Техника высокого вакуума. Лабораторный практикум doc
жүктеу/скачать 6.33 Mb. Pdf көрінісі
|
| Цель данной работы – градуировка термопарного манометра
методом изометрического расширения. Действие манометров этого типа основано на том, что теплопроводность газа в состоянии высокого вакуума пропорциональна давлению. При переносе тепла между двумя параллельными плоскостями условием перехода газа в состояние высокого вакуума является соотношение l > d, в котором l – средняя длина свободного пробега молекул газа, d – расстояние между плоскостями. Если же перенос происходит от цилиндра очень малого радиуса к коаксиальному цилиндру большого радиуса, таким условием будет l > r, где r – радиус малого цилиндра. Состояние низкого вакуума характеризуется, соответственно, условиями l < d и l < r. При этом теплопроводность газа уже не зависит от давления, как это следует из кинетической теории. Таким образом, сферой применения тепловых манометров является высокий вакуум и средний вакуум. Если в газ, имеющий достаточно низкое давление, поместить накаливаемую нить, к которой подводится постоянная мощность накала, то температура этой нити будет изменяться с изменением давления газа. Тепловой баланс нити может быть записан следующим образом: Q п = Q газ + Q изл + Q мет , где Q п – мощность, подводимая к нити; Q газ – потери тепла в единицу времени теплопроводностью через газ; Q изл – потери тепла излучением; Q мет – потери тепла теплопроводностью через металлические вводы. Последние две компоненты потерь не зависят от давления, и только потери тепла через газ являются функцией давления. При снижении давления газа потери тепла через газ уменьшаются, и, если Q п = const, то температура нити растет; наоборот, с повышением давления растет теплопроводность газа, растут потери тепла нитью через газ, и температура нити падает. Измеряя тем или иным 113 способом температуру нити, можно судить о давлении газа или пара в приборе. Манометры, в которых для измерения температуры нити используется термопара, называются термопарными манометрами. Рабочий диапазон давлений практически применяемых тепловых манометров составляет 10 –1 –10 –3 мм рт. ст. При увеличении давления газа до значений, при которых l < d или l < r теплопроводность газа не зависит от давления, и манометр перестает быть индикатором давления. Для манометра цилиндрической конструкции, например, при диаметре нити порядка 0,2 мм это наступает в случае воздуха при давлении порядка 2 мм рт. ст., в случае гелия – порядка 6 мм рт. ст. При понижении давления газа потери теплопроводностью через газ уменьшаются и при давлениях порядка 10 –3 мм рт. ст. они обычно становятся значительно меньше потерь на излучение и теплопроводность через вводы. Поэтому дальнейшее снижение давления практически не влияет на полную величину теплопотерь нити, ее температура остается неизменной, и манометр перестает реагировать на давление. Градуировочная кривая и рабочий диапазон манометра зависят от рода газа, тока накала нити манометра, температуры внешней среды, состояния поверхности нити и ряда других менее существенных факторов. Как известно, теплопроводности двух различных газов при одинаковых давлениях относятся друг к другу следующим образом: 2 2 2 1 1 1 2 1 M k M k Q Q , газ , газ × a × × a × = где k – коэффициент, зависящий от строения молекулы газа; М – молекулярный вес газа; a – коэффициент аккомодации, учитывающий неполноту обмена энергиями при соударении молекулы с поверхностью нити. Следовательно, при одном и том же давлении и одинаковой подводимой мощности для газов с равным числом атомов в молекуле температура нити – Т 2 будет тем выше, чем больше молекулярный вес газа. Градуировочная кривая газа log P = f(Т 2 ) для аргона, например, будет лежать выше, чем для гелия. Следует заметить, что отношение абсцисс этих кривых будет меньше, чем 114 соотношение 1 2 M M , так как коэффициент аккомодации также зависит от молекулярного веса газа, и он тем больше, чем больше М. Поэтому для рабочего диапазона в вышеприведенном примере 4 1 2 2 1 2 , T T , газ , газ = , а не 3,16, как следует из соотношения 1 2 M M . Род газа влияет на рабочий диапазон манометра. Верхний предел тем выше, чем больше в сравнимых условиях длина свободного пробега молекул газа, а нижний предел тем ниже, чем меньше молекулярный вес газа. Как указывалось, показания теплового манометра зависят от тока накала нити. Рабочее или номинальное значение тока накала выбирается, исходя из следующих соображений. При большом значении тока нагрева и, следовательно, высокой температуре нити потери на излучение превзойдут потери теплопроводностью через газ при более высоком давлении (так как Q изл растет пропорционально Т 4 ), и верхний предел уменьшится. При малом значении тока накала и, следовательно, низкой температуре нити чувствительность манометра будет слишком малой, ухудшится стабильность работы. Таким образом, малый ток накала расширяет шкалу прибора в область низких давлений, а большой ток накала – в область высоких давлений. Изменение тока накала влияет и на градуировочную кривую. При уменьшении тока накала градуировочная кривая смещается вниз по ординате, и наклон ее (чувствительность манометра) уменьшается. У термопарных манометров, показания которых пропорциональны Т 2 – Т 1 и градуировочная кривая которых может быть представлена как log P = f(Т 2 – Т 1 ), изменение Т 1 не вызывает заметного изменения градуировочной кривой в указанном выше диапазоне давлений. При более низких давлениях 10 –3 – 10 –4 мм рт. ст. Т 2 в меньшей степени зависит от Т 1 , так как теплопроводность газа становится очень малой. В этом случае Т 2 определяется в основном потерями на излучение, которые слабо зависят от Т 1 , если Т 1 < Т 2 , что и имеет место в действительности. Поэтому градуировочная кривая в этом интервале давлений термопарного манометра сдвигается влево (рис. 4). 115 Градуировочная кривая теплоэлектрического манометра заметно изменяется со временем. Это объясняется тем, что со временем изменяется структура и состояние поверхности нити накала, вследствие прохождения тока, старения материала, адсорбции газов, жүктеу/скачать 6.33 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|