Лабораторная работа 1.4 (Отчеты по лабораторным работам (2009))

Молекулярный практикум. 2009 год.

Знакомство с методами получения и измерения вакуума

Отчёт по лабораторной работе № 1.4

Москалёв Александр Сергеевич

Физический факультет. Группа 831.2

…

…

Цель всей работы

Изучение элементов вакуумной техники, принципов получения и измерения вакуума. Приобретение опыта работы с вакуумной установкой.

Задание

1. Цель. Изучить основные принципы работы вакуумной техники. Получить вакуум в лабораторных условиях. Снять показания приборов в течении процесса

2. Произвести анализ полученных данных и вычислить быстроту откачки объёма, быстродействие насоса, а также установить проводимость съёмного элемента вакуумопровода опытным путём и произвести сравнение с аналитической зависимостью.

2. Идея метода измерения. Путём последовательной откачки рабочего объёма сначала форвакуумным, а позже, диффузионными насосами получить вакуум порядка . Снять показания приборов и для различных съёмных элементов вакуумопровода опытным путём определить проводимость. Определить быстроту откачки рабочего объёма можно исходя из скорости изменения давления в нём. Быстрота диффузионного насоса может быть определена, если известны утечки, а также изменение давления в объёме. Зная перепад давлений и поток газа из объёма можно определить проводимость вакуумопровода.

Рис. 1. Принципиальная схема вакуумной установки. М1, М3 – термопарные манометрические преобразователи (термопарные лампы); М2 и М4 – ионизационные манометрические преобразователи; К1, К3 и К4 – вентили; К2 – поворотный затвор.

3. Методика измерений. Предварительно была произведена откачка диффузионного насоса форвакуумным, чтобы добиться давлений, при которых нагрев масла в нём был безопасным. После откачки рабочего объёма до давления порядка был подключен диффузионный насос, который позволил увеличить разряжение до . Данные, получаемые с термопарных ламп и ионизационных преобразователей, фиксировались самописцем. После проведения эксперимента они были оцифрованы и пересчитаны сначала в показаниях реальных приборов - милливольтметров и микроамперметров, а потом в значения давлений. Притом, для перевода показаний милливольтметра в давление пришлось применить несложный алгоритм, позволяющий по графику заданной зависимости давления от напряжения установить взаимооднозначное соответствие между показанием прибора и искомым давлением. На рисунке 1 приведена схема действующей установки.

4. Результаты. После обработки данных были получены следующие результаты.

При закрытом кране К4 (полностью закрытом рабочем объёме) поток газа в рабочий объём составил величину порядка литра в секунду. Оценка быстроты откачки рабочего объёма диффузионным насосом дала величину литра в секунду.

Предельное давление диффузионного насоса было определено после его отключения от рабочего объёма. При этом можно пренебречь газовыделением и утечками в оставшейся части, а по показаниям М4 определить максимальное разрежение. Оно составило величину порядка . Натекание плюс газовыделение в системе составило приблизительно литра. Стоит заметить, что измерение этой величины было затруднено. На диаграмме это хорошо видно.

Поскольку проводилось две откачки рабочего объёма, то анализ быстроты действия диффузионного насоса был произведен дважды. В среднем быстрота действия составила литров в секунду. Проводимость, напротив, показала большую изменчивость и составила в случае прямого соединения литров в секунду, а при использовании вакуумопровода ( ) литров в секунду. Поскольку с сопротивлением вакуумопроводов можно обходиться по законам обычного сопротивления в электродинамике, то переводя экспериментальные проводимости системы с вакуумопроводом и без него, представляется возможным вычислить проводимость его одного.

5. Погрешности измерений. При измерении давления термопарной лампой необходимо конвертировать показания милливольтметра в давления, пользуясь соответствующей таблицей перевода. Как можно заметить, на краях производная графика принимает достаточно большие по модулю значения (рис. 2), что существенно занижает точность определения давления. В расчетах были отброшены крайние 4 значения, чтобы не вызывать внесения излишней погрешности в результаты.

6. Обсуждение результатов. В работе предлагается сравнить полученную проводимость вакуумопровода с теоретически предсказываемой. Найдем теоретическую.

Рассматривая давление в рабочем объёме можно прийти к выводу, что число Кнудсена изменяется от , что много больше, чем , а значит процессы течения газа – свободномолекулярные. Тогда применяем формулу для молекулярного течения газа и получаем проводимость порядка литров в секунду. ( ). Это вполне сходится с экспериментальными данными.

7. Выводы. Проведено ознакомление с основами вакуумной техники. Получен вакуум порядка . Экспериментальным путем установлена проводимость трубки с известным диаметром и длиной.

8. Литература в отчёте

1. Методическое пособие к лабораторным работам. Лабораторная работа 1.4. Знакомство с методами получения и измерения вакуума. НГУ, 2006.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Компьютерный метод сопоставления показаний милливольтметра с таблицей перевода

И

Рис. 2. Градуировочная кривая лампы типа ЛТ-2

звестно, что зависимость давления в рабочей камере от напряжения, измеряемого вольтметром, имеет вид, приведенный на рисунке 2.

Перевод множества значений исходных данных вручную зачастую приводит к ошибкам и отнимает много времени. Для автоматизации процесса был разработан нижеприведенный код. Он, используя файл точек Scale.txt, описывающий основные точки графика, из данных, помещенных в файле Data.txt получает результат, помещаемый в Result.txt.

Программа на Delphi/Pascal, код кнопки:

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);

Var F, F1 : TextFile; Arr : Array[1..255] of TDt; n : Byte;

mv : Real;

Function GetP(mV : Real) : Real;

Var current, b : Byte; chi : real;

Begin

chi := 1000;

b := 1;

for current := 1 to n do

if chi > abs(Arr[current].mv - mV) then

begin

chi := abs(Arr[current].mv - mV);

b := current;

end;

Result := Arr[b].p;

if (Arr[b].mv > mV) And (b <> 1) then

begin

Result := (Arr[b].p - Arr[b - 1].p) * (mV - Arr[b - 1].mv)/(Arr[b].mv - Arr[b - 1].mv) + Arr[b - 1].p;

end;

if Arr[b].mv < mV then

begin

Result := (Arr[b + 1].p - Arr[b].p) * (mV - Arr[b].mv)/(Arr[b + 1].mv - Arr[b].mv) + Arr[b].p;

end;

End;

begin

AssignFile(F, 'Scale.txt');

ReSet(F);

n := 0;

while Not EOF(F) do

Begin

n := n + 1;

Read(F, Arr[n].mv);

Read(F, Arr[n].p);

End;

CloseFile(F);

AssignFile(F, 'Data.txt');

ReSet(F);

AssignFile(F1, 'Result.txt');

ReWrite(F1);

while Not EOF(F) do

Begin

Read(F, mv);

WriteLn(F1, GetP(mv):1:4);

End;

CloseFile(F1);

CloseFile(F)

end;

Кафедра общей физики. Физический факультет НГУ. 3