教學(xué)用金屬溫差電偶真空計(jì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置

安奎生，付申成，谷德山

(東北師范大學(xué) 物理學(xué)院 物理實(shí)驗(yàn)中心，吉林 長(zhǎng)春 130024)

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教學(xué)用金屬溫差電偶真空計(jì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置

安奎生，付申成，谷德山

(東北師范大學(xué) 物理學(xué)院 物理實(shí)驗(yàn)中心，吉林 長(zhǎng)春 130024)

摘要：自制了金屬真空系統(tǒng)，闡述了溫差電偶真空計(jì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置的工作原理，給出了靜態(tài)膨脹法校準(zhǔn)溫差電偶真空計(jì)的測(cè)試方法. 在低真空度時(shí)金屬真空系統(tǒng)表面放氣不顯著，適用于真空實(shí)驗(yàn)教學(xué).

關(guān)鍵詞：真空系統(tǒng)；溫差電偶真空計(jì)；校準(zhǔn)；靜態(tài)膨脹法

真空技術(shù)實(shí)驗(yàn)[1-2]課使用組裝玻璃真空系統(tǒng). 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，玻璃系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)炸裂和漏氣，只有玻璃工才能維修，影響正常的教學(xué)進(jìn)度. 為此，設(shè)計(jì)制作了金屬真空系統(tǒng)，并開(kāi)出了“溫差電偶真空計(jì)校準(zhǔn)”、“真空蒸發(fā)鍍膜”等實(shí)驗(yàn). 真空計(jì)校準(zhǔn)是真空測(cè)量的基礎(chǔ)，其校準(zhǔn)對(duì)象是組成真空計(jì)的真空規(guī)管和電子線路的整體. 本文介紹了自制的金屬溫差電偶真空計(jì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置，闡述了靜態(tài)膨脹法校準(zhǔn)溫差電偶真空計(jì)的測(cè)試過(guò)程與結(jié)果.

1實(shí)驗(yàn)裝置

溫差電偶真空計(jì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1，由真空系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)3部分組成. 設(shè)計(jì)尺寸為1 200 mm×800 mm×1 100 mm，整機(jī)總功率為2.5 kW，極限真空度為5×10-4Pa.

1.1　真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)由真空獲得設(shè)備、真空測(cè)量器件、真空金屬容器和真空組合配件構(gòu)成.

1)真空獲得設(shè)備：2XZ-4型旋片式機(jī)械真空泵[3]1臺(tái)， K-100型金屬油擴(kuò)散泵1臺(tái)， DN200型冷阱1個(gè).

2)真空測(cè)量器件：FZH-2B型復(fù)合真空計(jì)1臺(tái)，真空規(guī)管接頭3個(gè)，ZJ-51溫差電偶規(guī)管2只，JZ-27熱陰極電離規(guī)管1只，通過(guò)真空計(jì)波段旋鈕控制，可分別測(cè)量?jī)?chǔ)氣室、校準(zhǔn)室的真空度；帶二通玻璃真空閥的U型管真空計(jì)1個(gè).

3)真空金屬容器[4]：圓柱形金屬儲(chǔ)氣室、校準(zhǔn)室各1個(gè)(尺寸均為：直徑220 mm，長(zhǎng)300 mm).

4)真空組合配件：高真空蝶閥[5]1個(gè)，高真空擋板閥2個(gè)，微調(diào)閥1個(gè)，放氣閥1個(gè)，固定體積單通閥(并列連接，體積分別為1.5 mL和7.5 mL)1個(gè)，波紋管2根，過(guò)渡法蘭4個(gè)，不銹鋼連接管道(三通、彎頭等 )若干件，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架1個(gè).

1.2　電源控制系統(tǒng)

裝置面板上安有機(jī)械泵、擴(kuò)散泵控制開(kāi)關(guān). 外部配置電源電壓分別為380 V，220 V.

圖1　溫差電偶真空計(jì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置

1.3　循環(huán)水系統(tǒng)

壓強(qiáng)1.5×103～2.5×103Pa，水溫低于20 ℃，冷卻水管長(zhǎng)8 m，用于金屬油擴(kuò)散泵冷卻.

2裝置工作原理

溫差電偶真空計(jì)利用氣體分子的導(dǎo)熱性質(zhì)，通過(guò)溫差電偶產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)來(lái)測(cè)量真空. 由于氣體的熱傳導(dǎo)受很多因素的影響，因而溫差電偶電動(dòng)勢(shì)和壓強(qiáng)的關(guān)系不能由計(jì)算確定，必須進(jìn)行校準(zhǔn)方可使用. 靜態(tài)膨脹法[6-7]校準(zhǔn)溫差電偶真空計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

A.旋片真空泵；B.油擴(kuò)散泵；K1，K2，K3，K4.手動(dòng)高真空雙通閥；K5,K6.固定體積單通閥；K7.微調(diào)閥；K8.二通玻璃真空閥；G1,G2.溫差電偶規(guī)管；G3.電離規(guī)管；G4.U型管真空計(jì)圖2　溫差電偶真空計(jì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

即

(1)

即

其中，μ為摩爾質(zhì)量，R為氣體普適常量，T為氣體絕對(duì)溫度，均為常量. 所以

由于V0?V1，故V1+V0≈V1，則有

(2)

若以充油的U型真空計(jì)指示出油柱高度差為h時(shí)，則V中壓強(qiáng)p為

(3)

此式壓強(qiáng)單位為mmHg(1 mmHg=133.32 Pa)，因此以Pa為單位有

(4)

3實(shí)驗(yàn)測(cè)試

1)對(duì)儲(chǔ)氣室(V)抽氣

關(guān)K1，開(kāi)機(jī)械泵電源，開(kāi)K2，開(kāi)溫差電偶真空計(jì)電源，將波段開(kāi)關(guān)撥到V1測(cè)量擋，用G1測(cè)V中真空度達(dá)到5 Pa以上，關(guān)K2.

2)對(duì)校準(zhǔn)室 (V1)抽氣

開(kāi)K3和K4，將溫差電偶真空計(jì)波段旋鈕撥到V2測(cè)量擋，用G2測(cè)量V1中真空度. 當(dāng)真空度高于5 Pa時(shí)，打開(kāi)擴(kuò)散泵水源和電源；當(dāng)真空度達(dá)到0.1 Pa時(shí)，開(kāi)電離真空計(jì)G3燈絲開(kāi)關(guān).

3)做校準(zhǔn)準(zhǔn)備

當(dāng)真空度達(dá)10-3Pa時(shí)，關(guān)玻璃閥門(mén)K8，調(diào)節(jié)K7向V中充入氣體，在G4中做100 mm左右的油柱高度差(約103Pa)；關(guān)電離真空計(jì)燈絲開(kāi)關(guān)，關(guān)K4，關(guān)擴(kuò)散泵電源.

4)校準(zhǔn)

表1　膨脹次數(shù)n、溫差電偶真空計(jì)電壓U及壓強(qiáng)p1數(shù)據(jù)

5) 關(guān)機(jī)

膨脹結(jié)束，關(guān)K3，關(guān)機(jī)械泵電源，開(kāi)K1，關(guān)擴(kuò)散泵水源，關(guān)溫差電偶真空計(jì)電源，打開(kāi)K8.

6)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫(huà)出p1-U關(guān)系圖，如圖3所示.

圖3　p1-U關(guān)系圖線

4結(jié)束語(yǔ)

自制靜態(tài)膨脹法校準(zhǔn)溫差電偶計(jì)裝置實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀、狀態(tài)穩(wěn)定、操作方便、造價(jià)低廉，沒(méi)有水銀污染，在低真空(p>10-2Pa)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)表面放氣不顯著，故它具有足夠的精確度，因此適合于真空實(shí)驗(yàn)課教學(xué).

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[責(zé)任編輯：任德香]

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理工作.

Experimental apparatus for the calibration of

thermocouple vacuum gauge

AN Kui-sheng， FU Shen-cheng， GU De-shan

(Physics Experiment Center， School of Physics,

Northeast Normal University， Changchun 130024， China)

Abstract:A metal vacuum system was made up, the principle of the experimental apparatus for thermocouple vacuum gauge calibration was elaborated, and the calibration process with static expansion method was given. The experimental result indicated that the self-made metal vacuum system was suitable for experiment teaching because of its low outgassing.

Key words:vacuum system； thermocouple vacuum gauge； calibration； static expansion method

中圖分類號(hào)：TB77

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2016)01-0006-03

作者簡(jiǎn)介：安奎生(1965-)，男，吉林榆樹(shù)人，東北師范大學(xué)物理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)中心主任助理，碩士，從事

收稿日期：2015-10-30;修改日期：2015-12-10