培训系列之6:真空测量技术基础-课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《培训系列之6:真空测量技术基础-课件.ppt》由用户(晟晟文业)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 培训 系列 真空 测量 技术 基础 课件
- 资源描述:
-
1、经作者授权,版权所有归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意,任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义,或用于商业用途。东北大学第八期真空技术培训班真空测量技术基础主讲人:东北大学 刘玉岱 教授Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,China真空技术真空技术o一.真空技术概况(巴德纯)o二.真空工程理论基础(张世伟)o三.干式真空泵原理与技术基础(巴德纯)o四.真空系统组成与设计基础(刘坤)o五.真空获得设备原理与技术基础(张以忱)o六.真空测量技术
2、基础(刘玉岱)o七.真空镀膜技术基础(张以忱)o八.质谱原理与真空检漏(刘玉岱)o九.真空冶金技术基础(王晓冬)o十.真空与低温技术及设备(徐成海)东北大学第八期东北大学第八期培训系列之培训系列之Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,China 真空测量真空测量o1 真空测量概述真空测量概述o2 全压力测量全压力测量o3 分压力测量分压力测量o4 真空计校准真空计校准21/(2)n Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northe
3、astern University,China 1 真空测量概述真空测量概述o1.2 真空度的表征及单位真空度的表征及单位o1.3 真空计分类真空计分类o1.4 真空计测量范围真空计测量范围o1.5 真空测量特点真空测量特点o1.6 选择真空计原则选择真空计原则 21/(2)n Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao 真空测量就是真空度的测量,而真空真空测量就是真空度的测量,而真空度是指低于大气压力的气体稀薄程度。以度是指低于大气压力的气体稀薄程度。以压力表示真空度是由于历史沿
4、用下来的,压力表示真空度是由于历史沿用下来的,并不十分合理。压力高意味着真空度低;并不十分合理。压力高意味着真空度低;反之,压力低与真空度高相对应。反之,压力低与真空度高相对应。o 真空测量包括全压力测量、分压力测真空测量包括全压力测量、分压力测量和真空计校准三部分。量和真空计校准三部分。o 用于探测低压空间稀薄气体压力的仪用于探测低压空间稀薄气体压力的仪器称为真空计。本文所述压力的测量是指器称为真空计。本文所述压力的测量是指比大气压力小得多的气体压力测量。比大气压力小得多的气体压力测量。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of North
5、eastern University,Chinao 压力是一个力学量,为单位面积所承压力是一个力学量,为单位面积所承受的力。大气压力为受的力。大气压力为101325Pa,直接测直接测量这样大的压力是容易的,但在真空技术量这样大的压力是容易的,但在真空技术中,测量这样大的压力是比较少的。真空中,测量这样大的压力是比较少的。真空技术中遇到的气体压力都比较低,如有时技术中遇到的气体压力都比较低,如有时要测要测10-10Pa的压力,这样极小的压力用直的压力,这样极小的压力用直接测量单位面积所承受的力是不可能的。接测量单位面积所承受的力是不可能的。因此,测量真空度的办法通常是在气体中因此,测量真空度的办
6、法通常是在气体中造成一定的物理现象,然后测量这个过程造成一定的物理现象,然后测量这个过程中与气体压力有关的某些物理量,再设法中与气体压力有关的某些物理量,再设法间接确定出真实压力来。间接确定出真实压力来。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao 真空计种类繁多,工作原理各异,除极少数真空计种类繁多,工作原理各异,除极少数几种是直接测量压力外,其它几乎都是间接测量几种是直接测量压力外,其它几乎都是间接测量压力的。压力的。o 被测量气体多为混合气体,上述压力测量是被测量气体多为混合气
7、体,上述压力测量是指混合气体全压力测量。在近代真空测量技术中,指混合气体全压力测量。在近代真空测量技术中,分压力测量越来越重要。这里所说的分压力测量分压力测量越来越重要。这里所说的分压力测量是指全面地测出混合气体各组成成分的分压力。是指全面地测出混合气体各组成成分的分压力。这样,混合气体的全压力等于其各组成成分的分这样,混合气体的全压力等于其各组成成分的分压力之和。压力之和。o 现代分压力真空计都属于电离类,即先将气现代分压力真空计都属于电离类,即先将气体电离,然后将所得的各成分离子加速,再把离体电离,然后将所得的各成分离子加速,再把离子引进分析器,将离子分开,分别测出各成分离子引进分析器,将
8、离子分开,分别测出各成分离子流强度,便可知气体的成分和数量。分析器有子流强度,便可知气体的成分和数量。分析器有磁的、电的、电磁结合和其它方式等。有时只需磁的、电的、电磁结合和其它方式等。有时只需知晓被测系统残余气体成分和相对含量,并不要知晓被测系统残余气体成分和相对含量,并不要求测出分压力值,这种仪器称为残余气体分析仪。求测出分压力值,这种仪器称为残余气体分析仪。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao 正确的压力测量必须对真空计进行校正确的压力测量必须对真空计进行校准。因为多数
9、真空计是通过与压力有关的准。因为多数真空计是通过与压力有关的物理量间接反应压力,而不是直接通过真物理量间接反应压力,而不是直接通过真空计有关参数计算求得压力值。这种真空空计有关参数计算求得压力值。这种真空计必须用标准真空计或能产生已知低压的计必须用标准真空计或能产生已知低压的校准装置进行校准。可以说真空计校准是校准装置进行校准。可以说真空计校准是真空测量的基础,是发展真空测量的有力真空测量的基础,是发展真空测量的有力工具。工具。o 真空计量器具分三类:计量基准器具、真空计量器具分三类:计量基准器具、计量标准器具和工作计量器具。前两类用计量标准器具和工作计量器具。前两类用于复现和传递真空度量值,
10、统一全国真空于复现和传递真空度量值,统一全国真空量值;后一类是在现场应用。三种计量器量值;后一类是在现场应用。三种计量器具的不确定度依次降低。具的不确定度依次降低。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,China1.2 真空度的表征及单位真空度的表征及单位o 用压力表示真空度是由历史上采用用压力表示真空度是由历史上采用U型压力型压力计测量真空所形成的,这并不十分合理。计测量真空所形成的,这并不十分合理。o 在一般真空系统中,通常以各向同性的中性在一般真空系统中,通常以各向同性的中性气体的压
11、力这一流体静力学的物理量表示真空度,气体的压力这一流体静力学的物理量表示真空度,因此,真空度的测量仅仅归结于压力的测量。但因此,真空度的测量仅仅归结于压力的测量。但特别应注意测量条件。测量的对象是在有限的容特别应注意测量条件。测量的对象是在有限的容器内、静止器内、静止(随机运动随机运动)、稳态、各向同性单一的、稳态、各向同性单一的中性气氛。在这种情况下,麦克斯威速度分布、中性气氛。在这种情况下,麦克斯威速度分布、余弦散射定律和流体静力学压力概念余弦散射定律和流体静力学压力概念 ()都较好地符合客观实际,真空度的测量也比较简都较好地符合客观实际,真空度的测量也比较简单容易。单容易。1,4pnkT
12、 vnc pgh1,4pn k Tvn cpg hVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao 根据真空度定义,真空度最好用分子密度根据真空度定义,真空度最好用分子密度n表表示,而以压力表示真空度与此并不矛盾。测量压示,而以压力表示真空度与此并不矛盾。测量压力时,一般气体处于平衡态并满足麦克斯威速度力时,一般气体处于平衡态并满足麦克斯威速度分布定律,即分布定律,即 成立。成立。测量时气体温度测量时气体温度T一定,所以气体压力一定,所以气体压力p正正比于分子密度比于分子密度n。也就是说
13、,此时压力是分子密。也就是说,此时压力是分子密度的量度,所以可以用压力表示真空度。度的量度,所以可以用压力表示真空度。o 在空间研究中,研究对象是无限空间的运动在空间研究中,研究对象是无限空间的运动(110km s-1或更高或更高)、非稳态、综合环境作用下、非稳态、综合环境作用下的复杂气氛,此时麦克斯威速度分布定律和余弦的复杂气氛,此时麦克斯威速度分布定律和余弦散射定律就不一定成立,所以压力也失去了原来散射定律就不一定成立,所以压力也失去了原来的物理意义,真空度的测量比较复杂和困难了。的物理意义,真空度的测量比较复杂和困难了。pnkTVacuum and Fluid Engineering R
14、esearch Center of Northeastern University,Chinao 在一般情况下,以压力表示真空度是流行、在一般情况下,以压力表示真空度是流行、沿用的,但也不是唯一的,还可以用如下参数表沿用的,但也不是唯一的,还可以用如下参数表示真空度:示真空度:粒子密度粒子密度n、分子平均自由程、分子平均自由程 、碰、碰撞次数撞次数z、覆盖时间覆盖时间 。o 当真空度很高时,即分子密度很小时,统计当真空度很高时,即分子密度很小时,统计涨落十分明显,如压力涨落十分明显,如压力p=10-12Pa时,统计涨落已时,统计涨落已大于大于510-2,压力已失去真实意义。由此看来,压力已失去
15、真实意义。由此看来,在某些情况下,压力只是其它量的相对指示而已。在某些情况下,压力只是其它量的相对指示而已。/()npkT/()npkTVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao 根据气体分子对表面碰撞而定义的气体压力,根据气体分子对表面碰撞而定义的气体压力,是碰撞单位表面积气体分子动量垂直分量的时间是碰撞单位表面积气体分子动量垂直分量的时间变化率,即单位面积上所受的力,单位为变化率,即单位面积上所受的力,单位为“帕斯帕斯卡卡”(Pascal),简称,简称“帕帕”(Pa)。lPa1
16、Nm-2o 在工程上有时嫌帕的量值太小,常采用在工程上有时嫌帕的量值太小,常采用kPa和和MPa表示压力。表示压力。o 低真空时,有时用低真空时,有时用“真空度百分数真空度百分数”表示,表示,比如水环式真空泵、往复式真空泵和直排大气罗比如水环式真空泵、往复式真空泵和直排大气罗茨真空泵常用此单位表示真空度。当压力茨真空泵常用此单位表示真空度。当压力p102Pa时,真空度百分数为时,真空度百分数为(p0-p)/p0100 式中式中p0 标准大气压力,标准大气压力,Pa。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Univ
17、ersity,China13真空计分类真空计分类按真空刻度方法分类:按真空刻度方法分类:(1)绝对真空计:直接读取气体压力,其压力响)绝对真空计:直接读取气体压力,其压力响 应(刻度)可通过自身几何尺寸计算出来或由测应(刻度)可通过自身几何尺寸计算出来或由测力确定。与气体种类无关。力确定。与气体种类无关。(2)相对真空计:由一些与气体压力有函数关系)相对真空计:由一些与气体压力有函数关系的量来确定压力,不能通过简单的计算进行刻度,的量来确定压力,不能通过简单的计算进行刻度,必须进行校准才能刻度。一般由作为传感器的真必须进行校准才能刻度。一般由作为传感器的真空计规管(或规头)和用于控制、指示的测
18、量器空计规管(或规头)和用于控制、指示的测量器组成。读数与气体种类有关。组成。读数与气体种类有关。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao按真空计测量原理分类按真空计测量原理分类(1)直接测量真空计直接测量真空计 这种真空计直接测量单位面积上的力,有这种真空计直接测量单位面积上的力,有 A.静态液位真空计:利用静态液位真空计:利用U型管两端液面型管两端液面差来测量压力。差来测量压力。B.弹性元件真空计:利用与真空相连的容弹性元件真空计:利用与真空相连的容器表面受到压力的作用而产生
19、弹性变形来器表面受到压力的作用而产生弹性变形来测量压力值的大小。测量压力值的大小。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,China(2)间接测量真空计间接测量真空计 压力为压力为10-1Pa时,作用在时,作用在1cm2表面上力只有表面上力只有10-5N,显然测量这样小的力是困,显然测量这样小的力是困难的。但可根据低压下与气体压力有关的物理量难的。但可根据低压下与气体压力有关的物理量的变化来间接测量压力的变化。属于这类的真空的变化来间接测量压力的变化。属于这类的真空计有:计有:A.压缩式真空
20、计:其原理是在压缩式真空计:其原理是在U型管的基础上再型管的基础上再应用波义耳定律,即将一定量待测压力的气体,应用波义耳定律,即将一定量待测压力的气体,经过等温压缩使之压力增加,以便用经过等温压缩使之压力增加,以便用U型管真空型管真空计测量,然后用体积和压力的关系计算被测压力。计测量,然后用体积和压力的关系计算被测压力。B.热传导真空计:利用低压下气体热传导与压力热传导真空计:利用低压下气体热传导与压力有关这一原理制成。常用的有电阻真空计和热偶有关这一原理制成。常用的有电阻真空计和热偶真空计。真空计。C.热辐射真空计:利用低压下气体热辐射与压力热辐射真空计:利用低压下气体热辐射与压力有关原理。
21、有关原理。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,ChinaD.电离真空计:利用低压下气体分子被荷能粒子碰电离真空计:利用低压下气体分子被荷能粒子碰撞电离,产生的离子流随压力变化的原理。如:撞电离,产生的离子流随压力变化的原理。如:热阴极电离真空计、冷阴极电离真空计和放射性热阴极电离真空计、冷阴极电离真空计和放射性电离真空计等。电离真空计等。E.放电管指示器:利用气体放电情况和放电颜色与放电管指示器:利用气体放电情况和放电颜色与压力有关的性质判定真空度,一般仅能作为定性压力有关的性质判定真空
22、度,一般仅能作为定性测量。测量。F.粘滞真空计:利用低压下气体与容器壁的动量交粘滞真空计:利用低压下气体与容器壁的动量交换即外摩擦原理。如振膜式真空计和磁悬浮转子换即外摩擦原理。如振膜式真空计和磁悬浮转子真空计。真空计。G.场致显微仪:以吸附和解吸时间与压力关系计算场致显微仪:以吸附和解吸时间与压力关系计算压力。压力。H.分压力真空计:利用质谱技术进行混合气体分压分压力真空计:利用质谱技术进行混合气体分压力测量。常见的有四极质谱计、回旋质谱计和射力测量。常见的有四极质谱计、回旋质谱计和射频质谱计等。频质谱计等。Vacuum and Fluid Engineering Research Cent
23、er of Northeastern University,China1.4 真空计测量范围真空计测量范围o 压力测量中,除极少数直接测量外,绝大多压力测量中,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。特点,亦会造成某些问题。o 任何具体物理现象与压力的关系,都是在某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
24、,关系变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围这个范围就是真空计的“量程量程”。尽可能扩。尽可能扩展每一种方法的量程,是真空科学研究的重要内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容之一。近代真空技术所涉及到的压力范围宽达19个数量级个数量级(10510-14 Pa),没有任何一种真空,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空计分别管辖一定的
25、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,往往要造成原理上的差异,在相互衔接的区域,往往要造成较大的误差。较大的误差。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,Chinao 在被测空间引起一定物理现象,还会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,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,这些寄生可避免地带来一系列寄生现象,这些寄生现象不但给测量带来误差,有时还
展开阅读全文