В целом о вакууме и вакуумных системах

Свойства вакуума
Особенности вакуумных систем

Вакуумные материалы и уплотнители

Вакуумные материалы
Уплотнители и и смазки

На заметку

Требования к степени герметичности вакуумных систем
Измерение и контроль вакуума - Течеискание и течеискатели
Оглавление
Требования к степени герметичности вакуумных систем
Страница 2
Все страницы
Предельное давление рпред и поток натекающего газа Q, связаны между собой уравнением

(8.1)

Таким образом, если в непрерывно откачиваемой системе достигается давление 10-10 Па, то это означает, что поток натекающего газа не превышает 2,5*10-11 Па*м3*с-1. При отключенном насосе и в предположении, что поток газа в основном вызывается течью, нарастание давления по времени определяется уравнением

(8.2)

Для условий нашего примера при потоке газа сквозь течь 2,5*10-11 Па*м3*с-1 давление в системе должно возрастать со :коростью 8,9•1O-10 Па/с, или 3,2•1O-6 Па/ч. Таким образом, оля системы, изолированной от насоса, допустимо значительно меньшее натекание, чем для непрерывно откачиваемой системы.

Следовательно, течеискатели должны обладать достаточна высокой чувствительностью для того, чтобы фиксировать очень малые потоки газа. Для определения минимального потока rasa, который может быть зафиксирован прибором, необходимо шать зависимость его показаний от состава газа, который ме-гяется по мере попадания в систему пробного газа, а также :вязь между этими показаниями и размерами течи. Рассмотрим 1,ва случая: вязкостный и молекулярный режимы течения при достаточно большом потоке газа (выше 10-6 Па*м3*с-1).

В условиях вязкостного течения поток натекания для воздуха Qla равен

(8.3)

где ?а — коэффициент вязкости воздуха, рА — атмосферное давление, pv — давление в вакуумной системе и В— параметр,, характеризующий размер канала течи. Приравнивая Qla эффективной быстроте откачки воздуха Sa, умноженной на pv, и предполагая, что pA^Pv, получим

(8.4)

Предположим, что в рассматриваемой модельной системе воздух полностью замещен пробным газом (например, путем помещения ее в пластиковый чехол с пробным газом); тогда соответствующее уравнение для пробного газа может быть записано в виде

(8.5)

где pv — давление, установившееся в системе после замещения воздуха пробным газом. Таким образом, изменение давления в системе составит

(8.6)

Полученное уравнение может быть представлено в виде

(8.7)

Изменение показаний AG вакуумметра, чувствительность которого по воздуху и пробному газу составляет Ka и Ks соответственно, равно

(8.8)

Аналогичное уравнение можно получить для меньшего потока газа, подчиняющегося молекулярному режиму течения. В разд. 4 было показано, что поток в этих условиях определяется перепадом давления по каналу течи и корнем квадратным из молекулярной массы газа. Поэтому изменение показаний вакуумметра при замещении воздуха пробным газом составит

(8.9)

где С—коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров канала и связанный с проводимостью канала для воздуха соотношением С=СА*(mA)1/2.

Рассмотрим сначала случай большой течи (Qm = 1O-6 Па*м3*с-1). Согласно уравнению (8.7), получаем

(8.10)

Если в качестве пробного газа используется гелий, то, поскольку вязкости гелия и воздуха близки, выражение в скобках зависит только от быстроты откачки газа. Быстрота откачки различных газов диффузионным насосом в первом приближении обратно пропорциональна квадратному корню из молекулярной массы газа, и, следовательно, в этом случае падение давления равно

(8.11)

Для рассматриваемой модельной системы Sa = 0,25 м3с-1, так что падение давления составит 2,5•1O-6 Па. Поскольку чувствительность вакуумметра Байярда — Альперта по гелию ниже, чем по воздуху, то кажущееся падение давления по мере попадания в систему пробного газа в этом случае становится еще более заметным. Поэтому локализация течи в этом случае становится более простой задачей, особенно если используется вакуумметр с электрической компенсацией фонового сигнала


Приведенные выше закономерности получены в предположении, что атмосферный воздух вокруг вакуумной системы полностью замещен пробным газом (например, гелием). Это можно обеспечить, например, с помощью чехла, охватывающего установку и заполненного пробным газом. Если же поиск течи осуществляется путем обдува системы тонкой струей пробного газа, то с внешней стороны канала течи будет находиться смесь воздуха с пробным газом. В этом случае все полученные выше уравнения должны быть изменены. Если содержание пробного газа в смеси характеризуется величиной х (х<1) и ?х — коэффициент вязкости смеси, то

(8.14)

где р/ и ps' — парциальные давления соответственно воздуха и пробного газа в системе. Следовательно, общее давление в-вакуумной системе равно

 

......... (8.16)

Полученное выражение можно сравнить с выражением (8.6). Если величина цх близка к вязкости воздуха, то, как легко видеть, изменение давления в этом случае отличается от аналогичной величины в случае полного замещения воздуха пробным газом (8.6) в х раз (*<1). Однако в случае обдува системы струей пробного газа необходимо учитывать эффекты нестационарности. Помимо задержки проникновения пробного газа из канала течи, возникает задержка в достижении равновесного состава газовой смеси, поскольку по мере откачивания воздуха происходит увеличение парциального давления пробного газа в системе. Исходя из уравнения быстроты откачки (7.4), получим

(8.17)

При ^ = O давление ро = 0, поэтому увеличение парциального давления пробного газа определяется уравнением

(8.18)

С другой стороны, парциальное давление воздуха, начальное значение которого составляло Qla/Sa, будет уменьшаться по закону

(8.19)

Таким образом, изменение парциальных давлений пробного газа и воздуха будет происходить с постоянными времени V/Ss и V/Sa соответственно. Общее давление в системе в произвольный момент времени t описывается уравнением


После прохождения зондомтечи парциальное давление пробного газа в системе начинает падать, а парциальное давление воздуха — возрастать, и приведенные выше зависимости •приобретают обратный характер. Более детально эти вопросы рассмотрены Робинсоном. Интересную закономерность можно увидеть в уравнении (8.20).

Так, если быстрота откачки пробного газа намного ниже, чем воздуха, то реакция прибора оказывается быстрой. Этот эффект объясняется тем, что парциальное давление пробного газа вследствие его более низкой скорости откачки резко возрастает. С другой стороны, при удалении сопла от места течи парциальное давление пробного газа медленно падает и при более высокой быстроте откачки воздуха будет наблюдаться более медленная реакция прибора.

Как видно из уравнений (8.8) и (8.9), в течеискании важную роль играет величина быстроты откачки. Уменьшение быстроты откачки системы позволяет повысить чувствительность метода течеискания. Однако существуют и другие методы, один из которых заключается в предварительном, до регистрации с помощью датчика, повышении давления. Вначале вакуумная система откачивается до предельного разрежения, а затем изолируется от насоса.

После этого через какой-то промежуток времени, например через 1 мин, регистрируется давление в системе. Затем включается откачка и система окружается пробным газом. После истечения времени, необходимого для замещения воздуха пробным газом, система опять изолируется от насоса, и через 1 мин вновь регистрируется давление в системе. Изменение показаний вакуумметра определяется из соотношения

 

(8.21)

где V — объем вакуумной системы, изолированной от насоса.

Следует отметить, что рассмотренная модель является упрощенной, поскольку в ней не учитывается газовыделение из элементов системы. Из уравнения (8.21.) легко определить, что в рассматриваемой модельной системе объемом 0,28 м3 с помощью вакуумметра Байярда — Альперта может быть зафиксирован поток воздуха через течь, равный 10-12 Па*м3*с-1. Если в качестве течеискателя применяется масс-спектрометр, то очевидно, что в этом случае газовыделение не представляет проблем; кроме того, такая система обнаружения течей характеризуется очень высокой чувствительностью.

Другой метод повышения чувствительности течеискания (в настоящее время он используется относительно редко) основан на использовании мембран избирательной проницаемости, помещаемых между вакуумной системой и датчиком. В качестве примера рассмотрим так называемый палладиевый ионизационный вакуумметр (водородный палладиевый течеискатель). Анод этого вакуумметра, изготовленный из палладия, является одновременно мембраной, которая отделяет рабочую полость прибора от исследуемого объема. Как известно, нагретый до 1100 К палладий пропускает только водород. Попадая через канал течи в вакуумную систему, водород проникает через нагретую палладиевую мембрану в вакуумметр. Однако этот метод течеискания требует специального датчика, вследствие чего используется довольно ограниченно

 

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

   

 

Сейчас на сайте

Сейчас на сайте находятся:
 33 гостей на сайте

Нов боков адс адаптивный

=
Рейтинг@Mail.ru