教学用金属温差电偶真空计校准实验装置

安奎生，付申成，谷德山

(东北师范大学 物理学院 物理实验中心，吉林 长春 130024)



教学用金属温差电偶真空计校准实验装置

安奎生，付申成，谷德山

(东北师范大学 物理学院 物理实验中心，吉林 长春 130024)

摘要：自制了金属真空系统，阐述了温差电偶真空计校准实验装置的工作原理，给出了静态膨胀法校准温差电偶真空计的测试方法. 在低真空度时金属真空系统表面放气不显著，适用于真空实验教学.

关键词：真空系统；温差电偶真空计；校准；静态膨胀法

真空技术实验[1-2]课使用组装玻璃真空系统. 实验过程中，玻璃系统经常会出现炸裂和漏气，只有玻璃工才能维修，影响正常的教学进度. 为此，设计制作了金属真空系统，并开出了“温差电偶真空计校准”、“真空蒸发镀膜”等实验. 真空计校准是真空测量的基础，其校准对象是组成真空计的真空规管和电子线路的整体. 本文介绍了自制的金属温差电偶真空计校准实验装置，阐述了静态膨胀法校准温差电偶真空计的测试过程与结果.

1实验装置

温差电偶真空计校准实验装置见图1，由真空系统、电控系统、循环水系统3部分组成. 设计尺寸为1 200 mm×800 mm×1 100 mm，整机总功率为2.5 kW，极限真空度为5×10-4Pa.

1.1　真空系统

真空系统由真空获得设备、真空测量器件、真空金属容器和真空组合配件构成.

1)真空获得设备：2XZ-4型旋片式机械真空泵[3]1台， K-100型金属油扩散泵1台， DN200型冷阱1个.

2)真空测量器件：FZH-2B型复合真空计1台，真空规管接头3个，ZJ-51温差电偶规管2只，JZ-27热阴极电离规管1只，通过真空计波段旋钮控制，可分别测量储气室、校准室的真空度；带二通玻璃真空阀的U型管真空计1个.

3)真空金属容器[4]：圆柱形金属储气室、校准室各1个(尺寸均为：直径220 mm，长300 mm).

4)真空组合配件：高真空蝶阀[5]1个，高真空挡板阀2个，微调阀1个，放气阀1个，固定体积单通阀(并列连接，体积分别为1.5 mL和7.5 mL)1个，波纹管2根，过渡法兰4个，不锈钢连接管道(三通、弯头等 )若干件，实验台架1个.

1.2　电源控制系统

装置面板上安有机械泵、扩散泵控制开关. 外部配置电源电压分别为380 V，220 V.

图1　温差电偶真空计校准实验装置

1.3　循环水系统

压强1.5×103～2.5×103Pa，水温低于20 ℃，冷却水管长8 m，用于金属油扩散泵冷却.

2装置工作原理

温差电偶真空计利用气体分子的导热性质，通过温差电偶产生热电动势来测量真空. 由于气体的热传导受很多因素的影响，因而温差电偶电动势和压强的关系不能由计算确定，必须进行校准方可使用. 静态膨胀法[6-7]校准温差电偶真空计结构如图2所示.

A.旋片真空泵；B.油扩散泵；K1，K2，K3，K4.手动高真空双通阀；K5,K6.固定体积单通阀；K7.微调阀；K8.二通玻璃真空阀；G1,G2.温差电偶规管；G3.电离规管；G4.U型管真空计图2　温差电偶真空计校准实验装置简图

即

(1)

即

其中，μ为摩尔质量，R为气体普适常量，T为气体绝对温度，均为常量. 所以

由于V0≪V1，故V1+V0≈V1，则有

(2)

若以充油的U型真空计指示出油柱高度差为h时，则V中压强p为

(3)

此式压强单位为mmHg(1 mmHg=133.32 Pa)，因此以Pa为单位有

(4)

3实验测试

1)对储气室(V)抽气

关K1，开机械泵电源，开K2，开温差电偶真空计电源，将波段开关拨到V1测量挡，用G1测V中真空度达到5 Pa以上，关K2.

2)对校准室 (V1)抽气

开K3和K4，将温差电偶真空计波段旋钮拨到V2测量挡，用G2测量V1中真空度. 当真空度高于5 Pa时，打开扩散泵水源和电源；当真空度达到0.1 Pa时，开电离真空计G3灯丝开关.

3)做校准准备

当真空度达10-3Pa时，关玻璃阀门K8，调节K7向V中充入气体，在G4中做100 mm左右的油柱高度差(约103Pa)；关电离真空计灯丝开关，关K4，关扩散泵电源.

4)校准

表1　膨胀次数n、温差电偶真空计电压U及压强p1数据

5) 关机

膨胀结束，关K3，关机械泵电源，开K1，关扩散泵水源，关温差电偶真空计电源，打开K8.

6)数据处理

根据表1实验数据画出p1-U关系图，如图3所示.

图3　p1-U关系图线

4结束语

自制静态膨胀法校准温差电偶计装置实验现象直观、状态稳定、操作方便、造价低廉，没有水银污染，在低真空(p>10-2Pa)时，系统内表面放气不显著，故它具有足够的精确度，因此适合于真空实验课教学.

参考文献：

[1]何元金，马兴坤. 近代物理实验[M]. 北京：清华大学出版社，2003:71-80

[2]林木欣. 近代物理实验[M]. 北京：科学出版社，1999：155-160.

[3]王欲知，陈旭. 真空技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2007:233-249.

[4]达道安. 真空设计手册[M]. 北京：国防工业出版社，1991：682-692.

[5]陆培文. 实用阀门设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，2002：398-521.

[6]许红，王金锁，孟宪华. 标准静膨胀法真空装置研制[J]. 上海计量测试，2003,30(4)：9-11.

[7]于红燕，王池，赵士燕，等. 静态膨胀法真空系统[J]. 真空科学与技术学报，2008,28(1)：90-93.

[8]徐成海. 真空工程技术[M]. 北京：化学工业出版社，2006:1-4.

[责任编辑：任德香]

物理实验教学与管理工作.

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

中图分类号：TB77

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)01-0006-03

作者简介：安奎生(1965-)，男，吉林榆树人，东北师范大学物理学院物理实验中心主任助理，硕士，从事

收稿日期：2015-10-30;修改日期：2015-12-10