Федеральное государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» Иванов И. Г. Вакуумный практикум (учебно-методическое пособие)

Скачать 0.61 Mb.

Название	Федеральное государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» Иванов И. Г. Вакуумный практикум (учебно-методическое пособие)
страница	3/6
Тип	Учебно-методическое пособие

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Учебно-методическое пособие

1 2 3 4 5 6

2.7.3. Вывести рабочую формулу масляного компрессионного манометра для метода квадратичной шкалы (из формулы (2.2)):

(мм рт.ст.), (2.3),

полагая, что баллон 1 имеет вид цилиндра диаметром D и высотой H.

2.7.4. Используя среду MS Office Excel, произвести пересчет найденных экспериментально значений величины h в истинное давление P_x по формуле(2.3), подставляя в нее размеры манометра: d=1,6мм, D=30мм, Н=70мм, и заполнить таким образом последнюю строку таблицы.

2.7.5. Для обоих тепловых манометров построить градуировочные кривые, т.е. зависимости U(p_x) и R(p_x). Объяснить ход полученных кривых.

2.7.6. Выключить установку, для чего поставить краны K1 и K3 в нейтральное положение, выключить форвакуумный насос, и незамедлительно соединить вход форвакуумного насоса с атмосферой краном K2.

Рис.2.1. Схема установки с масляным гидростатическим компрессионным манометром Мак-Леода (показано положение манометра в конце цикла сжатия газа в капилляре сжатия 2)


(а)	(б)
Рис. 2.2. Общий вид и схемы включения тепловых манометров-вакуумметров: а– термопарного манометра, б– манометра сопротивления (Пирани)

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ к работе № 2

(Контрольные вопросы включают задания 1–8 в виде теста. Выберите правильный, с Вашей точки зрения, ответ и сравните с ответами, приведенными на стр. 55)

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

А. постоянная Больцмана за пределами этих значений давления начинает изменяться; Б. электропроводность газа за пределами этих значений давления не изменяется;

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

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

2. “Дифференциальный” гидростатический манометр становится “абсолютным” когда:

А. давление газа над одним из колен больше, чем над другим;

Б. давление газа над одним из колен много больше, чем над другим;

В. давление газа над одним из колен меньше, чем над другим.

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

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

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

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

Б. Химическими реакциями на поверхности нити;

В.вторичной электронной эмиссией на поверхности нити.

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

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

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

А. «источником напряжения»; Б. «источником тока»; В.источником с любым внутренним сопротивлением.

7. Измерять сопротивление нити в манометре сопротивления можно:

А. зная величину тока и падение напряжения на нити; Б. с помощью моста Уитстона; В. с помощью L–C моста.

8. Множитель 1/17 в формуле (2.1) появился:

А. как отношение плотности масла к плотности ртути; Б.как термодинамический коэффициент; В. как отношение плотности ртути к плотности масла.

9. Чем отличается процедура измерений давления гидростатическим манометром Мак–Леода методом «квадратичной шкалы» от метода «линейной шкалы»?

10. Каковы преимущества и недостатки методов линейной и квадратичной шкалы при измерениях манометром Мак–Леода?

11. Выведите рабочую формулу для метода «линейной шкалы» гидростатического компрессионного манометра Мак–Леода (при измерениях методом «линейной шкалы» масло в капилляре сжатия поднимается до одной и той же отметки).

12. Выведите рабочую формулу для метода «квадратичной шкалы» гидростатического компрессионного манометра Мак–Леода.

Лабораторная работа N 3

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ДАВЛЕНИЙ ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ И ТЕПЛОВЫМИ МАНОМЕТРАМИ
3.1. Цель работы:

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

–изучить способы получения вакуума: принцип действия и типы вакуумных насосов, вакуумных кранов, ([1]–с.9–20, [2]–с.79–136, [3]–с.60–105, 177–182);

–познакомиться с принципом действия манометров различных типов, в том числе тепловых (термопарного и манометра сопротивления) и гидростатического ( [1]–с.20–30, [2] – с.136–155, [3] – с.106–147);

–изучить влияние рода газа на показания тепловых манометров ([1]–с.20–30, [2] – с.136–155, [3] – с.106–147).
3.3. Отчет по работе должен содержать:

–название и цель лабораторной работы,

–схему лабораторной установки,

–вывод рабочей формулы для системы дозирования газа,

–методику градуировки тепловых манометров (кратко),

–градуировочные кривые для термопарного манометра и манометра сопротивления.
3.4. Типы измерителей низких давлений

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

Обозначим : давление и высоту столба жидкости в левом (открытом и соединенном с системой ) колене как P₁ и h₁_, а в правом, закрытом колене – как P₀ и h₀. Условие равновесия столба жидкости плотностью ρ будет

,

и тогда измеряемое манометром давление P₁

,

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

Очевидно, что при P₀=0 или при P₀<<P₁ показания манометра не зависят от P₀:

, и дифференциальный манометр становится «абсолютным», а при использовании в качестве рабочей жидкости ртути, позволяет производить отсчет непосредственно в мм рт. ст.

Минимальное давление, которое при этом можно надежно зафиксировать, определяется точностью визуального отсчета Dh, и оказывается порядка 1 мм рт. ст. Повысить точность измерений малых давлений (чувствительность манометра) удается заменой ртути на другую жидкость с меньшей плотностью r. Так, при использовании в качестве рабочей жидкости–вакуумного масла (

), разности высот Dh~1мм соответствует давление 1/17 мм рт.ст., т.е. чувствительность манометра повышается в 17 раз.
3.4.2. Тепловые манометры (термопарный манометр и манометр сопротивления).

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

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

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

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

По сравнению с использованием компрессионного манометра Мак–Леода, используемого в Лабораторной работе №2 настоящего практикума, данная методика градуировки позволяет ускорить её процесс, и дает возможность легко провести градуировку не только для воздуха, но и для любого газа (например, любого инертного газа).
3.5. Схема лабораторной установки

Обозначения, использованные на схеме ( рис. 3.3) :ФН – ротационный объемно–механический (форвакуумный) насос ТМ – датчик теплового термопарного манометра-вакуумметра (ПМТ-2), ВТ – вакуумметр термопарный (ВТ–2, ВТ–3 или ВИТ) (схема питания и регистрации для ТМ), МС – тепловой манометр-вакуумметр сопротивления (манометр Пирани) (датчик и схема регистрации), ПО–объем, имеющий течь, ДИС – дозирующая измерительная система, включающая: ММ – гидростатический U–образный масляный манометр, ДЗ – дозирующий клапан. К1–К5 – вакуумные краны. Краном К1 к системе может быть подключен либо форвакуумный насос ФН, либо насос другого типа. Кран К2 предназначен для пуска атмосферного воздуха во входной патрубок ФН после его останова при выключении установки (при откачке форвакуумным насосом кран К2 находится в нейтральном положении). Кран К3 – «раздаточный», с его помощью объём ПО может подключаться к системе. С помощью крана К4 осуществляется «деление» давления газа в ДИС в постоянное число раз, и таким образом задается малое известное давление газа в процессе градуировки тепловых манометров. С помощью крана К5 правое колено ММ можно либо откачивать до давления Р₀, либо отсекать от установки для измерений давления в левом колене.
3.6. Методика получения малого известного давления газа с помощью ДИС.

Обозначим V_у – объем установки, заключенный «между» кранами К1 и К4, и V_ДИС – объем ДИС.

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

(3.1),

где (P₁)_к – конечное давление после расширения газа

Отсюда получим:

(3.2),

где

(3.3)

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

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

(3.4),

или

(3.5),

После n–подобных шагов

(3.5),

(при этом должно выполняться P₀<<P_n, в противном случае необходимо вводить соответствующую поправку).
3.7. Ход работы

УКАЗАНИЯ ПО МЕРАМ БЕЗОПАСНОСТИ

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

2. При выполнении работы следует постоянно иметь в виду, что стеклянные оболочки проверяемого объема, вакуумпровода, кранов, манометров и других вакуумных устройств находятся под давлением, равным разности наружного атмосферного давления и давления внутри установки, т.е. при откачке находятся под давлением, практически равным атмосферному. Поэтому любые повреждения оболочек приводят к мгновенному их разрушению и разлету осколков, которые могут нанести травму. В связи с этим, категорически запрещается:

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

– держать на рабочем столе посторонние предметы (сумки, одежду и пр.),

– включать установку без разрешения лиц, проводящих практикум,

кроме того, в установке, находящейся под напряжением, разъединять разъемы, а также осуществлять какие–либо переключения, не оговоренные инструкцией к работе.

3.7.1. Включение установки. Для этого:

– поставить краны К1–К4 в нейтральное положение, кран на манометре ММ – в положение «открыт», кран дозиметра ДЗ – в положение «закрыт»,

– включить термопарный манометр и форвакуумный насос ФН,

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

3.7.2. Задавая малое известное давление газа с помощью дозирующей измерительной системы ДИС, произвести градуировку тепловых манометров (термопарного ТМ и манометра сопротивления МС) для воздуха.
3.7.3. Перед началом градуировки:

– включить термопарный манометр ТМ;

– проверить, соответствует ли значение тока накала нити (нагреватель) датчика паспортному значению, при необходимости установить паспортное значение тока, для чего перевести тумблер на лицевой панели в положение «Ток нагревателя» и потенциометром «Ток нагревателя» произвести установку тока, учитывая, что полное отклонение индикатора равно 150 мА.

(При отсутствии паспортных данных необходимо путем регулировки тока накала нити согласовать показания термопарного и ионизационного манометров при давлении 10^–4мм рт.ст. и менее. Для этого необходимо запустить высоковакуумный диффузионный насос и с его помощью откачать установку до указанного давления, проводя измерения ионизационным манометром. Далее, в положении тумблера «Измерение» путем регулировки тока накала (нагревателя) установить э.д.с. термопары термопарного манометра, равной при этом давлении 10 мВ. Перевести тумблер в положение «Ток нагревателя» и по шкале миллиамперметра отсчитать паспортное значение тока.)
– включить источник питания и вольтметр измерительной схемы МС.
3.7.4. Определить коэффициент «деления давления» . Для этого:

– откачать систему до предельного вакуума,

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

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

– краном К4 соединить ДИС с установкой и измерить давление расширившегося газа (P₁)_к, вычислить коэффициент .
3.7.5. Последовательность действий при градуировке тепловых манометров:

задать малое известное давление газа, для этого: откачать систему до предельного вакуума, поставить все вакуумные краны в нейтральное положение, а кран на манометре ММ в положение «закрыт»; с помощью дозиметра ДЗ напустить в ДИС одну или несколько порций воздуха, давление которого (P₁) измерить манометром ММ; краном К4 соединить ДИС с установкой и вычислить давление расширившегося газа (P₁)_к.

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

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

	Измерения
	№ 1	№ 2	№ 3	№ 4
Начальное давление в ДИС P₁, мм масляного столба
Начальное давление в ДИС P₁, мм ртутного столба
Давление (P₁)_к , мм рт.ст.

1 2 3 4 5 6

	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... Упр. Выучите наиболее распространенные эквиваленты экономических терминов (макроэкономика)		Федеральное государственное автономное образовательное учреждение... Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
	Федеральное государственное автономное образовательное учреждение... Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Учебно-методическое пособие Казань 2008 федеральное агентство по... Полевая археологическая практика Казанского государственного университета: Учебно-методическое пособие для студентов, обучающихся...
	Учебно-методическое пособие великий новгород Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Научно-исследовательский институт физики Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южный федеральный университет»
	Учебно-методическое пособие Рекомендовано методической комиссией... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный...		Федеральное государственное автономное образовательное учреждение... Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
	Учебно-методическое пособие Ростов-на-Дону 2011 удк 656. 25 + 06... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный...		Методические указания предназначены для студентов 3-4 курсов. Содержание... Методические указания разработаны сотрудником кафедры прикладной математики и программирования: кандидатом технических наук, доцентом...
	Учебно-методическое пособие для студентов Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования		Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... Учебно – методическое пособие составлено в соответствии с требованиями гос впо по направлению 080100. 68 «Экономика», фгос впо по...
	«Дальневосточный федеральный университет» (двфу) Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Руководство пользователя электронной торговой площадки федерального... Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
	Разработка и исследование двухканального приемника оптических импульсов... Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «южный федеральный университет»		Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Похожие: