Экспериментальные методы исследования

Задание № 1.

Задача № 1.

Вариант 2.

Определите верхний предел температуры Т, которая измеряется ртутным стеклянным термометром со следующими характеристиками: в капилляре над мениском ртути имеется азот под давлением Р = 0.6 МПа. Приведите схему этого термодатчика.

Решение:

Схема технического ртутного термометра: (В.П. Преображенский «Теплотехнические измерения и приборы»).

Ртутные термометры, предназначенные для точных измерений с верхним пределом температуры выше 105 °C изготавливают газонаполненными. Пространство над ртутью в таких термометрах заполнено сухим газом (например азотом), имеющие небольшие давления. При этом давление газа должно быть выше, чем больше верхний предел измерения, что обуславливается необходимостью исключить парообразование ртути в резервуаре при высоких температурах. Поэтому для определения верхнего предела температуры необходимо обратиться к кривой насыщения ртути. Уравнение кривой насыщения для ртути (М.П. Вукалович, А. И. Иванов «Теплофизические свойства ртути»):

С помощью встроенных функций маткада найдем предел температуры измеряемый данным термометром.

Ответ: 483.612 C.

Задача № 2.

Определить коэффициент ослабления А поглощающего стекла оптического пирометра, если известно, что температура T₁ абсолютно черного тела, измеренная по шкале пирометра без применения поглощающего стекла, уменьшилась до Т₂ при введении поглощающего стекла. От каких физических свойств стекла зависит коэффициент А?

Вариант 2 для условий по температурам:

Т₁ = 1900 С, Т₂ = 720С.

Решение:

Пирометр — средство измерения температуры тел по их тепловому излучению. Пирометры нашли широкое применение во многих областях науки и техники, во-первых, потому, что бесконтактный способ измерения температуры часто является предпочтительнее других способов, а иногда единственным возможным. Во-вторых, диапазон температур, охватываемый современными пирометрами, очень широк: практически от комнатных температур до 6000 °C и выше. В-третьих, процесс измерения не требует непосредственного контакта с объектом и поэтому пирометр не вносит возмущений в температурное поле объекта измерений.

Виды пирометров: оптический, цветовой, радиационный.

Принцип работы пирометра основан на сравнении яркостей нагретого тела 1 и нити накаливания пирометрической лампы 5 в монохроматическом свете. Измерения выполняются следующим образом. Пирометр визируют на объект в точку измерения температуры. Объект воспринимается через красный светофильтр 7 в виде красного фона определенной яркости. Подбирая соответствующую величину электрического тока в цепи лампы 5, добиваются такого же свечения нити накаливания, как и у объекта. В этом случае нить становится неразличима на фоне объекта, «исчезает». Измерительный прибор в этом случае дает значение яркостной температуры тела.

Следует подчеркнуть, что измерения проводятся в монохроматическом свете. Этого добиваются с помощью красного светофильтра 7 и свойств человеческого глаза. Диафрагмы 3 и 8 позволяют регулировать углы б и в, добиваясь отсутствия дифракции лучей на нити лампы и четкого ее изображения.

При высоких температурах объекта яркость фона велика, что мешает работе с пирометром. Кроме того, нить пирометрической лампы может устойчиво работать и иметь стабильную градуировку в ограниченном диапазоне температур (до 1400 °С). Поэтому с целью расширения рабочего диапазона температур пирометра на более высокие температуры устанавливают поглощающее стекло 4, которое ослабляет фактическую яркость объекта. Тогда измеренная температура Т2 будет меньше температуры Т1. Таким образом, измерение яркостных температур с включенным поглощающим стеклом производится путем сравнения неослабленной яркости нити пирометрической лампы с ослабленной яркостью источника излучения.

Для определения коэффициента пирометрического ослабления, А поглощающего стекла оптического пирометра воспользуемся формулой:

(В.В. Буринский «Измерения и обработка результатов»).

Где С2=hc/k; с-скорость света в вакууме, h-постоянная Планка, k-постоянная Больцмана; ф (л) — коэффициент пропускания стекла.

Коэффициент пирометрического ослабления стекла зависит от физической плотности самого стекла. Для твердых тел он больше, чем, например, для газов. Так же коэффициент пирометрического ослабления стекла напрямую зависит от коэффициента пропускания стекла, т. е от оптических свойств среды. Оптическая плотность связана с коэффициентом стекла следующим соотношением:

Ф1- падающий поток на стекло;Ф2- прошедший поток Отсюда можно прийти к выводу: чем больше оптическая плотность стекла, тем больше коэффициент пирометрического ослабления Таким образом, измерение яркостных температур с включенным поглощающим стеклом производится путем сравнения неослабленной яркости нити пирометрической лампы с ослабленной яркостью источника излучения.

Задача № 3.

Определить температуру Т рабочего вещества при условиях, когда с помощью термопары были получены следующие данные.

Вариант 2. для показаний потенциометра и термометра, измеряющего температуру холодных спаев.

Показание потенциометра, включенного в цепь хромель — алюмелевой (ХА) термопары, составило Е_ХА (Т, 37°С) = 22.8 мВ. Температура холодных спаев равнялась 37 ^°С.

Решение:

Основное уравнение термоэлектрического термометра, выражающее в общем виде зависимость суммарной термоЭДС, возникающей в цепи из двух разнородных термоэлектродов, А и В, от температуры мест их соединения:

Е_АВ(Т, Т₀)=е_АВ(Т)-е_АВ(Т₀).

Для нашего случая:

E_АB(T, 37) = e_AB(T) — e_AB(37).Требуется введение поправки:

Определим разность:

Е_АВ(Т, Т₀) — E_АB(T, 37)= e_AB(37) — е_АВ(Т₀)= Е_АВ(37,Т₀).

Отсюда: E_АB(T, 0) = E_АB(T, 37) + E_АB(25, 0).

E_АB(37, 0) определим, используя номинальную статическую характеристику преобразования, которая задается в виде градуировочных таблиц (ГОСТ 8.585−2001):

E_АB(37, 0) =1.489 мВ.

E_АB(T, 37) = 22,8 мВ — по условию.

E_АB(T, 0)=22.8+1,489=24.289 мВ Из той же градуировочной таблицы:

Таблица 7.

Значения ТЭДС для термопары типа К (никель — хром/никель — алюминий).

Интерполируя данные таблицы, получим, что температура рабочего вещества:

°С Ответ: Т = 585.512°С.

Задача № 4.

Цепь термопарного термодатчика (Рис. 1) составлена из рабочих термоэлектродов (A,B), удлинительных термоэлектродов (C, D) и медных проводов E. Температура горячего спая равна Т₁, температура в месте подключения удлинительных электродов (контакты 2,2') равна Т₂, температура Т₃ холодных спаев (контакты 3,3') равна 20^°С. Нарисовать эквивалентную электрическую схему термодатчика. Оценить показание потенциометра U в заданных условиях и двух комбинациях (а, б) удлинительных электродов.

При определении термоЭДС Е_бв(Т, 0°^оС) использовать стандартные функции преобразования Е_бN (Т, 0 °С) и Е_вN (Т, 0 ^о°С), где N — нормальный электрод из платины.

Для расчета принять, что для материалов (манганин и константан) Е_ХN (Т, 0°С) меняется линейно в интервале 0…100 ⁰С. Оценить показание потенциометра U при условии, что рабочие электроды A и B протянуты от точки 1 до точек 3 и 3' без использования материалов C и D.

Вариант 2 термочувствительных материалов и температур.

A — платинородий; B — платина; Т₁ = 1000 °C; Т₂ = 100 °C, комбинации дополнительных проводов: а) C — манганин; D — константан; б) C — константан; D — манганин.

E = e_AB(T₁) + e_BD(T₂) + e_DE(T₃) + e_EC(T₃) + e_CA(T₂) = e_AB(T₁) + e_BD(T₂) + e_DC(T₃) + e_CA(T₂) (теорема о третьем проводнике: e_DE(T₃) + e_EC(T₃)=0).

Закон Вольта: e_AB(0) + e_BD(0) + e_DC(0) + e_CA(0) = 0.

Вычитая из первого равенства второе, получаем:

U = E_АB(T₁, 0) + E_BD(T₂, 0) + E_DC(T₃, 0) + E_CA(T₂, 0).

Определим входящие в это выражение ТЭДС.

Можно для любых произвольных пар проводников оценить возможное значение ТЭДС по формуле:

E_XY(T, 0) = E_XN(T, 0) — E_YN(T, 0).

а) Воспользуемся таблицей ТЭДС материалов по отношению к нормальному термоэлектроду: (В.В. Буринский «Измерения и обработка результатов»).

E_BD(T₂, 0) = E_BN(T₂, 0) — E_DN(T₂, 0) = -4,5 + 3,4= -1,1 мВ.

E_DС(T₃, 0) = E_DN(T₃, 0) — E_CN(T₃, 0) = (-3,4−0,76)/5 = -0,832 мВ.

E_СА(T₂, 0) = E_СN(T₂, 0) — E_АN(T₂, 0) = 0,76 — 2,4 = -1,64 мВ.

E_АВ(T₁, 0) = 49,108 мВ (ГОСТ 8.585−2001).

U = 49,108 — 1,1 — 0,832 — 1,64 = 45,536 мВ б) Поменяем термоэлектроды С и D местами:

E_ВС(T₂, 0) = E_ВN(T₂, 0) — E_DN(T₂, 0) = -4,5 — 0,76 = -5,26 мВ.

E_DС(T₃, 0) = E_DN(T₃, 0) — E_CN(T₃, 0) = (0,76+3,4)/5 = 0,832 мВ.

E_DА(T₂, 0) = E_СN(T₂, 0) — E_АN(T₂, 0) = -3,4 — 2,4 = -5,8 мВ.

U = 49,108 — 5,26 + 0,832 — 5,8 = 38.88 мВ в) Показание потенциометра U при условии, что рабочие электроды, А и В протянуты от точки 1 до точек 3 и 3' без использования материалов С и D.

E_АВ(T₁, T₃) = e_AB(T₁) — e_АВ (T₃).

По закону Вольта: e_AB(0) — e_АВ (0) = 0.

U=E_АВ(T₁, T₃) = E_АВ(T₁, 0) — E_АВ(T₃, 0) = 49,108- 1,290 = 47,818 мВ Ответ: а) U=45,536 мВ; б) U=38.88 мВ; в) U=47,818 мВ Задача № 5.

Спроектировать средство измерения (СИ), содержащее термодатчик и автоматический регистрирующий прибор. Выбрать термочувствительные материалы для термодатчика и соответствующий автоматический регистрирующий прибор. Диапазон работы проектируемого СИ должен составлять 100 — 750 °C. Нарисовать электрическую схему СИ. Привести расчетное уравнение, которое связывает выходной параметр термодатчика (Е_АВ или R_T) и параметры электрической схемы регистрирующего прибора. Указать характеристики погрешности проектируемого СИ. Описать метод измерения температуры.

Вариант 2: термодатчиком является терморезистор.

Решение:

В качестве термодатчика будем использовать платиновый термометр сопротивления.

Представляет собой резистор, выполненный из металлической проволоки или плёнки и имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры. Наиболее распространённый тип термометров сопротивления — платиновые термометры. Это объясняется тем, что платина имеет стабильную и хорошо изученную зависимость сопротивления от температуры и высокую стойкость к окислению, что обеспечивает их высокую воспроизводимость. Эталонные термометры изготавливаются из платины высокой чистоты с температурным коэффициентом 0,3 925. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры. Действующий стандарт на технические требования к рабочим термометрам сопротивления: ГОСТ 6651–2009 (Государственная система обеспечения единства измерений. Термопреобразователи сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний). В стандарте приведены диапазоны, классы допуска, таблицы НСХ и стандартные зависимости сопротивление-температура. Стандарт соответствует международному стандарту МЭК 60 751 (2008). В стандарте отказались от нормирования номинальных сопротивлений при нормальных условиях. Начальное сопротивление изготовленного терморезистора может быть любым. Промышленные платиновые термометры сопротивления в большинстве случаев считаются имеющими стандартную зависимость сопротивление-температура (НСХ), что обусловливает погрешность не более 0,1 °C (класс АА при 0 °C). Термометры сопротивления, изготовленные в виде напыленной на подложку плёнки, отличаются повышенной вибропрочностью, но меньшим диапазоном рабочих температур.

Для промышленных платиновых термометров сопротивления используется уравнение Каллендара-Ван Дьюзена (en), с известными коэффициентами, которые установлены экспериментально и нормированы в международном стандарте МЭК 60751(ГОСТ 6651−94):

Здесь, сопротивление при °C, сопротивление при 0 °C, и константы (для платинового сопротивления) ;

Поскольку коэффициенты B и C относительно малы, сопротивление растёт почти линейно по мере роста температуры.

Для термометров повышенной точности и эталонных выполняется индивидуальная градуировка в ряде температурных точек и определяются собственные коэффициенты вышеприведенной зависимости.

Используется 3 схемы включения датчика в измерительную цепь:

2-проводная В схеме подключения простейшего термометра сопротивления используется два провода. Такая схема используется там, где не требуется высокой точности, так как сопротивление проводов включается в измеренное сопротивление и приводит к появлению дополнительной погрешности. Такая схема не применяется для термометров класса, А и АА.

• 3-проводная обеспечивает значительно более точные измерения за счёт того, что появляется возможность измерить в отдельном опыте сопротивление подводящих проводов и учесть их влияние на точность измерения сопротивления датчика.
• 4-проводная — наиболее точная схема, обеспечивает полное исключение влияния подводящих проводов. При этом по двум проводникам подается ток на датчик, два других, в которых ток равен нулю, используются для измерения напряжения на датчике. Недостаток — увеличение объёма используемого материала, стоимости и габаритов сборки. Невозможно использовать в четырехплечем мосте Уитстона.

В промышленности наиболее распространенной является трёхпроводная схема. Для точных и эталонных измерений используется только четырёхпроводная схема.

Для измерения сопротивления термометра используются в основном два метода — метод компенсации (или потенциометрический) и метод моста (или мостовой). Оба метода обеспечивают высокую точность измерения сопротивления термометра и, следовательно, температуры. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки; выбор между ними зависит от конкретных условий измерений.

Метод компенсации Принципиальная схема измерения сопротивления термометра потенциометрическим методом представлена на рисунке 9. Термометр сопротивления Rт включается в цепь источника питания последовательно с известным сопротивлением R0, в роли которого обычно используют образцовые катушки на 1, 10 или 100 Ом. Сопротивление катушек известно заранее и его температурная зависимость приведена в паспорте. При измерениях температуры следует выбирать катушку сопротивления таким образом, чтобы ее сопротивление было одного порядка с измеряемым сопротивлением термометра (R0? Rт). В данном методе с помощью потециометра поочередно (используется переключатель К2) измеряется падение напряжения на концах чувствительного элемента термометра и на концах образцовой катушки — Uт и U0 соответственно. Силу тока в потенциометре обычно устанавливают по нормальному элементу, при этом измеряемое напряжение выражается в вольтах. Поскольку сила тока в цепи в каждый момент времени постоянна, то.

,.

Поэтому.

.

При использовании данного метода термометр сопротивления должен иметь четыре вывода: два потенциальных и два токовых. При измерениях падения напряжения на термометре Uт ток в потенциометрических проводах отсутствует, поскольку величина Uт скомпенсирована падением напряжения на клеммах потенциометра. В предложенной схеме сопротивление проводящих (потенциометрических) проводов не играет никакой роли, что является достоинством метода компенсации.

Рис. 9 Схема измерения сопротивления термометра потенциометром: П — потенциометр; Г — гальванометр; Rт — сопротивление термометра; R0 — сопротивление образцовой катушки; А — миллиамперметр; Е и Е1 — питающие батареи; К1 и К2 — переключатели тока

термометр оптический измерение сопротивление Основным недостатком потенциометрического метода является возможное непостоянство силы тока в цепях питания термометра и потенциометра. Точность измерений сопротивления этим методом составляет примерно 10−5 Ом (при R0 = 100 Ом термометра сопротивления), что соответствует точности измерения температуры в 2.5· 10−5 К.

Более точные измерения осложнены наличием «паразитных» т. э.д. с. в измерительной цепи. Для их устранения (или тщательного учета их влияния) используют по возможности проводники из одного и того же металла или же комбинации проводников, дающие небольшую т. э.д. с. (например, манганин-медь). Места соприкосновения разнородных проводников (например, спаи выводов термометра с подводящими проводами) располагают так, чтобы они находились при одинаковой температуре. Обнаружить т. э.д. с. и исключить их влияние на результат измерения можно, если одновременно изменить направление тока в цепях питания термометра и потенциометра (переключатель К1). При этом наличие паразитных т. э.д. с. проявится в изменении показаний потенциометра, поскольку т. э.д. с. зависит только от температуры и не меняется при изменении направления тока, а величины Uт и U0 меняют знак на противоположный. В этом случае в качестве Uт и U0 принимают средние значения из результатов двух измерений при противоположных направлениях тока.

Задание № 2.

Задача № 1.

Вакуумная система (Рис. 1.1) состоит из вакуумной камеры 1, насоса 2 и трубопровода, размеры участков которого указаны в Табл. 1.1. Оценить пропускную способность трубопровода U, приняв режим течения газа в системе молекулярным. Выбрать насос и оценить его коэффициент использования. Определить время откачки камеры 1 при условии: V₁=10 дм³,.

Начальное давление в камере 10^-2 мм рт. ст. Предельный вакуум р_ПР определить по паспортным данным вакуумного насоса (ступень сверхвысокого разрежения, магниторазрядный). При выборе насоса использовать таблицы, приведенные в [1,2].

Таблица 1.1.

Размеры участков.

Решение: Проводимость является коэффициентом пропорциональности между потоком и разностью давлений. Она численно равна количеству газа, проходящего через элемент системы в единицу времени при единичной разности давлений на концах элемента. В Табл. 1 приведены формулы для расчёта U в зависимости от формы элемента.(В.В. Буринский «Способы создания и измерения давлений в теплофизическом эксперименте»).

Таблица 1.

	Трубопровод.	L1=100мм=0.1м. d1=30мм=0.03м.	м3/c.
	Сужение.	d6=10мм=0.01м. d1=0.03 м.	м3/c.
	Трубопровод.	d2=10мм=0.01м. L2=1 м.	м3/c.
	Трубопровод.	L3=40мм=0.04м. d3=6мм=0.006м.	м3/c.
	Трубопровод.	L4=7мм=0.007м. d4=3мм=0.003м.	м3/c.
	Сужение.	d5=6мм=0.006м. d4=3мм=0.003м.	м3/c.
	Трубопровод.	d5=6мм=0.006м. L5=60мм=0.06м.	м3/c.
	Трубопровод.	L5=60мм=0.06м. d5=6мм=0.006м.	м3/c.

м³/c.

м³/c.

м³/c.

м³/c.

м³/c.

м³/c.

м³/c.

м³/c.

м³/c.

Необходимо обеспечить сверхвысокий вакуум, насосмагниторазрядный.

Подходящий насос НМД-0.0063 (по Розанов Л. Н. Вакуумная техника).

Проверим этот вариант насоса, который должен обеспечивать предельный вакуум в камере 1 при P_к =4*10^-7 Па.

Оценим коэффициент использования насоса:

Это отношение эффективной быстроты откачки к быстроте действия насоса: К_и=S_эф/S_н

S_н = 0,006 м³/с.

S_эф найдем из основного уравнения вакуумной техники:

(1/ S_эф) — (1/ S_н) = (1/U).

S_эф=S_нU/(S_н+U).

S_эф= 0.1 284 м³/с Коэффициент использования насоса:

К_и= 0.213 927.

Определим время откачки из камеры 1:

Поток газа из рабочей камеры один связан с эффективной быстротой откачки насоса соотношением:

Отсюда выражаем время откачивания, интегрируя данное выражение:

где p₁-начальное давление в камере, а p₂— предельное давление в камере.

V_k=10 дм³=0.01 м³

P1=10^-2 мм.рт.ст=1.33 Па.

P2^{^^}=4*10^-7 Па Время откачивания: t= 1169.945с Определим величину вакуума, Р2, на входе в камеру через коэффициент использования насоса К_и:

P2=P2^^*К_и =8.557*10^-9 Па Предельное остаточное давление (7*10^-8 Па по паспорту) на входе в насос больше, чем расчетное давление на входе в насос. В итоге следует искать вариант с подходящими Р_пред и S_н.

Ответ:U=0.1 312м³/c; К_и=0.021; t=1169.945 с Задача № 2.

Сконструировать вакуумную систему для создания условий в рабочей камере с давлением Р=10^-7 Па. Описать работу основных блоков системы. Предложить возможный тип ловушки. Описать работу насосов для получения заданного вакуума (низкий, высокий и сверхвысокий). Привести характеристики трех насосов, которые следует использовать в вакуумной системе в соответствии с вариантом. Обосновать выбор манометров (позиции 3, 5, 9, 10, 11, 14 и 15) и привести их характеристики. Оценить показания этих манометров во время стационарной работы вакуумной системы.

Решение:

• 1 — насос для получения низкого вакуума (пластинчато-роторный); 2, 6, 13, 16, 19, 20 — клапаны; 3, 9 _ манометры низкого вакуума; 4 — насос для получения сверхвысокого вакуума (магниторазрядный); 5, 11, 15 _ манометры высокого вакуума; 7 — вакуумный блок прогреваемый до 400 °C; 8 — откачиваемый объект; 10, 14 — манометры среднего вакуума; 12 — газоанализатор; 18 — насос для получения высокого вакуума (турбомолекулярный)
• 2. Вакуумная система для получения сверхвысокого вакуума содержит подогреваемый вакуумный блок 7. Прогрев до 400 °C уменьшает газовыделение всех элементов вакуумной системы, непосредственно подключаемых к сорбционному насосу 4. Камера снабжена несколькими манометрами 9, 10, 11, обеспечивающими измерение давления от атмосферного до сверхвысокого вакуума. Манометр 5 контролирует работоспособность насоса 4. Высоковакуумная часть системы собрана на двух насосах: 1 и 18. Клапан 16 служит для подключения течеистекателей к вакуумной системе, а манометры 14 и 15 — для измерения давления в области среднего и высокого вакуума. В качестве низковакуумного насоса 1 чаще всего применяют механический насос.

Сначала включается низковакуумный насос (в нашем случае пластинчато-роторный), по достижении давления меньшего, чем давление запуска высоковакуумного насоса (<13 Па, в нашем случае, манометры 3,9) включается высоковакуумный насос (турбомолекулярный), при этом пластинчато-роторный насос остается включенным. Вначале работы высоковакуумного насоса давление контролируется по манометру 14, потом по манометрам 10,15. При достижении давления, равного давления запуска для сверхвысоковакуумного насоса (орбитронный), он включается (т.е. все насосы включены). Работоспособность орбитронного насоса контролируется с помощью манометра 5, давление в вакуумной камере с помощью манометра 11.

3. Для защиты откачиваемого объекта от паров рабочей жидкости используются ловушки — устройства для парциальной откачки паров рабочих жидкостей.

Механические ловушки для объёмных насосов представляют собой устройства, препятствующие прямому пролёту паров рабочей жидкости из насоса в откачиваемый объект. Для получения заметного защитного действия в момент остановки насоса в ловушке должны выполняться условия молекулярного режима течения газа вплоть до атмосферного давления, что соответствует наибольшему расстоянию между элементами ловушки 0,1 мкм. Такие размеры можно обеспечить только в пористых элементах 1. Наиболее эффективно применение элементов из пористого стекла, стекловолокнистых материалов, пористых меди и нержавеющей стали. Поглощение паров масла в ловушках осуществляется адсорбцией на стенках капиллярных каналов. Период непрерывной работы ловушки составляет несколько сотен часов, по истечении которых элемент должен быть заменён, очищен продувкой атмосферным воздухом или прогрет до высоких температур (?500?С). Применяют чаще всего в форвакуумных системах с механическими насосами с масляным уплотнением.

Ловушки с адсорбентом (в качестве адсорбента можно использовать активные угли, цеолиты с размерами пор ?9А, активную окись алюминия) нельзя подвергать воздействию атмосферного воздуха, так как они могут поглотить большое количество атмосферной воды, которая затем будет выделяться во время работы насоса. Для удаления поглощённых в адсорбционном элементе 1 масла и воды ловушку прогревают нагревателем 2 до 300…500?С. Клапан 3 помещают в одном корпусе с ловушкой и закрывают во время обезглаживания адсорбента, защищая от загрязнения вакуумную систему. Применяют чаще всего в высоковакуумных и сверхвакуумных системах с паромасляными диффузионными насосами.

В ионных ловушках корпус, имеющий форму цилиндра, служит заземлённым катодом для холодного разряда. Анодом является стержень 1, расположенный вдоль оси цилиндра. Разряд горит при напряжении на аноде ?3 кВ и наличие осевого магнитного поля, создаваемого внешними магнитами. Электроны, эмитируемые катодом, движутся по удлинённой траектории к аноду, ионизируя остаточный газ. Положительные ионы, бомбардирующие поверхность корпуса, разрушают поверхностную плёнку масла. Это приводит к выделению водорода и полимеризации углеводородов в твёрдые вещества. Охлаждение корпуса и защитного экрана 2 осуществляется водой. Такая ловушка может уменьшить парциальное давление паров масла в 10…100 раз. Применяют чаще всего в форвакуумных системах с механическими насосами с масляным уплотнением.

Одним из видов конденсирующих ловушек для пароструйных насосов является механический отражательный колпачок. Например, обратный поток паров масла для пароструйного насоса составляет 1?10 мг/(с?см) относительно поверхности зазора между первым соплом и корпусом насоса. Если на пути обратного потока установить такую ловушку, то он за счёт конденсации паров уменьшится до 1?10 мг/(с?см). Конденсирующие ловушки часто охлаждают водой.

На нагретых поверхностях диссоциирующих ловушек углеводороды разлагаются на легкооткачиваемые газы: водород, оксид углерода, диоксид углерода и твёрдый углерод, который осаждается на стенках ловушки, а легкие газы откачиваются пароструйными насосами. Диссоциирующие поверхности разогреваются прямым пропусканием электрическим током. Работа электронных диссоциирующих ловушек основана на возбуждении или ионизации молекул рабочей жидкости в разряде с холодным или горячим катодом. Возбуждение увеличивает склонность молекул к диссоциации и последующей полимеризации на стенках ловушки.

Сорбционные ловушки поглощают пары масел поверхностями пористых адсорбентов* активных углей, цеолитов, силикагелей и т. д. Адсорбенты должны быть очищены от посторонних веществ, адсорбированных в порах молекулярных размеров при обычных атмосферных условиях прогревом в вакууме при температуре около 300? С.

Низкотемпературные ловушки. Основаны на конденсации паров рабочей жидкости на защитных элементах, охлаждаемых жидким азотом.

Для данной системы целесообразнее выбрать насос механический, т.к. на этапе предварительного разряжения не требуется высокая степень очистки. Вместе с этим ловушка должна как можно меньше снижать быстроту действия насоса. Также она имеет конструкцию, обеспечивающую легкий доступ к защитным элементам для их очистки. Этот фактор очень важен, т.к. ловушка данная предназначена для работы с вращательным насосом.

4. Характеристики насосов, используемых в вакуумной системе:

Для создания низкого вакуума — пластинчато-роторный насос Обозначение — HBP.

Предельное давление, Па — 104.

Быстрота действия, л/c- 0,1−100.

Насосы подразделяются на: ПР насосы с масляным уплотнением и безмаслянные (сухие).

Принцип действия пластинчато-роторных насосов НВР в соответствии с рисунком. При вращении ротора 4 с пластинами 5, прижимаемыми к цилиндру 3 пружинами 6, газ, всасываемый через патрубок 2, вытесняется через выхлопной клапан 1 вследствие периодического изменения объемов полостей, А и Б рабочей камеры.

Для создания высокого вакуума — турбомолекулярный насос.

Обозначение — ТМН Предельное давление, Па — 10−7 -10−8.

Быстрота действия -2л/с на м3.

Диапазон рабочих давлений, Па -10−8 -10.

В корпусе установлены неподвижные статорные колёса, между которыми вращаются колёса, закреплённые на роторе. Роторные колёса выполняются в форме дисков с прорезями. В статорных колёсах имеются зеркально расположенные прорези такой же формы. При горизонтальном расположении ротора движение газа в насосе после входа во всасывающий патрубок разветвляется на два потока, которые соединяются в выхлопном патрубке.

Для создания сверхвысокого вакуума — орбитронный.

Обозначение — ОРД Номинальная быстрота действия-300л/с Предельное остаточное давление 5*10−10 Па Наибольшее давление запуска1Па.

Геттерно-ионный насос типа «орбитрон»: 1 — керамический стержень; 2— прямонакальный катод; 3— анод; 4 — титановый цилиндр; 5 — корпус; 6 — токо-ввод и экран катода; 7 — экранная трубка; 8 — монтажная пластина Внутри корпуса 5 размещен центральный электрод (анод) 3 с титановым цилиндром 4. Верхняя часть электрода 3 защищена трубкой 7. На пластине 8 укреплен керамический стержень 1, на котором крепится катод 2, изготовленный из вольфрамовой проволоки диаметром 0,15 мм. Токовводом и экраном катода служит проволочка 6 из тантала диаметром 0,38 мм. Корпус насоса заземлен, а на центральный электрод 3 подается положительный потенциал до 5 кВ. Пластина и экранная трубка 7 находятся под потенциалом катода. Расположение и конфигурация катода и танталового токоввода выбраны так, что осевая и радиальная симметрия электрического поля нарушена. Кроме того, к катоду приложено положительное напряжение смещения (от 50 до 250 В) относительно корпуса насоса. В результате электроны, эмитируемые катодом, движутся со скоростью, имеющей осевую, радиальную и тангенциальную составляющие. Ввиду того что электрическое поле несимметрично и векторы скоростей электронов составляют некоторый угол по отношению к силовым линиям электрического поля, направление движения электронов будет непрерывно меняться и их попадание на центральный электрод, имеющий малое поперечное сечение, затруднено. Осаждение электронов на корпус также исключается благодаря наличию положительного смещения на катоде.

В результате электроны движутся по орбитам достаточно долго, проходят большие расстояния, и вероятность ионизации газа резко увеличивается. Часть электронов, траектории которых проходят вблизи центрального электрода 3, попадает на титановый цилиндр 4 и разогревает его до температуры ~1160 °С. При этом происходит сублимация титана и запыление внутренней поверхности корпуса насоса. Откатка активных газов орбитроном идет за счет поглощения их пленкой титана, непрерывно напыляемой на внутреннюю поверхность корпуса насоса.

5. Для контролирования процесса создания вакуума необходимо применение манометров — приборов для измерения давления. Манометр, измеряющий давление ниже атмосферного ещё называют вакуумметр. По принципу действия разделяют следующие типы вакуумметров: жидкостные (10 — 10 Па), компрессионные (10 — 10, Па), деформационные (1 — 10, Па), тепловые сопротивления (10 — 10, Па), тепловые термопарные (10 — 10, Па), электронные ионизационные (10 — 10, Па), магнитные электроразрядные (10 — 10, Па). Всю группу вакуумметров можно также разделить на приборы прямого и косвенного действия. Вакуумметрами прямого действия являются приборы, которые непосредственно реагируют на давление газа. Метрические свойства этих вакуумметров можно заранее рассчитать или получить с помощью градуировки по динамометрическим приборам. Это жидкостные, компрессионные, деформационные вакуумметры. Манометры косвенного действия измеряет не само давление, а параметр среды, являющийся функцией давления, и, как правило, состоят из манометрического преобразователя и радиотехнического измерительного блока. Вакуумметры косвенного действия способны измерять давления от 10 Па от атмосферного. К ним относятся тепловые и ионизационные приборы.

На Рис. 1.1 представлена схема вакуумной системы для получения сверхвысокого вакуума. Камера снабжена несколькими манометрами 2, 3, 4, обеспечивающими измерение давления от атмосферного до сверхвысокого вакуума. Манометр 10 контролирует работоспособность насоса 12. Манометр 19 контролирует работоспособность насоса 18. Манометры 7 и 20 служат для измерения давления в области среднего и высокого вакуума, а манометр 16 — для низкого вакуума. Таким образом, в качестве манометров можно выбрать: 3,7,16,10 — теплоэлектрические, 19,20,2 — электронный сверхвысоковакуумные ионизационный, 4 — ионизационный с горячим катодом.

Теплоэлектрические: принцип действия основан на зависимости теплопередачи через разреженный газ от давления. Передача осуществляется от тонкой металлической нити к баллону, находящемуся при комнатной температуре. Металлическая нить нагревается в вакууме путем пропускания эл. тока.

Электронные ионизационные: принцип действия основан на прямой пропорциональности между давлением и ионным током, образовавшимся в результате ионизации термоэлектронами.