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标题: 真空的获得和测量 [打印本页]

作者: indesign8777 时间: 2013-12-18 15:06
标题: 真空的获得和测量
　　在真空实用技术中，真空的获得和测量是两个最重要的方面，在一个真空系统中，真空获得的设备和测量仪器是必不可少的。目前常用的真空获得设备主要有旋片式机械真空泵、油扩散泵、涡轮分子泵、低温泵等。真空测量仪器主要有U型真空计、热传导真空计、电离真空计等。随着电子技术和计算机技术的发展，各种真空获得设备向高抽速、高极限真空、无污染方向发展。各种真空测量设备与微型计算机相结合，具有数字显示、数据打印、自动监控和自动切换量程等功能。
　　低真空的应用主要涉及真空输送、真空过滤、真空成型、真空装卸、真空干燥及真空浓缩等，在纺织、粮食加工、矿山、铸造、医药等部门有着广泛的应用。
　　本实验主要是了解最基本的真空系统的结构，尤其是低真空系统的结构，了解低真空的获得设备-机械泵以及热传导真空计、U型真空计、高频火花真空测定仪的原理及使用。
　　实验原理
　真空的获得
　　l 机械泵:图4.1.1-1是旋片式机械泵结构图

　　它由转子、定子、旋片(或称刮板)、活门和油槽等构成。泵的定子装在油槽中，定子的空腔时圆柱形。转子是圆柱形轮子，它偏心地装成与定子空腔内切的位置。转子可绕自己的旋转对称轴转动，转子是由马达带动的。转子中镶有两块刮板，刮板之间用弹簧相连，使刮板紧贴在定子空腔内壁上。当转子转动时，被抽容器中的气体经过进气口到定子与转子之间的空间，由活门及进气口排出。定子浸在油中，油是起密封、润滑与冷却作用的，进油槽是为了让油进入空腔。进空腔的油除了上述作用外，还起着协助打开活门的作用，因为在压强很低时被压缩的气体不足以打开活门，而不可压缩的油，将强迫活门打开，活门的作用是让气体从泵中排出，而不让大气进入泵中。泵的工作原理如图4.1.1-2所示

　　(a)表示两刮板转动时上刮板A与进气口之间的体积不断增大，这时被抽容器内气体从进气口进入这部分空间。(b)、(c)表示进入泵中的气体被刮板B与被抽容器隔开并被压缩到活门。当转子转动到图(d)的位置时，被压缩的气体的压强大于大气压强，这时活门被打开，气体排出泵外。两个刮板不停地重复以上过程，实现了对容器连续抽气的目的。
　　l 扩散泵:图4.1.1-3时扩散泵的结构图

　　当扩散泵油被电炉加热时，产生油蒸气沿着导流管经伞形喷嘴向下喷出。因喷嘴外面有机械泵提供的真空(

Pa)，故油蒸气流可喷出一长段距离，构成一个向出气口方向运动的射流。射流最后碰上由冷却水冷却的泵壁凝结为液体流回蒸发器，即靠油的蒸发喷射凝结重复循环来实现抽气。由进气口进入泵内的气体分子一旦落入蒸气流中便获得向下运动的动量向下飞去。由于射流具有高流速(约200m/s)，高的蒸气密度，且扩散泵油分子量大(300～500)，故能有效地带走气体分子。气体分子被带往出口处再由机械泵抽走。
　真空测量
　　l 测量真空的仪器种类很多，本实验选用U型压力计、热偶真空计和高频电火花真空测定仪。
　　l 水银U型压力计构造简单，无需校准，可以在压力不太低时使用。一般压力计一端封闭，另一端接入真空系统，封闭端为真空，这样压力计可直接指示总压力，两边水银柱的高度差即为总压力。对于精密工作则需进行温度修正。对于压力较低(低于

Pa)的测量，油压力计比水银压力计更精确，因为油的密度低得多，绝对压力由下式给出

　　式中h是油压力计的读数。
　　l 热偶真空规的原理是利用在低气压下气体热导率与压强之间的依赖关系。如图4.1.1-4所示

　　在玻璃管中封入加热丝C、D及两根不同金属丝A与B制成的一对热电偶。当C和D通以恒定的电流时，热丝的温度一定，当气体压强降低时，O点温度升高，则热电偶A、B两端的热电动势E增大，由外接毫伏计读出电压升高，压强与热电动势并非线性关系，图如图4.1.1-5给出了热偶规则刻度曲线:

　　热偶真空计的测量范围大约在

Pa之间，它不能够测量再低的压强，这是因为当压强更低时，热丝的温度较高，此时气体分子热传导带走的热量很小，而由热丝引线本身产生的热传导和热辐射这两部分不再与压强有关，因此就达到了测量下限。
　　l 高频电火花真空测定仪(又叫检漏仪)是一种粗略测定玻璃真空系统的仪器，原理图如图4.1.1-6所示

　　接通电源后，调节放电火花间隙G，当产生击穿放电时，将高频放电探头在被抽容器处不停的移动。随着压强的变化，系统内放电辉光的颜色不断变化，从放电颜色可粗略地估计真空系统的气压。放电颜色与气体压力关系如图4.1.1-1所示。当气体低于

Pa时，火花仪就不再适用。
　真空系统
　　l 根据不同的工作需要，可组建各种真空系统。最简单的系统结构只需机械泵加上测量仪器即可获得粗真空到低真空的工作氛围。如果所做的工作需要在高真空下进行，除了用机械泵外，还必须在机械泵后加扩散泵。扩散泵不能单独使用，它必须在一定的真空基础上才能启动，通常是用机械泵和扩散泵串联组成机组。如果想自己搭配这种机组，一定要先查阅真空设计手册，二者的抽速要匹配。一个高真空系统的构成如图4.1.1-7所示

　　机械泵作为前级泵，扩散泵是主泵。理论上在泵内气体稳定流动时，机械泵的排气量至少等于扩散泵的排气量，即

式中

和p分别为机械泵和扩散泵的进口压力，

和v分别为它们的抽速。为了留有充分余地和缩短体系由大气压将至扩散泵启动时所规定压力所需的时间，常使机械泵的抽气量大于理论上估计值的5～6倍。
　　l 真空系统有金属和玻璃两类。根据需要选用合适的真空材料、真空泵、真空计和阀门组成真空系统。低真空的压力在 Pa以上的气体状态，因此用一般的旋片机械泵即可实现。最简单的低真空系统如图4.1.1-8和图4.1.1-9所示。

　　l 在机械泵的进气口管道上一定要装上放气阀，如图4.1.1-9中5，当系统抽气时将其关闭，而当泵停止工作后立即将它打开与大气相通，放气入泵。否则，停泵后泵的出气口与进气口之间约有一倍大气压的压力差，在此压差作用下油会慢慢地从排气阀门渗到进气口并进入真空系统造成污染，这就是返油事故。最为方便的方法是在机械泵进气口安装电磁阀，如图4.1.1-8中2，在关闭机械泵时电磁阀自动隔断泵与真空系统，同时向泵内放大气，从而与大气相通的放气孔关闭。低真空测量用U型压力计和热偶计，也可以用其他可测高压强的真空计。对玻璃系统可用高频电火花真空测定仪激发气体使之放电，通过观察放电辉光颜色即可估计真空度的大概数量级。

机械泵抽速的测定

　　l 如果一个容积为V的被抽容器在抽气时某一瞬间的压强为p，泵对该容器的有效抽速为

，且在时间间隔dt内容器的压强降低dp，那么此间流入导管的气体量应为

　　，容器内气体的减少量为

　　。根据气体流量连续性原理，这两个量大小相等，符号相反，即

　　(1)

　　(2)

　　实验内容
　　n 启动真空系统，用U型压力计和热偶真空计测量系统真空度。
　　n 用高频电火花真空测定仪观测系统内辉光的变化，在每一个数量级至少记一次现象，与表4.1.1.-2内现象比较有何异同。

　　测量p-t关系曲线，由式(2)计算出机械泵的有效抽速。
　　抽至极限真空度。
　注意事项
　　(1) 对玻璃系统操作一定要轻缓，事先把步骤拟好，正确无误方可进行实验。
　　(2) 开泵之前一定要关闭放气阀5，关泵之前一定要先关闭阀门4，然后停泵并立即打开放气阀5。
　　(3) 高频火花仪的探头要离开玻璃璧1cm左右的距离，不可与管壁接触，也不可以停在一处，以免打裂玻璃。

作者: littlegun2000 时间: 2014-1-27 11:01
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