教學用金屬溫差電偶真空計校準實驗裝置

安奎生，付申成，谷德山

(東北師范大學 物理學院 物理實驗中心，吉林 長春 130024)

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教學用金屬溫差電偶真空計校準實驗裝置

安奎生，付申成，谷德山

(東北師范大學 物理學院 物理實驗中心，吉林 長春 130024)

摘要：自制了金屬真空系統，闡述了溫差電偶真空計校準實驗裝置的工作原理，給出了靜態膨脹法校準溫差電偶真空計的測試方法. 在低真空度時金屬真空系統表面放氣不顯著，適用于真空實驗教學.

關鍵詞：真空系統；溫差電偶真空計；校準；靜態膨脹法

真空技術實驗[1-2]課使用組裝玻璃真空系統. 實驗過程中，玻璃系統經常會出現炸裂和漏氣，只有玻璃工才能維修，影響正常的教學進度. 為此，設計制作了金屬真空系統，并開出了“溫差電偶真空計校準”、“真空蒸發鍍膜”等實驗. 真空計校準是真空測量的基礎，其校準對象是組成真空計的真空規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校準實驗裝置，闡述了靜態膨脹法校準溫差電偶真空計的測試過程與結果.

1實驗裝置

溫差電偶真空計校準實驗裝置見圖1，由真空系統、電控系統、循環水系統3部分組成. 設計尺寸為1 200 mm×800 mm×1 100 mm，整機總功率為2.5 kW，極限真空度為5×10-4Pa.

1.1　真空系統

真空系統由真空獲得設備、真空測量器件、真空金屬容器和真空組合配件構成.

1)真空獲得設備：2XZ-4型旋片式機械真空泵[3]1臺， K-100型金屬油擴散泵1臺， DN200型冷阱1個.

2)真空測量器件：FZH-2B型復合真空計1臺，真空規管接頭3個，ZJ-51溫差電偶規管2只，JZ-27熱陰極電離規管1只，通過真空計波段旋鈕控制，可分別測量儲氣室、校準室的真空度；帶二通玻璃真空閥的U型管真空計1個.

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

4)真空組合配件：高真空蝶閥[5]1個，高真空擋板閥2個，微調閥1個，放氣閥1個，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，波紋管2根，過渡法蘭4個，不銹鋼連接管道(三通、彎頭等 )若干件，實驗臺架1個.

1.2　電源控制系統

裝置面板上安有機械泵、擴散泵控制開關. 外部配置電源電壓分別為380 V，220 V.

圖1　溫差電偶真空計校準實驗裝置

1.3　循環水系統

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

2裝置工作原理

溫差電偶真空計利用氣體分子的導熱性質，通過溫差電偶產生熱電動勢來測量真空. 由于氣體的熱傳導受很多因素的影響，因而溫差電偶電動勢和壓強的關系不能由計算確定，必須進行校準方可使用. 靜態膨脹法[6-7]校準溫差電偶真空計結構如圖2所示.

A.旋片真空泵；B.油擴散泵；K1，K2，K3，K4.手動高真空雙通閥；K5,K6.固定體積單通閥；K7.微調閥；K8.二通玻璃真空閥；G1,G2.溫差電偶規管；G3.電離規管；G4.U型管真空計圖2　溫差電偶真空計校準實驗裝置簡圖

即

(1)

即

其中，μ為摩爾質量，R為氣體普適常量，T為氣體絕對溫度，均為常量. 所以

由于V0?V1，故V1+V0≈V1，則有

(2)

若以充油的U型真空計指示出油柱高度差為h時，則V中壓強p為

(3)

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

(4)

3實驗測試

1)對儲氣室(V)抽氣

關K1，開機械泵電源，開K2，開溫差電偶真空計電源，將波段開關撥到V1測量擋，用G1測V中真空度達到5 Pa以上，關K2.

2)對校準室 (V1)抽氣

開K3和K4，將溫差電偶真空計波段旋鈕撥到V2測量擋，用G2測量V1中真空度. 當真空度高于5 Pa時，打開擴散泵水源和電源；當真空度達到0.1 Pa時，開電離真空計G3燈絲開關.

3)做校準準備

當真空度達10-3Pa時，關玻璃閥門K8，調節K7向V中充入氣體，在G4中做100 mm左右的油柱高度差(約103Pa)；關電離真空計燈絲開關，關K4，關擴散泵電源.

4)校準

表1　膨脹次數n、溫差電偶真空計電壓U及壓強p1數據

5) 關機

膨脹結束，關K3，關機械泵電源，開K1，關擴散泵水源，關溫差電偶真空計電源，打開K8.

6)數據處理

根據表1實驗數據畫出p1-U關系圖，如圖3所示.

圖3　p1-U關系圖線

4結束語

自制靜態膨脹法校準溫差電偶計裝置實驗現象直觀、狀態穩定、操作方便、造價低廉，沒有水銀污染，在低真空(p>10-2Pa)時，系統內表面放氣不顯著，故它具有足夠的精確度，因此適合于真空實驗課教學.

參考文獻：

[1]何元金，馬興坤. 近代物理實驗[M]. 北京：清華大學出版社，2003:71-80

[2]林木欣. 近代物理實驗[M]. 北京：科學出版社，1999：155-160.

[3]王欲知，陳旭. 真空技術[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2007:233-249.

[4]達道安. 真空設計手冊[M]. 北京：國防工業出版社，1991：682-692.

[5]陸培文. 實用閥門設計手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2002：398-521.

[6]許紅，王金鎖，孟憲華. 標準靜膨脹法真空裝置研制[J]. 上海計量測試，2003,30(4)：9-11.

[7]于紅燕，王池，趙士燕，等. 靜態膨脹法真空系統[J]. 真空科學與技術學報，2008,28(1)：90-93.

[8]徐成海. 真空工程技術[M]. 北京：化學工業出版社，2006:1-4.

[責任編輯：任德香]

物理實驗教學與管理工作.

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：TB77

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)01-0006-03

作者簡介：安奎生(1965-)，男，吉林榆樹人，東北師范大學物理學院物理實驗中心主任助理，碩士，從事

收稿日期：2015-10-30;修改日期：2015-12-10