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常见问题

FREQUENTLY ASKED QUESTIONS

1. 真空计的种类一:Pirani(皮拉尼或电阻)真空计

低温的气体分子碰撞高温固体时,会从固体夺取热量。通过被气体分子夺取的热量来计算压力的真空计被成为热传导真空计。热传导真空计主要被应用于中低真空领域。代表性的热传导真空计包括Pirani真空计和热电偶真空计。

    原理
    金属圆筒内部设有一白金细线,两端连接电极。通过电极给白金细线提供电流时,白金细线会发热,气体分子碰撞白金细线或热辐射或通过固体热传导等方式,白金线的热量会被夺走。单位时间内以上三种方式夺走的热量为Qg,Qr,Qs,则平衡状态下时以下公式成立  
        
 = 2 = g + r + 
s (1) 
    
Q是单位时间细线放出的热量,R是细线的电阻,I是细线的电流。

    气体的平均自由行程比细线的直径大很多时,Qg通过自由分子的热传导被表示为
        g = αΛπda(T-T0) (2)

     TT0分别为细线和金属圆筒的温度,P为气体压力,a是细线长度。 剩下的QsQr可以分别表示如下
        s = κ(T-T0)/ (3)

        r = πdaσε(4-T04) (4)

    (3)是电极的热传导,其中S是细线的断面积是固体的传导率,L是电极的长度。(4)式代表热辐射ε分别被称为常数和固体辐射率。如果保持TT0一定,(3)(4)式为常数。如果用I02R表示一定量的固体热传导和热辐射,则式1可以表示为
       2 = Ap  I02 (5)

        = αΛπda(T-T0) (6)

     I0是压力为0的时候细线的电流是弥补固体热传导和热辐射而带来的热量损失。A式是不依存压力的定数

    如果已知细线的电阻R,电流I0及定数A,则可以通过(5)式求得压力P。

2. 真空计的种类二:热电偶真空计

Pirani真空计一样,热电偶真空计也是利用气体分子的热传导现象,因为价格低廉,被广泛应用到中真空领域。

构造和原理

    热电偶接在白金或钨的细线上。这段细线通过电流后会发热。发出的热量通过周围气体分子的热传导,或细线本身的固体热传导,或热辐射放出。利用气体分子承担的热传导量与压力成正比的特点是此真空计的原理。  

    
如果保持细线的发热量即保持一定的电流,则周围压力高的时候气体夺走的热量较多,致使细线的温度较低。反过来周围压力低的时候细线的温度会升高。这种温度的变化通过热电偶检测出来,将热电偶的起电力换成压力之后即可知真空腔内的压力。

特征

    利用气体分子的热传导现象,可能测量的压力范围在1~300Pa之间。热电偶真空计测得细线温度同时,也受到细线本身的固体热传导和热辐射放热的影响。因此精度不高。但是电路简单,价格低廉

    另外此真空计在大气压状态下也不会烧损。而且测得的压力值通过电信号被取出,因此在自动控制方面容易控制。

3. 真空计种类三: Penning(潘宁)真空计

Penning真空计是利用真空中的放电现象,测量中高真空领域的温度计,测量性稳定,耐用性久为其特点。

构造原理

   让真空中的残留气体电离,通过测量电离生成的离子或电子的电流而得出气体的压力,这种真空计被称为电离真空计。电离真空计让有几十eV的电子碰撞气体分子使其电离。电子的产生方式有两种:一种是加热金属丝放出热电子(热阴极),另一种方式是利用等离子体(冷阴极)Penning真空计是冷阴极电离真空计的一种。


    Penning真空计利用Penning放电现象。一般而言,冷阴极放出的电子比热阴极少。单纯在阴阳两极间加电压,如果压力低于0.1Pa则不会持续放电。为了增加电子飞行距离,从外部加磁场,这样可使在更低的压力下也可放电。

  检测部如图所示,主要构造为圆筒形(或园环形)阳极。圆板状的阴极和永久磁铁构成。磁力线和电极的中心轴平行设置。阳极电压2~3kV,磁场强度约1000G

   从阴极放出的电子受洛仑兹力而做螺旋运动。同时,轴方向的空间电压如图C所示。电子被控制在势井内,于两侧的阴极之间做往返运动。实际上的电子运动要比这种估算复杂得多。但是,螺旋运动和往返运动使得电子的飞行距离大幅度增长。电子最终会被阳极捕捉,但是在被捕捉之前多次和气体分子碰撞,在两阴极之间产生等离子体状态。等离子体中的电子和阳极放出的电子一样会做螺旋运动和往返运动,但离子因为质量较大,螺旋运动半径较大,而且在高电位空间产生,短时间内被阴极捕捉。
  
  
 Penning放电可在0.1Pa的压力下发生。假设电子的数量和气体压力无关,在阴极被捕捉到的离子数量(单位时间发生电离的次数=电流),则与压力及气体分子的电离断面积成正比例。如果知道离子电流和压力的比例系数,则可知道压力值。电离断面积依气体分子而变化,比例系数也会因气体分子而变。市场上的真空计一般以干燥空气或氮气为标准测出比例系数。

特征用途

    Penning真空计测量性能稳定,可测量高真空领域的电流。因为是冷阴极方式,不必担心电极的烧损问题。缺点是放电稳定性有一定不足。另外从阴极放出的电子量受表面污染影响严重。

    根据以上特点,此真空计适合不想频繁更换真空计的高真空领域设备上,同时因为此真空计本身有较强的磁场,要考虑其安装在设备上的位置。

4. 真空计的种类四:电离真空计

电离真空计是通过使气体分子电离,测量离子数量而得出压力的真空计,被用于高真空至超高真空领域,定量性能优异。 

构造原理

   和先前所讲的冷阴极型Penning真空计不同,热阴极电离真空计中使气体电离的电子,是通过加热电热丝来获得。准确来讲应称之为热阴极型电离真空计,但平时多被直接简单称为电离真空计。
 
  电离真空计的基本构造为电热丝(F),加速和捕捉电子的阳极网(G),捕捉离子的集电器(C)而构成

 
  电热丝和阳离子集电器之间如果有气体分子,往返运动的电子会与其碰撞而产生阳离子和电子,生成的电子同样做往返运动最终被阳极网捕捉。而在阳极网和阳离子集电器之间生成的阳离子则被阳离子集电器捕捉。阳离子集电器的捕捉效率为a,电子使气体分子电离的几率为σ,气体分子密度为n,电热丝放出的热电子的电流为Ie,电子被阳极网捕捉前飞行的平均距离为L,阳离子集电器检测出的电流为Ii,

  Ii = σLa      (1)

    L,a,σ 是常数。如果控制Ie为一定值,Iin成正比例。假设气体是理想气体,通过方程式p=nkT,则可知IiP成正比例。也就是所测得离子电流就可知气体压力。

  Ii = SIp    (2)

     S被称为电离真空计系数或感度,其值通常由实验而定。一般的电离真空计,S值大约为0.1~0.3/Pa

5. 真空系统选择

真空范围

真空度

工艺

真空系统

低真空

105102Pa


*真空输运
*
洁净室
*
打印机自动进纸
*
真空浓缩罐*真空浓缩(干燥)
*
真空包装


*干式旋片泵系统
*
油封旋片泵系统
*
水封泵系统
*
柱塞泵系统
*
干式真空泵系统

中真空

102~10-1Pa

*真空充气装置
*
真空干燥
*
真空除气
*
真空蒸馏
*
真空热处理*真空炉
*
真空冷冻干燥

*多级旋片泵系统
*
罗茨泵系统
*
柱塞泵系统
*
扩散泵系统
*
干式真空泵系统
*
吸附泵系统

高真空

10-1~10-5pa

*真空镀膜
*
真空冷冻干燥*真空蒸馏
*
真空气体置换*真空密封
*
真空焊接
*
离子注入

*扩散泵系统
*
涡轮分子泵系统
*
吸附泵系统
*
低温泵系统
*
离子泵系统

超高真空

<10-5Pa


*电子显微镜*等离子体发生器
*
表面研究
*
材料分析
*
原子核研究
*
离子加速器
*
物理学研究

*涡轮分子泵系统
*
低温泵系统
*
吸附泵
*
涡轮分子泵系统
*
低温泵系统
*
离子泵系统

6. 真空常用名词术语

对真空计量的需求。

2、真空度(全压力)测量与校准

 在真空计量中, 真空度(全压力)测量与校准占有十分重要的地位,它是分压力、气体微流量(或漏率)计量的基础, 技术上相对比较成熟, 在真空应用中占有较大的比重。

  2.1、真空度(全压力)测量

 在真空度测量方面, 目前,已有从105Pa压力到极高真空(10-11Pa)的各种真空计,有工业化的产品。当今, 根据真空应用中对真空计使用要求,国际上真空计的新产品正在向小型化、一体化、集成化、系统化和智能化的方向发展。小型化是指真空计的体积越来越小;一体化是指真空计测量单元与规管集成为一体;集成化是指将多台真空计组合成一台; 系统化是指将真空度测量与控制相结合; 智能化是指真空计具有自我诊断、 自我保护、 自动操作、 数据采集与处理的综合功能。

 真空计小型化是电子技术的产物, 它是一体化和集成化的基础。小型化使真空计便于安装;一体化提高了真空计的测量精度;集成化扩展了真空计的测量范围,适合于真空系统中的实际应用;系统化满足了工业自动化控制的要求;智能化使真空计便于操作和使用。真空计的这些特点和发展趋势值得关注。

2.2、真空度(全压力)校准

 在真空度的校准方面,从粗低真空、中真空到高真空等区域内的绝对真空标准装置都已经建立;具有可从105Pa压力到极高真空(10-10Pa)校准的各种真空计,开展了国家级真空计量标准之间的直接和间接。

 20世纪60年代是真空度标准发展时期, 各国相继建立了许多不同类型的真空度标准,初步开展了在一国之内的真空标准之间的互校,逐步建成了国家级真空度标准和形成了国家真空计量中心。20世纪70年代是真空度标准深入发展时期,从实践和理论两个方面对真空标准的测量不确定度进行了仔细地探讨,继续开展了一国之内的真空度标准的互校,逐步开展了国际间真空度标准的比对工作。20世纪80年代以后,通过开展国际间真空度标准的比对,不断完善和提高已有真空标准的测量精度。延伸了真空校准下限,建立了超高和极高真空校准装置。如德国PTB建立了分子束法校准系统, 校准下限为10-10Pa [2]

 在国内,真空计量技术与国际上同步发展。20世纪60年代,我站开始研制从低真空到超高真空较完整的玻璃真空标准装置系列,即压缩式真空计标准装置、低真空膨胀式标准装置、高真空膨胀式标准装置、小孔疏导法超高真空标准装置, 为真空计量一级站的发展奠定了基础。

 自从1983年国防科工委组建国防计量体系以来,国防真空计量技术加速发展,也是我站发展最迅速的一个时期。通过七五” 八五九五” 3个五年计划的建设发展,我站已研制建立了精密压力计、金属膨胀式真空计量标准、程控式真空规校准装置、真空规比对法校准装置等真空标准装置,形成了全压力真空计量标准的体系,可在 105~10-7Pa真空度范围内对各种类型的真空计进行校准。

 我站十分重视国防真空计量体系的建设,形成了真空量值的传递网,由国防科工委真空计量一级站、2个真空计量二级站组成的较完整的国防真空计量量值传递体系,使真空量值的传递渠道畅通,保证了真空量值的准确与统一。

 为了延伸真空的校准下限,需要开展超高、极高真空校准技术的研究,使真空校准下限达到 10-10Pa,以满足超高和极高真空校准需求。

3、气体微流量(或漏率)测量与校准

 随着真空计量向准确、精密和更深层次的发展,提出了气体微流量(或漏率)的测量与校准,建立气体微流量(或漏率)计量标准,已成为真空计量学研究的重要内容。

 在实际应用中, 精确测量气体微流量(或漏率)和建立气体微流量(或漏率)计量标准是十分重要的。例如, 为了保持飞船舱内的压力长期工作正常,不但要找到漏孔位置,还要精确测量微小的漏率,这对于长期在空间飞行的载人飞船尤为重要。火箭燃料是易燃、易爆、有毒的气体或液体,微小的泄漏具有很大的危险性,为此要对火箭燃料的加注过程和发射阵地进行安全检测。在电子工业中的半导体元件、 集成电路、计算机芯片的生产工艺中, 要求精确控制气体微流量的注入,以保证工艺质量和产品性能的稳定。

 国内外对气体微流量(或漏率)测量与校准的研究,虽然起步较晚,但是随着理论研究的深入和实践经验的积累,使之气体微流量(或漏率)测量与校准的难度和存在的问题有了更具体和更深刻的认识。近年来又投入了更大的人力和财力,从事更先进的气体微流量标准的研制,进一步提高了校准精度,延伸了校准的下限。

3.1  真空漏孔校准

 近十多年来, 国内外在真空漏孔的校准方面做了大量的研究工作, 建立了一系列的气体微流量标准,对真空漏孔进行了校准。美国国家标准技术研究院NIST先后研制了二代恒压式微流量标准,校准范围2×10 -3~2×10-8Pa·m3/s,并正在准备研制第三代气体微流量标准。德国物理技术研究院(PTB)先后研制了恒压式和定容式气体微流量标准,校准范围分别为2×10-3~2×10-9Pa·m3/s1×10-4~1×10-8Pa·m3/s。意大利计量研究院(IMGC)先后研制了二代恒压式气体微流量标准,校准范围3×10 -5~3×10-8Pa·m3/s1998年,中国计量研究院研制了定容式流量标准, 校准范围2×10-4~5×10-9Pa·m3/s1994年,我站建成一台恒压式气体微流量标准装置, 校准范围1×10 -3~×10-8[3]

 但是, 质谱检漏仪使用的真空漏孔大多在2×10-3~2×10-11Pa·m3/s漏率范围内,气体微流量标准只能校准漏率值较大的真空漏孔,无法校准漏率值小于1×10-8Pa·m3/s的漏孔。若采用相对法校准真空漏孔时,校准结果则取决于四极质谱计的线性,因为四极质谱计的线性较差,使得校准真空漏孔的不确定度非常大。

 通过对气体微流量(或漏率)校准技术研究,可以得出解决较小漏率的真空漏孔校准问题和减小测量不确定度,才能满足对真空漏孔精确校准的需求。

3.2 、正压漏孔校准

 在航天产品研制和生产中,正压检漏技术已被广泛地采用,最常用的是皂泡法和水泡法。由于对正压检漏的可靠性提出了更高的要求, 采用了质谱检漏技术,要用正压漏孔对质谱检漏仪进行标定,从而提出了正压漏孔的校准问题。国内外对真空漏孔,漏孔的一端为大气压, 另一端为真空的校准技术研究比较成熟,已经研制了多种校准装置, 并在不同标准装置间进行了比对研究。但是对于正压漏孔的校准,因受到正压检漏定量性差和校准条件比较苛刻的局限,使之研究工作才刚刚开始。通过对各种真空漏孔和正压漏孔的校准方法进行了比较和分析,提出了正压漏孔的校准方法;利用已建成的气体微流量标准装置和现有的仪器设备,对正压漏孔的校准方法进行了实验研究。在大量的理论分析和实验研究的基础上,研制了正压漏孔校准装置。正压漏孔校准装置可采用定容法和定量气体动态比较法对正压漏孔进行校准。定容法的校准范围为1×102~5× 10-3Pa·L/s,测量中的不确定度为2.58%~9.10%:定量气体动态比较法的校准范围为2×10-2~5×10-3Pa·L/s,测量不确定度小于14.2%

 在正压漏孔校准中采用了定量气体法,解决了累积气体中未知示漏气体的定标问题,并延伸校准下限二个数量级, 解决了较小漏率的正压漏孔的校准问题。

9. 真空计的压力测量范围和特点以及真空计选用原则

真空计测量范围

   压力测量中,除极少数直接测量外,绝大多数是间接测量。就是先在被测气体中引起一定的物理现象,然后再测量这一过程中与压力有关的物理量,进而设法确定压力值。这是真空测量的特点,亦会造成某些问题。
          
任何具体物理现象与压力的关系,都是在某一压力范围内才最显著,超出这个范围,关系变得弱了。因此,任何方法都有其一定的测量范围,这个范围就是真空计的量程。尽可能扩展每一种方法的量程,是真空科学研究的重要内容之一。近代真空技术所涉及到的压力范围宽达19个数级(10510-14pa),没有任何一种真空计能测量如此宽的压力范围,因此总是用几种真空计分别管辖一定的区域。但由于各种真空计在原理上的差异.在相互衔接的区域,往往要造成较大的误差。
          
在被测空间引起一定物理现象,还会出现这样的问题,即从测量的角度出发,本需要一种单纯的物理现象,但有时却不可避免地带来一系列寄生现象,这些寄生现象不但给测量量带来误差,有时还会喧宾夺主,完全把主要现象掩盖住了。
          
由上观之,为改善真空计性能及提高真空测量准确度,必须突出主要现象,抑制寄生现象。表1给出一些真空计的压力测量范围。


1  一些真空计的压力测量范围


真空计名称

测量范围(Pa)

真空计名称

测量范围(Pa)

水银U型管

10510

高真空电离真空计

10-110-5

U型管

1041

高压力电离真空计

10210-4

光干涉油微压计

110-2

B-A

10-110-8

压缩式真空计(一般型)

10-110-3

宽量程电离真空计

1010-8

压缩式真空计(特殊型)

10-110-5

放射性电离真空计

10510-1

弹性变形真空计

105102

冷阴极磁放电真空计

110-5

薄膜真空计

10510-2

磁控管型电离真空计

10-210-11

振膜真空计

10510-2

热辐射真空计

10-110-5

热传导真空计(一般型)

10210-1

分压力真空计

10-110-14

热传导真空计(对流型)

10510-1

 

 

 

真空测量特点

(1)测量压力范围宽,105lO-14Pa
        (2)
大部分真空计是间接测量,只有压力为105lOPa时,可直接测单位面积所受的力。但大多数真空测量的压力远比上述为小,不能直接测量,应利用低压下气体的某些特性(如热传导、粘滞性和电离等)进行间接测量。
        (3)
多采用非电量电测技术。
        (4)
大部分真空计的读数与气体种类和成分有关。所以测量时要特别注意被测量气体种类和成分.否则会造成很大误差。
        (5)
测量精度不高。


选择真空计原则
    (1)
在要求的压力区域内有要求的精度。
    (2)
被测气体是否会损伤真空计;真空计可否会给被测气体状态带来影响。
    (3)
能测全压力吗?可校准吗?灵敏度与气体种类有关否。
    (4)
可否连续指示、电气指示以及反应时间长短。
    (5)
稳定性、复现性、可靠性和寿命如何。
    (6)
还要看真空计的安装方法、操作性能、保修、管理、市场有无销售、购买的难易程度和规格如何。
    
除上述应考虑的问题外,还要查阅参考书、样本或直接向生产工厂询问。