壓力與真空課件

壓力的測(cè)量和真空技術(shù)Chemistry&ChemicalEngineeringSchoolYangzhouUniversity

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(guān)。物化實(shí)驗(yàn)中，會(huì)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(cè)量方法和技術(shù)。

二、壓力的定義和習(xí)慣表示1、定義：壓力即物理中的壓強(qiáng)，具有壓強(qiáng)的量綱。(1)帕斯卡(帕)：Pa;1Pa=1Nm-2=105達(dá)因/平方厘米(2)標(biāo)準(zhǔn)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)(1)絕對(duì)壓力P<實(shí)際壓力，總壓力>(2)相對(duì)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(fù)壓力P<Po<又稱真空，其絕對(duì)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(cè)壓儀表1.液柱式測(cè)壓儀：(1)特點(diǎn)：范圍低于1000mmHg的壓力，壓差，負(fù)壓。精度高，簡(jiǎn)單方便。工作物質(zhì)Hg,有毒，玻璃管易碎。2.習(xí)慣表示：2.彈性壓力計(jì)：(1)特點(diǎn)：使用了彈性元件的彈性力來(lái)測(cè)量壓力。分真空表和正壓力表，刻度分別為mmHg和atm.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，讀數(shù)方便，測(cè)壓范圍廣，價(jià)格便宜。(2)原理：彈簧管受壓形變，使得元件相應(yīng)部分發(fā)生了位移。從而推動(dòng)指針向著一定的方向運(yùn)動(dòng)。并指示出相應(yīng)的壓力值。(3)注意：<1>合理選擇量程。<2>不超過(guò)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(yàn)。

(2)分類：(1)特點(diǎn)：由壓力傳感器，測(cè)量電路和電性指示器三部分組成。霍爾壓力變送器：由彈性元件受壓變化時(shí)自由端的位移，可轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。3.電測(cè)壓計(jì)：電位器壓力變送器：與動(dòng)圈式儀表配合使用。受壓彈性元件的變化帶動(dòng)電位器觸點(diǎn)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(yīng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。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(yīng)電信號(hào)。

(3)校正：測(cè)定條件為0oC，45o緯度，海平面760mmHg于1atm，實(shí)際并非如此。儀器校正：儀器誤差校正卡，出廠時(shí)即附帶。“讀數(shù)+校正值”溫度校正：T的變化致使Hg和黃銅變化的長(zhǎng)度不同，當(dāng)大于0oC時(shí)，“讀數(shù)-校正值”,當(dāng)小于0oC時(shí)，“讀數(shù)+校正值”po=(1+t)p/(1+t)=[1+(-)/(1+t)]p

p為氣壓計(jì)讀數(shù)；t為測(cè)量溫度(oC)；0oC-35oC時(shí)，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(shí)的大氣壓值。2.固定槽式氣壓計(jì)：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(jì)由多個(gè)空盒組成，在大氣壓力影響下，可產(chǎn)生軸向移動(dòng)，從而帶動(dòng)指針運(yùn)動(dòng)。氣盒受壓，指針順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，反之，逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。五、真空技術(shù)

真空是指一個(gè)系統(tǒng)的壓力低于標(biāo)準(zhǔn)壓力的氣態(tài)空間。為了獲得真空，就必須設(shè)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真空泵分類：(1)水流泵

水流泵應(yīng)用的是柏努利原理，水經(jīng)過(guò)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(jìn)入的氣體分子便被高速噴出的水流帶走。水流泵所能達(dá)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(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)室在抽濾或其它粗真空度要求時(shí)卻經(jīng)常使用。(2)油封機(jī)械真空泵1定子2旋片3轉(zhuǎn)子4彈簧5進(jìn)氣口6出氣口

泵的抽氣原理是基于氣體的壓縮和膨脹。當(dāng)抽除含有冷凝蒸氣的氣體時(shí)，蒸氣被壓縮，壓力增大，蒸氣就會(huì)凝結(jié)。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(dá)到的真空度(一般可達(dá)到1～10-3Torr的低真空度)，實(shí)驗(yàn)室可用它獲得低真空，也作為獲得高真空的前級(jí)泵。油泵使用注意事項(xiàng)：<1>不能直接用來(lái)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(yīng)用，則應(yīng)在泵的進(jìn)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(yīng)該檢查馬達(dá)的額定電壓和接線方法，運(yùn)轉(zhuǎn)方向和泵油量是否適量。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)溫升一般不可超過(guò)65℃，不應(yīng)有異常聲音。<3>開(kāi)泵或停泵前，應(yīng)使泵先與大氣相通，以避免帶負(fù)載啟動(dòng)或泵油沖入真空系統(tǒng)。(即倒吸)(3)擴(kuò)散泵

擴(kuò)散泵是獲得高真空的抽氣設(shè)備10-3～10-8Torr的高真空)，按泵的工作介質(zhì)可分為汞擴(kuò)散泵和油擴(kuò)散泵。常見(jiàn)的是硅油擴(kuò)散泵，以油泵作為其前級(jí)泵。六、真空測(cè)量用真空壓力表可測(cè)得低真空的壓力，對(duì)于真空度較高的體系，必須要用其它真空計(jì)來(lái)測(cè)量其真空度。

粗真空或低真空：

U型管壓差計(jì)真空表較高或高真空：真空規(guī)：絕對(duì)真空規(guī)麥?zhǔn)险婵找?guī)相對(duì)真空規(guī)熱偶真空規(guī)電離真空規(guī)(1)麥?zhǔn)?Mcleod)真空規(guī)1毛細(xì)管(接真空系統(tǒng))2、3毛細(xì)管4-玻璃泡5毛細(xì)管6活塞(接空氣泵)7汞容器8底座

麥?zhǔn)险婵找?guī)又稱為壓縮真空計(jì)，是在1～10-6Torr的范圍內(nèi)測(cè)量絕對(duì)壓力的儀器。麥?zhǔn)弦?guī)是根據(jù)波義耳定律來(lái)測(cè)量真空度的。它首先是讓被測(cè)真空系統(tǒng)的殘留氣體進(jìn)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?zhǔn)险婵找?guī)有臺(tái)式和轉(zhuǎn)式兩種。

熱偶規(guī)管由加熱絲和電偶絲組成，熱偶絲的熱電勢(shì)由加熱絲的溫度決定。當(dāng)熱偶規(guī)與真空系統(tǒng)相聯(lián)時(shí)，如果維持加熱絲電流恒定，則熱偶絲的熱電勢(shì)將由其周圍的氣體壓強(qiáng)決定，當(dāng)壓強(qiáng)低于某一定值時(shí)，氣體導(dǎo)熱系數(shù)與壓強(qiáng)成正比，從而可找出熱電勢(shì)與壓強(qiáng)的關(guān)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(duì)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(yùn)動(dòng)并與氣體分子相碰，使氣體分子電離成離子。正離子將被負(fù)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(jì)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。復(fù)合真空計(jì)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(cuò)，插錯(cuò)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(yù)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(cè)量”位置，從表上即可讀取真空度。七、真空檢漏

新安裝的真空裝置在使用前應(yīng)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(xué)實(shí)驗(yàn)室中常采用火花檢漏法、熱偶規(guī)法和電離規(guī)法。火花檢漏法：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(duì)著玻璃系統(tǒng)表面不斷移動(dòng)。若沒(méi)有漏氣，高頻火花束是散開(kāi)的，并在玻璃表面上不規(guī)則地跳動(dòng)；若玻璃壁上有漏氣孔，則由于大氣穿過(guò)漏孔，其導(dǎo)電率比玻璃高得多，而使火花束集中并通過(guò)漏孔而進(jìn)入系統(tǒng)，產(chǎn)生一明亮光點(diǎn)，這個(gè)光點(diǎn)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?；鸹z漏法：壓力在10～10-3Torr時(shí)，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(shí)，系統(tǒng)內(nèi)不產(chǎn)生輝光放電，僅在玻璃壁上產(chǎn)生淡蘭色的螢光。高頻火花檢漏僅適用于進(jìn)行玻璃等絕緣材料的檢漏。八、鋼瓶的使用

氣體鋼瓶是由無(wú)縫碳素鋼或合金鋼制成。適