным уплотнением от попадания паров, отрицательно сказывающих на его работе.
Принцип работы ловушек может быть самым разнообразным:
1) пары масла могут конденсироваться
2) пары масла могут адсорбироваться
3) пары масла могут связываться химически
4) пары масла могут полимеризоваться до твердых частиц
5) пары масла могут разлагаться до углерода и водорода
6) пары масла могут сжигаться в потоке кислорода и т.д.
Требования, предъявляемые к ловушкам:
1) ловушки должны хорошо защищать откачиваемый объем от проникновения паров рабочей жидкости;
2) ловушки должны как можно меньше снижать быстроту откачки объема. Правильно сконструированная ловушка снижает быстроту откачки не больше, чем на 40-50%. Удельная пропускная способность ловушки может быть определена как отношение полной пропускной способности Uпов к площади входного отверстия
Uуд. лов= Uпов /S л/сек·см²
3) ловушки должны быть легко разборными, иметь доступ к защитным элементам для их периодической очистки;
4) ловушки, применяемые в сверхвысоковакуумных системах, должны допускать прогрев до 450 °С с целью их обезгаживания;
5) конструкции охлаждаемых ловушек должны обеспечивать малые скорости расхода хладагента;
Ловушки без адсорбента.
1) Шевронная ловушка.
Пропускная способность зависит от числа щелей. Расстояние между вершинами углов равно проекции стороны уголка на горизонталь. Ловушка может охлаждаться водой, фреоном, азотом.
Конструкции лабиринтовых ловушек.
2) Охлаждаемый колпачок.
Чем ниже температура охлаждения ─ тем лучше, т.к. через некоторое время в откачиваемом объеме установится давление, определяемое упругостью паров наиболее летучего из имеющегося в системе вещества.
3) Охлаждаемые ловушки (ставится за насосом, перед системой).
Ловушки такого типа могут устанавливаться в верхней части диффузионного насоса или пароструйного насоса.
Недостатки охлаждаемых ловушек ― непрерывная подача хладагента.
Адсорбционные ловушки.
В качестве адсорбента могут использоваться:
1) медная фольга
2) активированный уголь
3) окись алюминия и т.д.
конструкции могут быть самые различные.
Термосорбционные ловушки.
Конденсационные и адсорбционные ловушки имеют недостатки: 1 малая пропускная способность
2 применение хладоагентов
принцып работы термосорбционных ловушек основан на использовании каталитических и сорбционных свойств титановой пленки.
В ловушке предусмотрено 2 зоны, запиленные титаном: а) горячая, в которой происходит интенсивный распад углеводородных соединений, поступающих из паромаслянного диффузионного насоса;
б) холодная зона, где идет сорбция продуктов распада. Применение этих снижает предельное давление на порядок и увеличивает быстроту откачки при низких давлениях (для диффузионных насосов).
Запорные устройства:
1) Краны. Бывают стеклянные и металлические. Пробка притерта к седлу. Конусная пробка (конус 1:5,1:10) смазывается смазкой Рамзия. Используют в небольших вакуумных системах.
Основной недостаток:
1) При повороте крана смазка уменьшает проходное сечение
2) Давление насыщенных паров смазка снижается Рп
2) Вакуумные вентили. Характеризуются перпендикулярным расположением штока к уплотняемой поверхности. Вентиль состоит:
1 корпус с седлом
2 клапан
3 шток
Недостаток: 1. Через сальник может проходить воздух.
2.Сальник может иметь значительное РS поэтому необходимо применять фторопласт.
Для устранения этих недостатков используют сильфонные и мембранные вентили.
Вентили могут иметь привод:
1 механический,
2 пневматический,
3 гидравлический,
4 электрический.
Натекатели.
Натекатели – устройства, предназначенные для создания искусственной регулируемой течи в вакуумной системе. Натекатили необходимы в любой установке, так как перед разборкой вакуумной системы необходимо в нее напустить воздух.
Натекатили бывают:
1 Игольчатые – это вентиль, имеющий иглу с углом заточки 4-6°. Тонкое перемещение иглы осуществляется с помощью дифференциальной резьбы. Ход штока (иглы) за один оборот маховика составляет ≈0.05 мм (шаг резьбы 1.25 и 1.20).
2 Натекатели, использующие пористые материалы (керамическая пластина). Регулированные величины натекателя осуществляется ………………………
3 Натекатели с резиновыми и фторопластовыми прокладками (для грубого регулирования натекания) тонко регулируется зазор между седлом вентиля и резиновой прокладкой.
Соединение некоторых узлов вакуумной системы.
Соединения могут быть:
§ Стационарными (неразъемными): спай стекла со стеклом, стекла с металлом, спай металла и соединения (смотри технику высокого давления).
§ Подвижные соединения: соединения с помощью вращающихся шлифов, металлических шлангов и сильфонов, и сальников.
§ Разъемные соединения: соединения при помощи резины, фланцевые соединения, соединения с помощью неподвижных шлифов, различных прокладок.
Материалы вакуумных установок.
1 Конструкционные.
2 Прокладочные.
К материалам, применяемым в вакуумных установках предъявляются специальные требования.
§ Плотность материала (вакуумная плотность) т.е. материалы должны обладать пониженной проницаемостью для различных сред. Сосуд выдерживающий давление в ≈100 атм. может оказаться вакуумно-неплотным. Если в баллоне 150 атм.
Если же давление 10-6 мм. рт. ст. и в сосуд проникнет 1 см³ при 1 атм. Давление изменится 15000 раз.
§ Возможность быстрой десорбции. Этот процесс ускоряет прогрев системы.
§ Низкая упругость пара самого материала.
Дополнительные требования к конструкционным материалам.
§ высокая коррозионная стойкость.
§ Инертность по отношению к маслам и промывочным средствам.
§ Хорошая обрабатываемость с целью получения чистой поверхности (механической частоты).
Требования к высоковакуумным системам значительно жестче чем низковакуумным.
Стекло и керамика.
Стекло: из-за высокой хрупкости диаметр меньше 300 мм. Возможность прогрева до 300-400 °С. В стекле нет пор – т.е. оно практически газонепроницаемо. Стекло прозрачно – это очень удобно. Стекло удобно принимает любую форму, спаивается с металлами. Имеет высокие электроизолирующие свойства.
Стекло делят на две группы:
1) Легкоплавкие (температура размягчения 490-610°С) α≈90 ·10-7 1/с
2) Тугоплавкие (температура размягчения 550-640°С)α≈40∙10-7 1/с
3) Кварцевое стекло (температура размягчения ≈1500°С) α=5.8·10-7 1/с
Недостатки:
Стекло всех сортов содержит большое количество газов. На поверхности может быть сорбировано количество газа, эквивалентное 50 молекулярным слоям. В объеме стекло может содержатся газы в 100 раз больше. При длительном воздействии атмосферы поверхностный слой разрушается. Полное газовыделение из стекла практически не достигается. При нагреве вновь начинается длительный процесс выделения газа. Перед работой стекло обрабатывают от загрязнений хромовой смесью и слабыми растворами кислот (фосфорной, соляной, плавиковой) с последующей нейтрализацией в щелочи. Обезгаживание можно проводить прокалыванием при атмосферном давлении несколько часов.
Керамические детали – газонепроницаемые при давлении больше 10-9 мм. рт. ст.
Вакуумная керамика делится на:
1) Пористая
2) Вакуумно-плотная
Пористая выделяет в 10 раз больше газов чем вакуумно-плотная. В целом керамика выделяет меньше газов, чем стекло и является более термостойкой, прочной.
Металлы.
Металлы не являются абсолютно вакуумно-плотными материалами. Газы проходят через стенки вакуумной камеры.
Наиболее пригодными являются:
Малоуглеродистая сталь
Коррозионно-стойкие стали
Медь
Алюминий
Специальные сплавы
Литые детали используют при среднем вакууме. Целесообразно использовать прокатные изделия. Трубопроводы необходимы цельнотянутые бесшовные, лучше всего из меди. Часто используют гибкие металлические шланги (сильфоны).
Газовыделенеие металлов в вакууме значительно и практически непрерывно. Обезгаживание производят при нагреве под вакуумом. Газ с поверхности удалятся сравнительно быстро, а перенос его из внутренних слоев происходит путем диффузии чрезвычайно медленно.
Расчет вакуумных систем.
Может быть двух типов:
Поверочный – для заданной системы определяются основные характеристики этой системы. Определяется время откачки t и сопоставляют расчетное время с рабочим. Второй этап расчета – используя основное уравнение системы определить слабое место системы (т.е. увеличить диаметр, уменьшить длину определяющего участка, заменить насос на более производительный).
Конструктивный расчет – заключается в определении основных параметров системы Рн, Sн, U при заданных параметрах: объем сосуда V, давление Рс,время τ. Это задача конструирования.
Детали и узды вакуумных систем.
Вакуумные насосы и их классификация.
Вакуумными насосами называется устройства, служащие удаления газов и паров различных веществ из откачиваемых объемов или связывания их различными механизмами сорбции.
Условно насосы можно разделить на две группы:
Насосы удаляющие,газ из объема, начиная с атмосферного давления (насосы предварительного разряжения – форвакуумные).
Насосы, работающие при условии создания необходимого предварительного разряжения.
Эта классификация практически удобна, но отражает физической стороны явлений. Поэтому целесообразна классификация насосов основания на использования в них физических законов:
Насосы, работа которых основана на использовании закона Бойля-Мариотта;
Насосы, работа которых основана на использовании явления внутреннего трения;
Молекулярные насосы: механические и диффузионные;
Насосы, в которых используются ионизация газа;
Насосы, работа которых основана на физико-химическом связывании газов: ионно-сорбционные, электроразрядные, адсорбционные, конденсационные (криогенные).
Характерные параметры вакуумных систем.
Начальное давление Р0 – наибольше давление со стороны входного патрубка насоса, с которого он начинает нормально работать.
Наибольше выпускное давление Рвып – давление выходного отверстия насоса, превышение которого приводит к прекращению нормальной работы насоса. для механических насосов давление на выходе чуть больше атмосферного давления.
Предельное (остаточное) давление Рп – минимальное давление, которое может быть достигнуто после длительной откачки объема, не имеющего натекания извне при отсутствии газовыделения внутренних стенок (при закрытом выпускном патрубке).
Быстрота действия (или скорость откачки) насоса Sн – определяется объемом газа, поступающего в единицу времени из вакуумопровода в насос при впускном давлении Р1. Sн измеряется л/сек или м³/час. Sн не постоянная величина, хотя в определенном диапазоне давления может оставаться постоянной.
Качество насоса тем лучше, чем шире диапазон давлений, в пределах которого быстрота откачки насоса мало меняется. При достижении предельного давления Рп быстрота откачки становится равной нулю.
Производительность насоса Qн – определяется количеством газа, откачиваемого за единицу времени при данном впускном давлении т.е. это поток газа у входа в насос.
Qн =Р· Sн
Sн – быстрота действия насоса; Р – давление откачиваемого газа.
Эффективность насоса h- отношение быстроты действия при данном давлении Sнр к минимальному ее значению Sнм , реализуемому в некотором ограниченном интервале давлений, зависящим от типа насоса
h=Sнр/Sнм
параметр h позволяет сравнивать между собой насосы с различными скоростями откачки.
Вакуум-фактор насоса Х0, определяется отношением фактической быстроты действия Sн к теоретической (максимально возможной) быстроты действия Sнт
Х0=Sн/Sнт
Х0 – зависит от рода газа.
Качество обработки внутренних деталей аппаратуры имеет существенное значение. Чем меньше шероховатостей, трещин и зазоров на внутренних стенках, тем меньше поверхность стенок, а следовательно, меньше выделение газов. Кроме того гладкие поверхности легче промываются. Газовыделение можно существенно снизить, используя вакуумную плавку. Двойная вакуумная плавка снижает газовыделение железа в 300 раз. Газовыделение заметно снижается, если механическим способом снять верхний наиболее окисленный слой, а затем протравить и промыть поверхность металла бензином или ацетоном (уменьшает газовыделение в 50-70 раз).
Уплотнительные материалы вакуумной техники.
В вакуумной технике помимо прокладочных материалов применяют различные замазки, смазки и т.п.
Вакуумная резина:
Белая выделяет мало газов, большая эластичность, прочность. Изготавливают в виде шлангов, шнуров. Применяют до 60°С. Не маслостойкая.
Черная менее эластична, более маслостойкая, пригодна для работы меньше температуры равной 150°С.
Силиконовая резина выдерживает нагрев до 300-350°С, маслостойкая, но имеет остаточные деформации.
Фторопласт-4 или тефлон химическая стойкость выше, чем у золота и платины.
Фторопласт-3 не рекомендуется применять при температуре меньше 70°С.
Витон – по эластичности этот материал превосходит вакуумную резину. Допускает нагрев до 250°С.
Уплотнители и смазки.
Лаки применяются для устранений течей и для уплотнения редко разбираемых деталей не испытованных в условиях среднего и низкого вакуума. В качестве уплотнителей используют:
1 – эмалевая краска; 2 – шеллачный лак; 3 – шеллачно-дегтярный; 4 – глипталевый; 5 – бакелитовый лак.
Эмалевые краски – рабочая температура 30°С
Шеллачный лак – рабочая температура 40°С
Глипталевый лак (раствор глипталевой смолы в спирте) до 200°С.
Смазки.
Смази – вязкие уплотнители для кранов и шлифованных соединений. Изготавливают из произвольных тяжелых углеродов.
Рамзай – парафин+ каучук+ вазелиновое масло. Р≈10-6–10-8 мм. рт. ст.
Замазки.
Замазками – называют уплотнители не шлифованных соединений.
Битум – температура размягчения 70-90°С. Рабочая температура на 10°С ниже. Упругость паров при 20°С 10-6 мм. рт. ст.
Пицеин – температура размягчения 80 -100°С.
Это смесь, битума + шелликим + каучук, не дает трещин. Давление насыщения 10-4 мм. рт. ст.
Эпоксидные смолы Р=10-7 мм. рт. ст.
Материалы для очистки и обезжиривания вакуумной системы.
Обычная подготовка деталей включает в себя:
двух кратная промывка трихлорэтиленом, бензином или ацетоном.
Двух кратная промывка метиловым или этиловым спирте.
Вторую операцию многие считают не столь необходимой.
Масла.
Масла применяют:
В качестве рабочей жидкости для парастуйных насосов;
В качестве уплотнителей для механических насосов;
Для смазки трущихся частей аппаратов;
Для заполнения жидкостных вакуумных манометров и затворов.
Рабочие жидкости для механических насосов с масляным уплотнением.
Требования:
Низкая вязкость при рабочей температуре;
Относительно низкая упругость пара и отсутствие летучих компонентов;
Отсутствие способности поглощать откачиваемые газы, пары воды и создавать с водой эмульсию;
отсутствие взаимодействия с откачиваемыми газами и материалами насоса.
Наиболее распространенные ВМ-4, ВМ-6.
ВМ-6 имеет более узкий фракционный состав, в 3-4 раза выше окислительную стабильность и влагостойкость.
Рабочие жидкости бустерных насосов
Требования:
высокая упругость пара при рабочей температуре в кипятильнике и сравнительно низкая упругость пара при комнатной температуре;
возможно более узкий фракционный состав;
высокая термическая и термоокислительная стабильность;
низкая поглащательная способность газов.
Термоокислительное разложение приводит к изменению фракционного состава и, следовательно, к изменению характеристик насоса.
Марки Г, ВМ-3 и ПФМС-1. Наиболее предпочтительна последняя. При окислении масло темнеет на поверхностях дает смолистые, трудно смываемые осадки.
Рабочие жидкости для высоковакуумных насосов.
Требования те же. Что и для бустерных насосов. Минеральные масла ВМ-1,ВМ-2, ВМ-5, ВМ-7. Эфирные рабочие жидкости ОФ, продукт ОС обладают однородным составом, но низкая термическая стойкость. Кремне органические жидкости ВКЖ-94А, ВКЖ-94Б, ПФМС-2 – отличаются высокой термической, и термоокислительной способностью.
Измерение низких давлений.
Общие сведения.
Состояние разряжения газа (вакуум) в откачиваемом объеме можно количественно оценивать абсолютным давлением, т.е. силой, действующей на единицу поверхности измеряемого элемента. В этом случаи вакуум можно измерять в единицах давления.
Количественной характеристикой вакуума может также служить разность между атмосферным и абсолютным давлением.
Нижний придел достигаемых разряжений двигается все более в сторону низких давлений. Достигнут вакуум 10-14 мм. рт. ст.
По установившейся традиции приборы для измерения низких давлений называют вакуумными манометрами или вакуумметрами. Обычно не различают по названию приборы, измеряющие абсолютные давления непосредственно (манометры) и приборы, позволяющие создать о состоянии разрежения косвенным путем – по зависимости некоторых физических процессов от давления (вакуумметры). Чем ниже давление – тем сложнее его измерить, и тем выше погрешность его измерения.
Давление погрешность
мм. рт. ст. %
760 – 10-2 0.1 – 1.0
10-2 – 10-6 1.0 – 5.0
10-6 – 10-8 5.0 – 10.0
10-8 и ниже 10.0 – 50.0
Источники ошибок (некоторые):
отсутствие данных о составе остаточного газа.
Выделение и поглощение газа электродами и стенками датчика вакуумметра.
Изменение во времени градуировочной кривой, проходящей в результате загрязнения датчика.
И т.д.
Классификация приборов для измерения низких давлений.
В основу классификации положен физический принцип, который используется в работе прибора:
Приборы, в которых используются механическое воздействие давления на измерительный прибор:
1 гидростатические
2 деформационные
Манометры, работа которых основана на использовании закона Бойля-Мариотта:
1 компрессионный манометр и его разновидности
В основе работе третий группы лежат законы кинетической теории газов
1 радиометрические манометры
2 вязкостные манометры
Манометры, где используются зависимость теплопроводности от давления
1 манометр сопротивления
2 термопарный манометр
3 манометр расширения
Ионизационные манометры. Их работы основаны на использовании ионизации остаточного газа
1 термоэлектродные ионизационные манометры
2 магнитные электророзрядные манометры
3 радиоизотопные манометры.
Механические манометры.
гидростатические манометры (жидкостные)
принцип действия гидростатических манометров основан на использовании закона сообщающихся сосудов. Для повышения чувствительности U – образных манометров в области низких давлений (Р<1 мм. рт. ст.) целесообразно использовать рабочие жидкости с меньшей плотностью чем у ртути.
Применяют высоковакуумные масла т.к.
1 малая плотность
2 низкое давление насыщенных паров
Однако следует помнить, масла растворяют газы, которые могут попасть в откачиваемую полость. Чтобы это исключить необходимо перед зазором деиэрировать оба конца манометра.
Чувствительность можно существенно повысить, используя U – образный манометр с измерительным коленом переменного сечения.
К показаниям манометров гидростатических вводятся поправки
1 зависимости плотности от температуры
2 на изменения ускорения свободного падения
Деформационные манометры
В деформационных манометрах мерой давления служит упругая деформация чувствительного элемента (спиральная трубка, мембрана, сильфон, и т.д.) под действием приложенной к телу разностей давлений.
Деформационные манометры различаются не только по типу упругого элемента, но и по способу измерения деформации (емкостные, индукционные и т.д.)
Компрессионные манометры.
Принцип работы.
Для понижения нижнего предела давления, измеряемого гидростатическими манометрами, можно применить сжатие (компрессию) газа. Метод измерения основан на применении закона Бойля-Мариотта при сжатии сильно разреженного газа.
Компрессионный манометр состоит:
1 стеклянный баллон
2 измерительная калиброванная трубка сжатия с запаянным концом
3 трубка, сообщая прибор с откачиваемым объемом – сравнительная трубка
4 резервуар с рабочей жидкостью
5 устройство, позволяющее перемещать 4 относительно 1 (расширять)
Методика измерения.
1 перед опытом давление в стеклянном баллоне и вакуумной системе равны. Уровень жидкости ниже метки А.
2 для измерения необходимо ртуть поднять так, чтобы она вытеснила газ в трубку 2. Давление в трубке 2 будет Р1. Уровень В.
3 в трубке 3 давление постоянное, не изменяется, поэтому ртуть подымается до более высокого уровня С.
4 т.к. количество газа в 1+2 постоянное температура практически постоянная, то согласно закону Бойля-Мариотта
Р·V=Р1·V1 (1)
Р,V – в начальный момент,
Р1,V1 – в конечный момент.
Рi=Р+h в мм. рт. ст.
Тогда Рж=(Р+h)·(V1/V)
Т.к. Р<<h, то
Рж=h·(V1/V)
То, измерение давления сводится к такому уменьшению первоначального объема газа, чтобы измеряемое малое давление Р было увеличено до величины Р1,оцениваемой визуально по разности уровней h в измерительной и сравнительной трубках.
Замечание: во избежание ошибки из-за капиллярной депрессии измерительная и сравнительная трубки должны быть равны (диаметры одинаковы). Но сравнительная трубка малого диаметра имеет ограниченную пропускную способность. Поэтому трубку, связывающую манометр с вакуумной системой, делают большого диаметра, сравнительную в виде ответвления от нее.
Нижний предел давления лежит в области давлений»10-6 мм. рт. ст.
Достоинства и недостатки компрессионных манометров.
Достоинства.
1 манометры могут быть полностью рассчитаны и поэтому они точны и используются как эталонные или градуировка других манометров.
2 простота и легкость изготовления.
Недостатки:
1 ртуть источник загрязнения вакуумной системы и помещения. Нужно ставить ловушки. Менять ртуть на масло. Масло растворяет газы.
2 компрессионный манометр не пригоден для непрерывных измерений.
3 из-за сильного сжатия (в 104 – 106 раз) компрессионный манометр непригоден для измерения давления легко конденсирующихся компонентов, входящих в состав в состав атмосферного воздуха (СО2, Н2О).
компрессионные манометры называют также в литературе манометрами Мак-Леода.
Манометры, работа которых основана на использовании законов кинетической теории газов.
1 Термомолекулярные манометры.
Рассмотрим термомолекулярный эффект. Эффект возникает между двумя телами, помещенными в вакуум и обладающими различными температурами. Он проявляется тогда длина свободного пробега больше расстояния между телами. Температура первого тела равна температуре стенок.
U – средняя скорость молекул
Uа2>Uа1 следовательно пластина 1 получит в единицу времени большую энергию со стороны, обращенной к пластине 2, чем с противоположной. В результате пластина 1 будет отталкиваться от пластины 2 с силой f
F= 4·(Т2-Т1)·S·P/(π∙Т1)
При ∆Т<Т1
S – площадь, Р – давление.
Устройство термомолекулярного манометра:
1 подвижная рамка, подвешенная на нити
2 неподвижные пластины, имеющие Т1 и Т2
3 зеркало на нити.
Угол отсчитанный при помощи светового луча, отраженного от зеркала 2, служит мерой давления газа.
Достоинства:
1 большая чувствительность
2 независимость показаний от рода газ
Недостатки:
1 хрупкость конструкции
2 чувствительность к вибрации.
Вязкостные манометры.
Работа вязкостных или динамических манометров основана на использованием зависимости вязкости и давления газа. Эта зависимость проявляется в той области давления. Где средний свободный пробег молекулы газа является величенной того же порядка, что и размеры сосуда, или превышает их 10-1≤Р≤10-5 …10-7 .
Различают две конструкции вязкостных манометров:
1 демпферные или вибрационные;
2 с вращающимся диском.
В демпферных манометрах мерой давления служит затухание колебаний какого-либо элемента, помещенного в разреженный газ, давление которого нужно изменить. Обычно измеряют время tп, в течении которого амплитуда колебаний уменьшится до половины своего начального значения.
Недостатки такие же как у термомолекулярных.
Применяются в лабораторных условиях.
Манометры, работа которых основана на использовании теплопроводности газов.
Одним из следствий, вытекающих из молекулярно-кинетической теории при рассмотрении переноса энергии в газах являются независимость теплопроводности от давления. Однако когда длина свободного пробега молекулы L соизмерима с геометрическими размерами сосуда R, теплопроводность обнаруживает зависимость от давления. При очень низких давлениях, когда L>>R, отвод тепла от тела через газ теплопроводностью пренебрежимо мал по сравнению с излучением и потерями тепла через термоэлектроды.
Рассмотрим систему, состоящую из нагретой нити (через которую течет ток постоянной величины) и цилиндра. Эффект изменения температуры нити от давления используется для измерения вакуума.
Манометры сопротивления.
Датчиком служить лампа с нитью накала, изготовленной из металла, обладающего большим температурным коэффициентом сопротивления. Изменения тока накала служит мерой давления в датчике.
Дата добавления: 2015-10-21; просмотров: 99 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Превращение науки в непосредственную производительную | | | Обеспечение безопасности в компьютерных сетях. |