壓力的測量和真空技術

關于壓力的測量和真空技術第1頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、概述

壓力和溫度一樣是系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，與許多物化性質(zhì)相關。物化實驗中，會涉及到高壓、常壓和真空系統(tǒng)。不同壓力系統(tǒng)有著不同的測量方法和技術。

二、壓力的定義和習慣表示1、定義：壓力即物理中的壓強，具有壓強的量綱。(1)帕斯卡(帕)：Pa;1Pa=1Nm-2=105達因/平方厘米(2)標準大氣壓：atm;1atm=101.325KPa(3)毫米汞柱(乇)：mmHg(Torr);1mmHg=1Torr=1.333102Pa(4)巴：bar(B)1B=105Pa;1mB=0.1KPa(5)毫米水柱：1mmH2O=9.806Pa(4oC)第2頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)絕對壓力P<實際壓力，總壓力>(2)相對壓力p=P–Po<與大氣壓力Po相比較的壓力>(3)正壓力P>Po(4)負壓力P<Po<又稱真空，其絕對值稱為真空度>(5)差壓力P1-P2<任意壓力P1和P2比較的差值>三、常用測壓儀表1.液柱式測壓儀：(1)特點：范圍低于1000mmHg的壓力，壓差，負壓。精度高，簡單方便。工作物質(zhì)Hg,有毒，玻璃管易碎。2.習慣表示：第3頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)原理：<U型壓力計>靜力學平衡：P+(H+h)1g=H3g+h2g+Po1,2

為充液上方的氣體密度。3為充液密度。Po為大氣壓力。(3)注意：充液小，H大，靈敏度則高。U型管兩邊內(nèi)徑不同，H值不可用一邊的變化乘以二代替。內(nèi)徑大于等于10mm，最小刻度1mm,以防毛細現(xiàn)象影響。有必要溫度校正：ho=htt/o

t/o值可查表。第4頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2.彈性壓力計：(1)特點：使用了彈性元件的彈性力來測量壓力。分真空表和正壓力表，刻度分別為mmHg和atm.結構簡單，讀數(shù)方便，測壓范圍廣，價格便宜。(2)原理：彈簧管受壓形變，使得元件相應部分發(fā)生了位移。從而推動指針向著一定的方向運動。并指示出相應的壓力值。第5頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)注意：<1>合理選擇量程。<2>不超過35oC使用，否則要校正。<3>壓力表指針平穩(wěn)后，才能讀數(shù)<4>定期校驗。第6頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

(2)分類：(1)特點：由壓力傳感器，測量電路和電性指示器三部分組成?；魻枆毫ψ兯推鳎河蓮椥栽軌鹤兓瘯r自由端的位移，可轉換成電壓信號輸出。3.電測壓計：第7頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月電位器壓力變送器：與動圈式儀表配合使用。受壓彈性元件的變化帶動電位器觸點改變，致使電阻變化。由此電橋平衡打破，產(chǎn)生不平衡電壓。壓電式壓力傳感器：壓電晶體把壓力效應轉換成電信號。壓阻式壓力傳感器：外壓變化，電阻變化(如：Si,Ge)，電橋平衡破壞，產(chǎn)生相應電信號。第8頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月四、氣壓表1.福廷式氣壓計數(shù)字式低真空壓力測試儀：壓阻式傳感器。接真空，預熱10min即可正常工作。(1)結構：

1游標2、3汞柱4游標螺絲5汞槽6象牙針7調(diào)整螺絲8汞面9羊皮袋10調(diào)節(jié)螺絲

(2)使用：第9頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

(3)校正：測定條件為0oC，45o緯度，海平面760mmHg于1atm，實際并非如此。儀器校正：儀器誤差校正卡，出廠時即附帶?！白x數(shù)+校正值”溫度校正：T的變化致使Hg和黃銅變化的長度不同，當大于0oC時，“讀數(shù)-校正值”,當小于0oC時，“讀數(shù)+校正值”po=(1+t)p/(1+t)=[1+(-)/(1+t)]p

p為氣壓計讀數(shù)；t為測量溫度(oC)；0oC-35oC時，為Hg的平均體膨脹系數(shù)1.81810-4K-1，為黃銅線膨脹系數(shù)1.8410-5K-1，po為校正到0oC時的大氣壓值。第10頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月海拔高度和緯度校正：ps=po(1-2.610-3cos2L)(1-3.1410-7h)誤差小時，可忽略。例1：某地北緯32o

，海拔10m，室溫25oC，讀數(shù)759mmHg,儀器校正0.4mmHg，求校正后的讀數(shù)。(756mmHg)第11頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2.固定槽式氣壓計：區(qū)別：不要調(diào)節(jié)針尖。讀數(shù)單位為mB1mB=0.75mmHg=0.1KPa3．空盒氣壓計由多個空盒組成，在大氣壓力影響下，可產(chǎn)生軸向移動，從而帶動指針運動。氣盒受壓，指針順時針運動，反之，逆時針運動。第12頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月特點：體積小，重量輕，不要固定，要水平放置，精度差。范圍：600mmHg–800mmHg,溫度：-10oC–40oC。最小分度：0.5mmHg，誤差小于等于1.5mmHg。例2：儀器校正值0.7mmHg，溫度校正–0.05mmHg(每升溫1oC)，讀數(shù)760mmHg，室溫30oC，求校正后的值。<762.2mmHg>第13頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月五、真空技術

真空是指一個系統(tǒng)的壓力低于標準壓力的氣態(tài)空間。為了獲得真空，就必須設法將氣體分子從容器中抽出，凡是能從容器中抽出氣體，使氣體壓力降低的裝置均稱為真空泵。

真空分類：粗真空：101.3KPa-1333Pa

低真空：1333Pa-0.1333Pa

高真空：0.1333Pa-1.33310-6Pa

超真空：<1.33310-6Pa第14頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月真空泵分類：(1)水流泵

水流泵應用的是柏努利原理，水經(jīng)過收縮的噴口以高速噴出，其周圍區(qū)域的壓力較低,由系統(tǒng)中進入的氣體分子便被高速噴出的水流帶走。水流泵所能達到的極限真空度受水本身的蒸氣壓限制。用它一般可獲得粗真空(760～10Torr)。盡管其效率低，但由于簡便，實驗室在抽濾或其它粗真空度要求時卻經(jīng)常使用。第15頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)油封機械真空泵1定子2旋片3轉子4彈簧5進氣口6出氣口

泵的抽氣原理是基于氣體的壓縮和膨脹。當抽除含有冷凝蒸氣的氣體時，蒸氣被壓縮，壓力增大，蒸氣就會凝結。凝成的液體與泵油混合，并隨油在泵中循環(huán)，把一些污染的液體帶到低壓區(qū)，液體在低壓區(qū)蒸發(fā)，從而限制了泵可達到的真空度(一般可達到1～10-3Torr的低真空度)，實驗室可用它獲得低真空，也作為獲得高真空的前級泵。第16頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月油泵使用注意事項：<1>不能直接用來抽出冷凝性氣體如水蒸氣，揮發(fā)性氣體如乙醚或腐蝕性氣體如氯化氫等。若要應用，則應在泵的進氣口前端加接干燥瓶、吸收瓶或冷阱。

常用的干燥劑有氯化鈣或五氧化二磷等，吸收劑常用固體氫氧化鈉等，冷阱常用的致冷劑為固體二氧化碳(-78℃)或液氮(-196℃)。<2>用泵之前應該檢查馬達的額定電壓和接線方法，運轉方向和泵油量是否適量。運轉時電機溫升一般不可超過65℃，不應有異常聲音。第17頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月<3>開泵或停泵前，應使泵先與大氣相通，以避免帶負載啟動或泵油沖入真空系統(tǒng)。(即倒吸)(3)擴散泵

擴散泵是獲得高真空的抽氣設備10-3～10-8Torr的高真空)，按泵的工作介質(zhì)可分為汞擴散泵和油擴散泵。常見的是硅油擴散泵，以油泵作為其前級泵。第18頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月<1>工作液最好用硅油，硅油分子量大，蒸氣壓低，有利于提高真空度。汞有毒，最好不用。擴散泵使用注意事項：<2>由于擴散泵的有效工作范圍在10-1～10-8Torr，所以在使用擴散泵時，必須要用前級泵，將壓力降到10-1Torr以下，并且前級泵的抽氣速度必須大于擴散泵。<3>泵的冷卻和加熱器加熱對泵的工作效率也很重要，防止泵油返流現(xiàn)象。加熱、冷卻必須緩慢進行，防止擴散泵爆裂。第19頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月六、真空測量用真空壓力表可測得低真空的壓力，對于真空度較高的體系，必須要用其它真空計來測量其真空度。

粗真空或低真空：

U型管壓差計真空表較高或高真空：真空規(guī)：絕對真空規(guī)麥氏真空規(guī)相對真空規(guī)熱偶真空規(guī)電離真空規(guī)第20頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)麥氏(Mcleod)真空規(guī)1毛細管(接真空系統(tǒng))2、3毛細管4-玻璃泡5毛細管6活塞(接空氣泵)7汞容器8底座

麥氏真空規(guī)又稱為壓縮真空計，是在1～10-6Torr的范圍內(nèi)測量絕對壓力的儀器。麥氏規(guī)是根據(jù)波義耳定律來測量真空度的。它首先是讓被測真空系統(tǒng)的殘留氣體進入規(guī)內(nèi)，然后加以壓縮，比較壓縮前后的體積和壓力的變化，就可算出其真空度。麥氏真空規(guī)有臺式和轉式兩種。第21頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)熱偶—電離真空規(guī)(復合真空計)熱偶真空規(guī)工作原理圖電離真空規(guī)工作原理圖

復合真空計面板圖1電源指示2電源開關3電流調(diào)節(jié)4加熱、測量旋鈕5發(fā)射調(diào)節(jié)6去氣、測量開關7發(fā)射、測量旋鈕8零點調(diào)節(jié)9標準、測量倍率旋鈕10標準調(diào)節(jié)

11燈絲開關12燈絲指示第22頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

熱偶規(guī)管由加熱絲和電偶絲組成，熱偶絲的熱電勢由加熱絲的溫度決定。當熱偶規(guī)與真空系統(tǒng)相聯(lián)時，如果維持加熱絲電流恒定，則熱偶絲的熱電勢將由其周圍的氣體壓強決定，當壓強低于某一定值時，氣體導熱系數(shù)與壓強成正比，從而可找出熱電勢與壓強的關系，直接用表頭指示真空度

電離真空規(guī)為一只特殊的三極真空管，收集極的電極相對于陰極為-30V，而柵極上正電位為正200V，若使陰極發(fā)射的電子流和柵極的電位穩(wěn)定，則陰極發(fā)射的電子在柵極作用下高速運動并與氣體分子相碰，使氣體分子電離成離子。正離子將被負電位的收集極吸收而形成離子流，經(jīng)放大器放大后由微電流計指示，形成的離子流與電離規(guī)中的氣體的壓力成正比，因此可從離子電流的大小，即可直接讀出真空度。第23頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月復合真空計的使用方法：(1)連接好熱偶規(guī)、電離規(guī)和儀器的電纜，插頭不可接錯，插錯將燒壞規(guī)管。如使用電離規(guī)須將K6放在“斷”的位置。接通電源預熱10min。(2)如使用熱偶規(guī)，須將K6

放在“加熱”位置，旋電流調(diào)節(jié)旋鈕使加熱電流為啟封電流。再將K6

拔在“測量”位置，從表上即可讀取真空度。第24頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)如使用電離規(guī)，先把K4放在“發(fā)射”位置，放在“測量”位置，接通規(guī)管燈絲K2，使發(fā)射電流為5mA(表上有紅線)。電流調(diào)好后，利用K4

和零點調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)電表零點；利用K5

和校準調(diào)節(jié)(K4置于測量位置)，調(diào)節(jié)電表為滿刻度后，將K5置于適當量程即可測得系統(tǒng)的真空度。(4)測量過程中整個系統(tǒng)電源電壓必須恒定。當真空度低于10-3Torr時，不能使用電離規(guī)。如電離規(guī)暫時不用，只需斷開K2

即可。第25頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月七、真空檢漏

新安裝的真空裝置在使用前應檢查系統(tǒng)是否漏氣，檢漏的方法很多，如火花法、熱偶規(guī)法、電離規(guī)法、螢光法、質(zhì)譜儀法、磁譜儀法等等。物理化學實驗室中常采用火花檢漏法、熱偶規(guī)法和電離規(guī)法?；鸹z漏法：檢查低真空系統(tǒng)漏氣的一種方法。使高頻火花發(fā)生器火花調(diào)節(jié)正常將放電簧對著玻璃系統(tǒng)表面不斷移動。若沒有漏氣，高頻火花束是散開的，并在玻璃表面上不規(guī)則地跳動；若玻璃壁上有漏氣孔，則由于大氣穿過漏孔，其導電率比玻璃高得多，而使火花束集中并通過漏孔而進入系統(tǒng)，產(chǎn)生一明亮光點，這個光點就是漏孔。根據(jù)高頻火花的顏色，還能粗略地判斷系統(tǒng)的真空度。第26頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月火花檢漏法：壓力在10～10-3Torr時，火花在系統(tǒng)內(nèi)起紅色輝光放電；壓力在10Torr以上或10-3Torr以下時，系統(tǒng)內(nèi)不產(chǎn)