Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

VÁKUUMTECHNIKAI LABORATÓRIUMI GYAKORLATOK Bohátka Sándor és Langer Gábor 12. NYOMÁSMÉRÉS EGY FORGÓLAPÁTOS SZIVATTYÚVAL SZÍVOTT CSŐ KÉT VÉGÉN KÜLÖNBÖZŐ.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "VÁKUUMTECHNIKAI LABORATÓRIUMI GYAKORLATOK Bohátka Sándor és Langer Gábor 12. NYOMÁSMÉRÉS EGY FORGÓLAPÁTOS SZIVATTYÚVAL SZÍVOTT CSŐ KÉT VÉGÉN KÜLÖNBÖZŐ."— Előadás másolata:

1 VÁKUUMTECHNIKAI LABORATÓRIUMI GYAKORLATOK Bohátka Sándor és Langer Gábor 12. NYOMÁSMÉRÉS EGY FORGÓLAPÁTOS SZIVATTYÚVAL SZÍVOTT CSŐ KÉT VÉGÉN KÜLÖNBÖZŐ GÁZBEÖMLÉSEKNÉL; AZ ÁRAMLÁS JELLEGÉNEK MEGHATÁROZÁSA ÉS A CSŐ VEZETŐKÉPESSÉGÉNEK KISZÁMÍTÁSA A MÉRT NYOMÁSOKON TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt „Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"

2 12. NYOMÁSMÉRÉS EGY FORGÓLAPÁTOS SZIVATTYÚVAL SZÍVOTT CSŐ KÉT VÉGÉN KÜLÖNBÖZŐ GÁZBEÖMLÉSEKNÉL; AZ ÁRAMLÁS JELLEGÉNEK MEGHATÁROZÁSA ÉS A CSŐ VEZETŐKÉPESSÉGÉNEK KISZÁMÍTÁSA A MÉRT NYOMÁSOKON A vákuumrendszerek tervezése során gyakran kell az egyes vákuumelemeket összekötő csatlakozók, vezetékek vezetőképességét számolni. Az áramlások elméleti leírásában megismert összefüggések ehhez általában megfelelő segítséget nyújtanak. A gyakorlat célja, hogy az elméleti számolások mellett megmutassa, hogyan lehet kísérletileg a szívósebességet, vezetőképességet nyomás és gázbeömlés mérések segítségével meghatározni. A gyakorlat során a hallgató megtanulja a Pirani vákuummérő hitelesítését és kezelését, valamint jártasságot szerez az elővákuum rendszerek használatában. A kapott eredményeknek elméleti számolásokkal történő összevetése is az elvégzendő feladatok közé tartozik. A mérés leírását megelőzően röviden összefoglaljuk a gyakorlathoz szükséges elméleti ismereteket.

3 12.1. A VÁKUUMMÉRÉS ALAPJAI A gázok nyomását a felületre ütköző gázrészecskék által a felületre merőlegesen kifejtett erők összegének és a felület nagyságának a hányadosával definiáljuk. A nyomás SI egysége Nm -2 = pascal, jele: Pa, (1. táblázat. ) megengedett egység: bar, mbar. 1 mbar = 0,001 bar = 100 Pa. A nyomás a p = nkT állapotegyenlettel meghatározott módon szigorúan arányos a részecskeszám-sűrűséggel. A nyomás mérésére a vákuumtechnikában használt módszerek: - direkt nyomásmérés: a területegységre ható erőt mérik független a gáz fajtájától! (folyadékos, membrános vm.), - indirekt nyomásmérés: a részecskeszám-sűrűséget, illetve azzal arányos más fizikai mennyiséget mérnek, általában függ a gáz fajtájától! (viszkozitás, hővezetés, ionizáció). A nyomás csökkenésével a direkt nyomásmérés lehetőségei egyre korlátozottabbak, nő az indirekt módszerek jelentősége. Példa: egy 6,1 cm átmérőjű korongra 3,3∙10 -5 mbar nyomás 1 mg tömeg súlyával; 3,3∙10 -8 mbar nyomás 1μg tömeg súlyával hat.

4 12.1.1. táblázat. Nyomásegységek átszámítási szorzói. PambaratatmtorrPSI 1 Pa = 1 N/m 2 110 -2 1,0197∙10 -5 9,8692∙10 -6 750,06∙10 -5 1,4504∙10 -4 1 bar = 0,1 MPa 10 5 10 3 1,01970,98692750,0614,5032 1 mbar = 10 2 Pa 10 2 11,0197∙10 -3 0,98692∙10 -3 0,7500614,503∙10 -3 1 at = 1 kp/cm 2 98066,5980,6710,96784735,5614,2247 1 atm = 760 torr 1013251013,251,03323176014,6972 1 torr = 1 Hgmm 133,3221,3330,001361,3158∙10 -3 10,01934 1 PSI (font/hü- velyk 2 ) 6894,868,950,07030,0680451,7151

5 12.2. A HŐVEZETÉSEN ALAPULÓ VÁKUUMMÉRŐK MŰKÖDÉSI ELVE Alacsony nyomáson a hő terjedése a gázban hővezetéssel történik. A hővezetési együttható 10 3 és 0.1 Pa között közel lineárisan függ a nyomástól ( 12.2.1. ábra). A vákuumtérbe helyezett fűtött szál hővesztességét mérve a nyomás a durva és közepes vákuum tartományában meghatározható. Pirani vákuummérő Hőterjedés konvekcióval Hőterjedés hővezetéssel Hőterjedés sugárzással 12.2.1. ábra. Hőterjedés nyomásfüggése. nyomás Hőterjedés tetsz. egység

6 12.2.2. ábra. Egy Pirani vákuummérő fej és meghajtó/kijelző elektronikája [P2]. A Pirani vákuummérőben a szál átmérője és hossza: r 1 = 5 - 15 μ, ℓ ≈ 50 - 100 mm, anyaga: W vagy Ni (korrozív közegben Pt), hőmérséklete: 100 – 150  C.

7 12.2.1. A Pirani vákuummérő használatával kapcsolatos megjegyzések Szennyezésre érzékeny (pl. kondenzált olajgőzök), mert a lerakódások a vékony szál hőátadását megváltoztatják. Tisztítása a szál sérülékenysége miatt kockázatos. Pirani vákuummérő kialakítása A Pirani kimeneti jele az erősítés után néhány V nagyságú, ezért zajosabb környezetben, illetve hosszú összekötő vezetékkel (akár néhány 100 m) is használható. A korszerű mérőfejekbe a szükséges elektronikát is beépítik. Ezek csak törpefeszültségű táplálást igényelnek, és logaritmikus egyenfeszültségű jelet adnak ki – jeladó (transducer) kivitel. Pirani vákuummérő alkalmazása folyamatszabályozásban Az időbeni változások is regisztrálhatók velük. A Pirani vákuummérők válaszideje akár néhány ms nagyságú is lehet, ezért beavatkozó eszközök (szelepek, kapcsolók) jeladójaként is használhatók. Régebben csak üvegburával, ma leginkább fémházas kivitelben gyártják. A Pirani vákuummérők méréshatára: 10 -3 (10 -4 ) – 1000 mbar. A pontosság: tiszta mérőfejeknél ±5-10%, 10 -2 mbar-nál jobb és 50 mbar-nál rosszabb nyomáson jelentősen romlik.

8 12.3. GÁZOK ÁRAMLÁSA Vákuumrendszerekben a gázáramlás csökkentett nyomáson megy végbe. Az áramlást erők határozzák meg, - ezek hatása a gáz sűrűsége, nyomása függvényében változó. A nyomáskülönbségből és a súrlódásból származó erők - durva és közepes vákuumban (1000 – 10 -3 mbar): döntőek, - nagy- és ultranagy-vákuumban (<10 -3 mbar): elhanyagolhatóak, itt az áramlást a gázrészecskék egyedi mozgásának statisztikus átlaga alakítja ki. 12.4. ÁRAMLÁSI TARTOMÁNYOK Az áramlási tartományokat a gáz természete (a Knudsen-számmal írhatjuk le) és a vezetéken átáramló gáz relatív mennyisége határozza meg. A gáz természete szerinti áramlási tartományok: 1. Viszkózus (kontinuum) tartomány (nagy nyomás, azaz (a közepes szabad úthossz) kicsi, a gázmolekulák egymás közötti ütközése domináns). 2. Molekuláris tartomány (alacsony nyomás, azaz > a gázvezeték keresztmetszeti méreténél, és a gázmolekulák egymással nem ütköznek). 3. Átmeneti (Knudsen-) áramlás tartománya: a két előző típus között (a gázmolekulák nem csak a fallal, de egymással is ütköznek).

9 A gáz természetét meghatározó Knudsen-szám:, ahol (12.4.1.) a közepes szabad úthossz, a közepes szabad úthossz fordítottan arányos a nyomással és szorzatuk csak a hőmérséklettől és anyagi minőségtől függő állandó! d a vezeték hidraulikus átmérője (az áramlási vezeték jellemző mérete). A d-t a d = 4A/B egyenlőség definiálja, ahol A a vezeték keresztmetszetének területe, B a kerülete. Körnél d az átmérő! ÁramlásKn ( / d)Nyomástart. (átlagos méretnél) MolekulárisKn > 1nagyvákuum (<10 -3 mbar) Átmeneti1 > Kn > 0,01közepes vákuum(10 -3 – 1 mbar) ViszkózusKn < 0,01Durvavákuum (1 – 1000 mbar) Levegőben: t = 20  C hőmérsékleten, ~ 6,6 cm  10 -3 mbar Tehát 10 -3 mbar nyomáson a levegőben kb. 6,6 cm a közepes szabad úthossz; 12.4.1. tábl. Az áramlás típusa, a Kn, p és d közötti összefüggés

10 12.4.1. Viszkózus (kontinuum) áramlás Nagyobb nyomáson ( << d) a nyomáskülönbségből és a súrlódásból származó erők szabják meg a gáz áramlását. -A molekulák egymás közötti ütközésszáma >> fal és molekulák ütközései, -a gáz belső súrlódása számottevő, -a gáz összenyomható, -néhány közepes szabad úthossznyi távolságon a gáz jellemző tulajdonságai változatlanok, a gáz folytonos közegnek tekinthető, -a gáz mozgását a hidrodinamika segítségével elemezhetjük és írhatjuk le. -Lamináris áramlás: a gáz sebessége és a felület egyenetlenségei elég kicsik, és a gáz az akadályok körül simán, áramvonalakkal halad el - az áramlást a vezetékben levő nyomáskülönbség hajtja, -a viszkozitás erősen befolyásolja, -kis sebességeknél a gáz a vezeték falával párhuzamos sugárvonalakban halad, - az áramlási vezeték közepén a gáz áramlási sebessége maximális, a vezeték falán pedig 0, -áramlási front alakul ki -Turbulens áramlás: a sebesség növekedésével egy kritikus sebességnél az áramvonalak megtörnek, örvények keletkeznek (kaotikus, mint a jármű utáni légmozgás).

11 12.4.1. ábra. Lamináris áramlás 12.4.2. ábra Turbulens áramlás 12.4.3. ábra Molekuláris áramlás

12 A lamináris és turbulens tartományban más-más módon tudjuk közelíteni a gázszállítás és egyéb jellemzők számítását. A lamináris és turbulens jelleg között a gáz relatív mennyiségére jellemző Reynolds számmal (Re) tudunk különbséget tenni. (12.4.2.) (12.4.3.) Re kifejezésében ρ: a gáz sűrűsége; v: áramlási sebesség;  : a gáz viszkozitása; d: a vezeték hidraulikus átmérője, Q a d átmérőjű csőben egységnyi idő alatt átáramló gázmennyiség (gázmennyiség-áram: (Q = pV/t). A Reynolds-szám a turbulencia, illetve a viszkozitás következtében fellépő nyírási feszültség aránya. Levegőre 22 °C-on Re kifejezése egyszerűsödik: Re = 8,4 Q/d, ahol [Q/d] = mbar∙ℓ∙s -1 cm -1 (12.4.4.) A viszkózus áramlás lamináris átmeneti turbulens haRe < 12001200  Re  2200 2200 < Re E feltételekből következik a gázmennyiség-áram és az átmérő viszonyára : Turbulens a levegő áramlása, ha a mennyiségek számértékére nézve Q > 260 d (ez érvényes, ha [Q] = mbar∙ℓ/s, [d] = cm) Lamináris a levegő áramlása, ha a mennyiségek számértékére nézve Q < 140 d (ez érvényes, ha [Q] = mbar∙ℓ/s, [d] = cm)

13 12.5. GÁZVEZETÉKEK ÁRAMLÁSI VEZETŐKÉPESSÉGE ÉS ELLENÁLLÁSA A szivattyú és a leszívandó tér (recipiens) közé legtöbbször gázvezetőket (nyílások, csövek) kell beiktatni. A vezetékeken szivattyúzáskor áthaladó gázáram nyomáskülönbség hatására jön létre, vagy (molekuláris áramlásnál) azzal arányosan alakul ki. A vezetéknek ellenállása van a gázáramlással szemben. Ha a vezetéken Q gázmennyiség-áram folyik, miközben a két vége között ∆p nyomáskülönbség van, akkor – elektromos analógia alapján – Q = ∆p∙C, ahonnan a gázvezeték vezetőképessége (C ): Z-t a gázvezeték áramlási ellenállásának nevezzük. ÁRAMLÁSI ELLENÁLLÁSOK, VEZETŐKÉPESSÉGEK ÖSSZEKAPCSOLÁSA Ezt is elektromos analógia alapján értelmezzük. Soros kapcsolás: Z = Z 1 + Z 2 +…+ Z n ; 1/C = 1/C 1 + 1/C 2 +…+1/C n Párhuzamos kapcs.: 1/Z = 1/Z 1 + 1/Z 2 +…+1/Z n ; C = C 1 + C 2 +…+C n ----------------------- ------------------------- (12.5.1.) (12.5.2.) (12.5.3.) (12.5.4.)

14 12.6. VÁKUUMSZIVATTYÚ SZÍVÓSEBESSÉGE jele S: a szivattyúban egy adott p nyomású síkon időegység alatt átáramlott gáztérfogattal definiáljuk : def.: (12.6.1.) Vákuumszivattyú gázmennyiség-árama (gázszállítása vagy szivattyúzó képessége – throughput): def.: A legtöbb szivattyúnak egy széles nyomástartományban állandó a szívósebessége, ebből következően a gázszállítása a nyomással arányos (ábra). (12.6.2.) (12.6.3.) Q = pS; S = Q/p 12.6.1. ábra. Egy forgólapátos szivattyú szívósebesség- karakterisztikája (DUO 5 MC, Pfeiffer [P2]). A Q gázmennyiség-áram egyenesét mi illesztettük be. mbarℓ/s

15 12.7. GÁZBEÖMLÉS, SZÍVÓSEBESSÉG MÉRÉSE A szivattyú S sz szívósebessége az elszívott gázmennyiség- árammal egyensúlyt tart az üzemi p nyomáson: Ha mesterségesen egy többlet Q 1 gázmennyiség- áramot engedünk be, akkor az  p értékkel növeli a vákuumrendszerben az üzemi nyomást: A két egyenletet egymásból kivonva: 12.7.1. ábra. Egy elrendezés szivattyú szívósebességének méréséhez. A  p különbséget mérő vákuummérő 0-pontját nem fontos ismerni, de a leolvasás skálájának pontossága meghatározza a szívósebesség pontosságát is. Az áramlásmérő az elszívott gázmennyiség-áramtól függően különböző típusú lehet, a mérőkamra kialakítására már szabványok is rendelkezésre állnak., ahol p atm, V atm és a V atm térfogat beengedéséhez szükséges t idő a 12.7.1. ábra elrendezésével mérhető. (12.7.1.)

16 12.8. ÁRAMLÁS CSÖVEKBEN Knudsen egy félempirikus formulát vezetett be 1909-ben a kör keresztmetszetű, egyenes, hosszú csövekben kialakuló gázmennyiség- áramra (a cső hosszú, ha L >> 4/3D; nyílás, ha L << 4/3D; rövid, ha L ≈ 4/3D) : (12.8.1.) ahol D: a cső átmérője; L: a cső hossza; η: viszkozitás; = (p 1 + p 2 )/2 ; p 1, p 2 : a cső végén mért nyomások Tiszta molekuláris áramlásnál, azaz feltételek teljesülésekor az első tag zérushoz tart, a második pedig leegyszerűsödik. Tiszta viszkózus áramlásnál, azaz nagy D értéknél a második tag második szorzótényezője 1, az egész második tag pedig elhanyagolható az első tag mellett.

17 12.8.1. Lamináris áramlás csövekben - Kör keresztmetszetű hosszú csőben a tiszta lamináris áramlás feltétele a 2. táblázatban már említett Kn < 0,01, azaz < D/100) egyenlőtlenség és a belőle levezethető: 0,66 mbar∙cm < D. A (12.8.1.) Knudsen-formulában csak az első tag marad meg. (12.8.2) [C] = ℓ s -1, ha [D, L] = cm [ ] = mbar Vezetőképesség levegőre, 20 °C-on: Vezetőképesség: (12.8.3.) (12.8.4.) [C] = ℓ s -1, ha [D, L] = cm, [ ] = mbar Gázmennyiség-áram: Hagen-Poiseuille- egyenlet [Q] = mbar ℓ s -1, ha [D, L] = cm, [p 1, p 2, ] = mbar

18 - Rövid cső lamináris vezetőképessége : Ha a cső nem eléggé hosszú, akkor a cső nyílása és a cső ellenállásainak soros kapcsolásával kell számolnunk, azaz a vezetőképességekre igaz: 1/C rövidcső = 1/C cső + 1/C nyílás (12.8.5.) - Lamináris vezetőképesség más gázok esetén: A viszkozitással fordított arányban változik a vezetőképesség. Ezért ha levegő helyett más gázt használunk, akkor a levegőre érvényes vezetőképességeket az alábbi k korrekciós számokkal kell szorozni: C gáz = k∙C lev H2H2 HeH2OH2ONeN2N2 O2O2 CO 2 k2,10,931,90,581.040,911,26 12.8.2. Átmenet a molekuláris és a lamináris áramlási tartomány között csövekben (Knudsen-áramlás) Átmeneti az áramlás, ha 1 > Kn > 0,01 A kör keresztmetszetű cső vezetőképessége 20 °C levegőre, (12.8.8.)-ből : ahol (12.8.6.) Ha 0,66 mbar∙cm: lamináris áramlás. (mbar∙cm) 0,02660,05320,07980,10640,1330,2660,5320,798 J1,11,41,72,02,33,86,99,9

19 12.8.3. Molekuláris áramlás csövekben Emlékeztetőül: a hosszú, egyenes, kör keresztmetszetű csövekben: (4.7.1.) D: a cső átmérője; L: a cső hossza; η: viszkozitás; = (p 1 + p 2 )/2 ; p 1, p 2 : a cső végén mért nyomások Tiszta molekuláris áramlásnál, azaz az első tag zérushoz tart, a második pedig leegyszerűsödik. Hosszú cső vezetőképessége: [C] = ℓ s -1, ha [D, L] = cm (12.8.7.) Hosszú cső vezetőképessége molekuláris áramlásban levegőre, 20 °C-on: [C] = ℓ s -1, ha [D, L] = cm (12.8.8.)

20 Rövid cső vezetőképessége molekuláris áramlásban, levegőre - Az azonos átmérőjű (D) nyílás és cső vezetőképessége egyenlő, ha a cső L hossza: (12.8.9..) Rövid cső vezetőképessége a hosszú cső és nyílás vezetőképességének sorba kapcsolásával képezhető jó közelítéssel: - Levezethető - A rövid csövön a gáz átjutási valószínűsége: α, ahol α 1 a hosszú cső transzmissziós valószínűsége. (12.8.10.) [C] = ℓ s -1, ha [D, L] = cm (12.8.11.) A (12.8.11.)-ből kiszámítható α értéke csak közelítőleg pontos, mert a modellünk is közelítés volt. 10%-on belül igaz, hogy ha L ≤ 0,1D, akkor α = 3/4L/D, ill. ha L>20D, akkor α=1. Clausing kinetikus elméletre alapozott és a véghatásokat is figyelembe vevő számítása 1%-on belül pontos. Ma már leginkább Monte-Carlo módszerrel számítják ≤1% pontossággal.

21 12.9. MÉRÉSI ÖSSZEÁLLÍTÁS Pirani vákuummérő fellevegőző szelep elővákuum szivattyú csatlakozás I. Pirani mérőcső mérendő cső mérőeszköz gázbeömlés meghatározásához Gázbeeresztő szelep II. Pirani mérőcső 12.9.1. ábra. Mérési összeállítás

22 A Pirani vákuummérőt az A-M2 2. gyakorlatban leírtaknak megfelelően hitelesítsük! 1. Az alábbi ábra szerint szereljük be a vizsgálni kívánt csövet a mérési elrendezésbe! leszorító csavar „O” gyűrű alátétek leszorító csavar ellendarab mérendő cső 12.9.2. ábra. Mérendő cső vákuumtömítése.

23 12.9.3.. ábra. Vákuumtömített cső. 2. Rögzítsük a leszorító csavarral a mérendő cső tömítését a 12.9.3.ábrán látható módon! 3. A vákuumtömített csövet csavarjuk be a mérőrendszer I. Pirani vákuummérőt tartalmazó egységbe! 12.9.4. ábra. Az I. Pirani vákuummérőt tartalmazó egység.

24 4. A II. Pirani vákuummérőt tartalmazó gázbeeresztő egységbe először csavarjuk be a vákuumtömítést leszorító csavar ellendarabját! 5. Helyezzük rá a mérendő csőre elsőként a tömítést leszorító csavart, majd az alátétet, O gyűrűt és végül a másik alátétet (sorrend látható a 12.9.2. ábrán)! 6. Helyezzük be a csövet a vákuumtömítést leszorító csavar ellendarabjába és csavarjuk be a vákuumtömítést leszorító csavart! 12.9.5. ábra. II. Pirani vákuummérőt tartalmazó gázbeeresztő egység beszerelt csővel.

25 12.10. A MÉRÉS MENETE 1.Kapcsoljuk be a Pirani vákuummérőt! 2. Hitelesítsük a vákuummérőt az A-M2 2. gyakorlatban leírtak alapján! 3. Ellenőrizzük a fellevegőző szelep zárt állapotát! 4. Csatlakoztassuk az elővákuum-szivattyút a hálózathoz! 5. Ellenőrizzük a gázbeömlés mérésére szolgáló eszköz U alakú csövét összekötő üvegcsap nyitott állapotát! 6. A gázbeeresztő szelep óvatos nyitásával állítsunk be 1 mbar nyomást a II. Pirani vákuummérőn! Ezzel egyidőben olvassuk le az I. Pirani vákuummérő által mutatott értéket! 7. Zárjuk el a gázbeömlés mérésére szolgáló eszköz U alakú csövét összekötő üvegcsapot, és ezzel egyszerre kezdjük el a beömlés időtartamának mérését! 8. Mérjünk 3 elszívott térfogatnál is. Mérjük a 10-15-20 cm 3 térfogatú levegő elszívásához szükséges időt! A térfogatot az U alakú cső mögött elhelyezkedő hiteles skálán olvashatjuk le. A mérni kívánt térfogat elérésekor az U alakú cső két szárát összekötő csapot azonnal nyissuk ki! Várjuk meg, amíg a folyadékszint kiegyenlítődik az U alakú csőben! Az új mérést az üvegcsap elzárásával kezdhetjük meg.

26 12.11. MÉRÉSI FELADATOK


Letölteni ppt "VÁKUUMTECHNIKAI LABORATÓRIUMI GYAKORLATOK Bohátka Sándor és Langer Gábor 12. NYOMÁSMÉRÉS EGY FORGÓLAPÁTOS SZIVATTYÚVAL SZÍVOTT CSŐ KÉT VÉGÉN KÜLÖNBÖZŐ."

Hasonló előadás


Google Hirdetések