Методы измерения газовых потоков
Методы измерения газовых потоков
Газовый поток — это масса газа, проходящая в единицу времени через заданное поперечное сечение элемента вакуумной системы. В Международной системе единицей газового потока является кг/с. Потоки индивидуальных веществ можно измерять также количеством молекул газа, проходящих через заданное сечение элемента вакуумной системы в единицу времени.
При постоянной температуре газа часто используют внесистемную единицу газового потока м3-Па/с. Для воздуха при То — =273 К 1 м3-Па = 1,3-10-5 кг. Стационарный поток газа, выраженный в м3-Па/с, можно записать в виде
где U—проводимость вакуумной системы. Уравнение (8.1) может быть использовано для измерения стационарных газовых потоков методом двух манометров по перепаду давления на вакуумном элементе известной проводимости.
Другое выражение для определения как стационарных, так и нестационарных газовых потоков можно записать в дифференциальной форме:
В соответствии с уравнением (8.2) для измерения газовых потоков используют два метода: постоянного давления и постоянного объема. При /?=const поток газа Q = Vdp/dt, а его измерение осуществляется по скорости изменения давления в камере постоянного объема. При V=const поток газа Q=Vdp/dt, а его измерение осуществляется по скорости изменения объема газа при постоянном давлении.
Описанные методы считаются абсолютными. Косвенные методы— тепловые, радиоизотопные, ионизационные — нуждаются в градуировке по абсолютным методам.
Метод двух манометров. Метод двух манометров основан на измерении перепада давлений на элементе с известной проводимостью в соответствии с уравнением (8.1) и применяется для измерения стационарных или медленно изменяющихся во времени газовых потоков.
На рис. 8.1 показана схема измерения производительности и быстроты действия вакуумных насосов методом двух манометров. Поток газа, откачиваемый насосом 5, измеряется по перепаду давления на диафрагме 3 известной проводимости U. Диафрагма
установлена в измерительном колпаке 6, рекомендуемые размеры которого показаны на рисунке. Давления pi и ра измеряются соответственно манометрами 2 и 4. Регулировка потока газа осуществляется с помощью натекателя /, подключенного к вспомогательной вакуумной системе. Рабочее давление вспомогательной вакуумной системы больше, чем основной. Производительность насоса или газовый поток, проходящий через его входной патрубок, рассчитывается по уравнению (8.1), а быстрота откачки
Для расширения пределов измерения проводимость диафрагмы можно изменять непрерывно, например с помощью конструкции ирисовой диафрагмы, применяемой в фотоаппаратах, или ступенчато, используя поворотные диски с отверстиями различных диаметров.
Для элементов с малой проводимостью вместо отверстий, изготовление которых сопровождается технологическими трудностями обеспечения формы, используют длинный трубопровод — капилляр.
Метод постоянного давления. Схема измерения газового потока методом постоянного давления, использующая жидкостную бюретку, показана на рис. 8.2, а. Давление в измерительном объеме 5 жидкостной бюретки 6
гце рв — давление внешней среды; р — плотность жидкости в бюретке; h — разность уровней жидкости в измерительном объеме и внешнем цилиндре бюретки. Если выполняется условие, что ~^>pgh, то можно считать, что рИЗм~ const и требование постоянства давления выполняется. Тогда газовый поток согласно (8.2) определяют по уравнению
здесь Л/г и ЛУ— изменения уровня жидкости и величины объема измерительного цилиндра бюретки за время Л/; Кб— постоянная бюретки; Кб=л/?2изм; £изм — радиус измерительного объема.
Кран 4 необходим для опускания жидкости в бюретке и повторения экспериментов. Натекатель 3 предназначен для регулирова-
ния потока газа. Бюретка обычно заполняется вакуумным маслом, имеющим низкое давление насыщенного пара при комнатной температуре.
Схема измерения газового потока методом постоянного давления, использующая образование газовых пузырей, показана на рис. 8.2, б. При вытекании газа из объема 2 в объем 1 при Рг>р1 газовый поток может быть рассчитан по скорости dNJdt возникновения и объему Уп газовых пузырей 4, возникающих в жидкости 3:
Вакуумирование пространства над жидкостью увеличивает чувствительность измерения, так как сопровождается увеличением объема пузырьков.
Примером использования метода постоянного давления является определение газового потока по известному значению быстроты откачки вакуумной камеры So. Вакуумный насос 7 (рис. 8-2, а) через клапан или диафрагму 2 подключается к откачиваемому объекту 2, давление р в котором измеряется вакуумметром 2. Поток газа регулируется клапаном 4 и натекателем 3.
Быстрота откачки камеры в соответствии с основным уравнением вакуумной техники
где U — проводимость вакуумной системы от насоса до откачиваемого объекта; SB — быстрота откачки насоса.
Измерения удобно проводить в молекулярном режиме, когда проводимость U зависит только от рода газа и температуры, но не зависит от давления. Нестабильностью быстроты откачки насоса можно пренебречь, если тогда
из (8.7) So^U. Так как50 = бГ/(1/, то, согласно (8.2), величина газового потока
лучения вакуума в объеме 3. В процессе измерения клапан 2 закрывается. Газ из баллона 6 через натекатель 4, поступающий в объем 3, вызывает увеличение давления р. Если поток газа постоянен, то происходит линейное повышение давления (кривая 2 на рис. 8.3, б). По скорости повышения давления определяют газовый поток:
В момент прекращения откачки вакуумной камеры (/=0) в ней возникает газовыделение адсорбированных газов, приводящее к нелинейному повышению давления (кривая 3 на рис. 8.3, б). Суммарное изменение давления происходит согласно кривой 1 (рис. 8.3, б). Для надежного измерения потока методом постоянного объема газовыделение должно быть мало по сравнению с измеряемым газовым потоком. Этого можно достичь длительной предварительной откачкой вакуумной камеры.
Метод постоянного объема. Для определения газового потока методом постоянного объема можно использовать схему на рис. 8.3, а. В этом случае насос / и клапан 2 используются в качестве вспомогательной вакуумной системы для по-
Косвенные методы определения газовых потоков. Методы измерения газовых потоков, точность которых может быть обеспечена только после предварительной градуировки, называются косвенными. Чувствительность по потоку приборов для косвенных измерений где а — показания прибора в делениях самой чувствительной шкалы; Q — газовый поток, определенный абсолютным методом.
В процессе градуировки определяется диапазон потоков, в котором сохраняется линейность градуировочной характеристики. Проверка градуировки в процессе эксплуатации осуществляется с помощью калиброванных течей, одна из конструкций которых показана на рис. 8.6. Она представляет собой стеклянный баллон 1, заполненный гелием при давлении 105 Па. В баллон впаяна через переход 2 кварцевая трубка 3. Гелий диффундирует сквозь плавленый кварц. Для потоков 10—6… 10—9 м3-Па/с проверка течей может производиться один раз в год.
Примером косвенного метода измерения газовых потоков является тепловой метод. Теплопередача в области низкого вакуума при вынужденной конвекции зависит от скорости течения газа, а температура нагретой нити следовательно, от потока газа. В связи с тем что точный расчет зависимости между температурой и газовым потоком выполнить сложно, градуируют тепловой потокомер по абсолютному прибору.
