В целом о вакууме и вакуумных системах

Свойства вакуума
Особенности вакуумных систем

Вакуумные материалы и уплотнители

Вакуумные материалы
Уплотнители и и смазки

На заметку

Динамические и радиометрические вакуумметры
Измерение и контроль вакуума - Контрольно-измерительная аппаратура
Оглавление
Динамические и радиометрические вакуумметры
Страница 2
Страница 3
Все страницы


Импульс молекулы, ударившейся о движущуюся или нагретую поверхность (равный mv, где v — скорость молекулы после удара), превышает среднее количество движения остальных молекул. Тогда суммарный импульс молекул, покидающих поверхность единичной площади в секунду, будет равен mvv, где V—-частота ударов молекул об эту поверхность.


Согласно кинетической теории газов, частота ударов молекул о поверхность единичной площади связана с давлением и температурой уравнением

(4.6)

Для двух поверхностей (1 и 2), расположенных на расстоянии й друг от друга, много меньшем длины свободного пробега молекул, перенос молекулой импульса от одной поверхности к другой определяется выражением

(4.7)

Таким образом, перенос импульса линейно зависит от давления, а нижнего предела измерения давления с теоретической точки зрения не существует.

Для случая, когда одна поверхность перемещается относительно другой со скоростью и, уравнение (4.7) принимает упрощенный вид:

(4.8)

С другой стороны, если температура одной поверхности T1 превышает температуру окружающей среды То, то, согласно кинетической теории газов, скорость переноса импульса равна

(4.9)

Отметим, что величина В не зависит от молекулярной массы газа.

В результате переноса импульса на поверхность будет действовать сила, измеряя которую, можно определять давление. Поскольку при низких давлениях величина указанной силы слишком мала, для ее измерения определяют работу этой силы > в течение некоторого длительного промежутка времени при условии, что все остальные силы, действующие на поверхность, пренебрежимо малы.

На этих идеях, впервые выдвинутых в, начале века, основаны динамические вакуумметры, работающие по принципу переноса импульса от движущейся поверхности, и радиометрические, работающие по принципу переноса импульса от нагретой поверхности. Было создано большое число разнообразных вакуумметров этого типа, хотя, как сказал один из разработчиков, в течение всей их долгой, истории эти вакуумметры больше конструировались, чем использовались.


Рассмотрим сначала динамические вакуумметры, которые построены на двух различных вариантах переноса импульса. К этим вакуумметрам относятся так называемые вязкостные и кинетомолекулярные вакуумметры. Действие первых основано на измерении времени затухания колебательного движения поверхности в результате эффекта демпфирования после приложения импульса. В кинетомолекулярных вакуумметрах используется эффект переноса импульса от непрерывно вращающегося диска к близко расположенному неподвижному, давление определяется по крутящему моменту неподвижного диска. Первые вакуумметры этого типа описаны в работе Дэшмана.

Такие динамические вакуумметры позволяли измерять давления порядка 10-4 Па. К конструкции подвески элементов вакуумметра, измеряющего такие давления, предъявляются повышенные требования: возникающие в ней силы трения и ее жесткость не должны маскировать измеряемый крутящий момент. Возможность разработки более простых, надежных к точных вакуумметров, обеспечивающих измерение более низких давлений, появилась в связи с идеей, использовать шар или диск, свободно подвешенный в магнитном поле, в качестве ротора. Впервые эта идея была выдвинута в 1946 г. , но лишь после 1962 г. она была реализована в вакуумметрах.

В этой конструкции ротор удерживался в подвешенном состоянии с помощью вертикального аксиального магнитного поля, создаваемого электромагнитом. Регулировка электромагнита в соответствии с положением ротора относительно вертикальной оси осуществлялась с помощью устройства, состоящего из датчика и сервопривода. После раскрутки шара до угловой скорости 100 000 с-1 и прекращения действия внешней силы измерялось затухание скорости. Обозначим через D тангенциальную составляющую тормозящей силы, возникающей вследствие переноса импульса от ротора к молекулам газа; тогда

(4.10)

где I — момент инерции шара и ? — его угловая скорость (в рад/с). Интегрируя уравнение (4.10) с учетом того что (n = 2nN, где N — число оборотов ротора в 1 с, можно получить

(4.11)

где N0 — число оборотов в начальный момент времени t0, a N — соответственно в момент времени t. Силу торможения можно найти из рассмотрения тангенциальных скоростей молекул, ударяющихся о поверхность ротора. Экспериментально установлено, что D линейно зависит от давления, чего и следовало ожидать в соответствии с уравнением (4.7). Получено приближенное выражение [40]

(4.12)

где р — плотность материала ротора, а г — его радиус. 

Поскольку при давлениях порядка 10-3 Па для уменьшения скорости ротора на 1% требуется 1 ч или даже больше, необходимо очень точно измерять скорость. Кроме того, должно быть обеспечено термическое равновесие между элементами вакуумметра, а также должны быть устранены или скомпенсированы все посторонние поля; например, магнитное поле Земли приводит к ошибке, эквивалентной давлению 10-5 Па.

В теории вязкостного вакуумметра обычно предполагается, что обмен тангенциальными импульсами молекул с поверхностью ротора протекает по идеальному механизму. Однако это предположение выполняется только для гладкого и точного металлического шара, вращающегося при умеренных скоростях. В частности, при негладкой поверхности ротора показания вакуумметра существенно зависят от рода газа

Вязкостные вакууметры позволяют измерять давления вплоть до 10-7 Па, однако оптимальный диапазон измеряемых ими давлений составляет 10-2—1O-5 Па. Даже первые несовершенные вязкостные вакуумметры представляли собой прецизионные устройства, требующие относительно дорогостоящей электронной системы управления и измерения, а также установки их на виброзащитных столах. Вакуумметры с вращающимся ротором стали более практичными устройствами благодаря применению магнитной подвески (рис. 4.18). Такие вакуумметры выпускаются промышленностью, но в небольших количествах.


Рис. 4.18. Датчик вязкостного вакуумметра: 1,3 — чувствительные кольца для измерения и контроля осевого положения ротора; 2— одно из четырех колец системы поперечного демпфирования; 4 — ротор (шарик); 5 — полый цилиндр, соединенный с вакуумной системой; 6 — одно из четырех рабочих колец; 7 — одни из двух постоянных магнитов.

 


Радиометрические вакуумметры по сравнению с вязкостными обладают тем преимуществом, что их показания не зависят от природы газа. Одним из первых радиометров был прибор, предложенный Круксом в 1873 г. Основным элементом этого устройства являлась легкая четырехлопастная вертушка. Если к баллону, в котором находилась эта вертушка, поднести источник света или тепла, то она начинала вращаться.

Долгое время принцип действия этого прибора был не вполне понятен, и попытки использовать его в качестве вакуумметра не приводили к успеху. Лишь в 1914 г. в результате исследований процессов теплопередачи в тазах при низких давлениях Кнудсен сумел объяснить действие радиометра и построил основанный на этом принципе вакуумметр для измерения сверхнизких давлений. Вакуумметр Кнудсена состоит из системы подвижных и неподвижных пластинок, которые могут нагреваться (рис. 4.19). Отклонение подвижных пластинок зависит от давления. Из уравнения (4.9) можно получить

(4.13)

где I — момент инерции подвижной пластинки, А—ее площадь и г — радиус, т — период колебания пластинки, ? — ее отклонение, а Т1 и T0 — температуры нагретой пластинки и окружающего газа соответственно.

Позже был разработан ряд аналогичных вакуумметров, основанных на радиометрическом эффекте; их конструкции описаны в работе Дэшмана. Основным недостатком вязкостных вакуумметров является необходимость использования в условиях низкого давления прецизионной системы подвески, однако был разработан радиометрический вакуумметр с магнитной подвеской, позволяющей измерять давления вплоть до 10-8 Па. В этом вакуумметре основным элементом является вырезанный из шоликристаллического магнитно-изотропного графита диск диаметром 3 мм и толщиной 0,05 мм, который вращается вокруг своего диаметра, расположенного по вертикальной оси статора.

Диск помещен внутри цилиндрического корпуса (статора), выполненного из молибденовых полосок, расположенных под определенным углом (рис. 4.20). Корпус статора с помощью теплопровода (металлического стержня), погруженного в жидкий азот, может охлаждаться до ~78 К, тогда как стеклянная оболочка вакуумметра находится при комнатной температуре.

Если диск вращается против часовой стрелки (рис. 4.20), то полукруги диска а (относительно оси вращения) будут все время отступать, а противоположные им полукруги б — наступать. Поверхности а доступны для молекул, отразившихся от более теплых поверхностей оболочки вакуумметра и корпуса ротора. Молекулы, отразившиеся от тепловой оболочки, не будут попадать на поверхность б, если только они предварительно не ударились о холодную поверхность корпуса ротора. Таким образом, крутящий момент, зависящий от давления газа, будет приложен к диску вследствие переноса импульса «горячими» молекулами.

В результате вращающийся диск будет либо ускоряться, либо замедляться в зависимости от направления начального вращения. Скорость вращения определяется с помощью фотоумножителя, который фиксирует отраженный от вращающегося диска луч света. При одном полном обороте диска на фотоумножитель попадает два импульса света.

Обычно давление измеряется по эффекту торможения вращающегося диска, а скорость вращения определяется по количеству импульсов за определенный отрезок времени. При давлении 10-7 Па для измерения требуется около 60 с; таким образом, вакуумметр этого типа не годится для динамического измерения давления. Вакуумметр, температура ротора которого, совпадает с температурой окружающей среды, может быть использован в качестве вязкостного вакуумметра.

Рис. 4.19. Радиометрический вакуумметр Кнудсена.

 

Рис. 4.20. Вакуумметр Эврарз и Бутри (вид сбоку и горизонтальное поперечное сечение): 1 — теплопровод; 2— луч света; 3—графитовый диск; 4 — статор (холодный); 5 — магнит; 6 — фотоумножитель; 7 — магнит; 8 — тепловое излучение; 9 — стеклянный корпус (нагретый).


Тем не менее при любых измерениях следует учитывать влияние вязкости газа. Рассмотренный вакуумметр представляет собой довольно сложное и дорогое устройство, однако, являясь абсолютным вакуумметром, он может быть использован в качестве образцового для градуировки ионизационных вакуумметров).

 

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

   

 

Сейчас на сайте

Сейчас на сайте находятся:
 73 гостей на сайте

Нов боков адс адаптивный

=
Рейтинг@Mail.ru