影響壓縮式真空計測量的主要因素

2010-03-24 朱武 合肥工業大學

  盡管壓縮式真空計具有較高的可靠性,但是還存在許多產生測量誤差的因素,下面就幾個主要因素進行簡要的分析。

  (1)蒸氣對測量的影響。通常在被測量的真空系統中,總是有些蒸氣存在,如壓縮式真空計工作液本身就是一個蒸氣源,此外還有部分水蒸氣和其他蒸氣源等。由于這種真空計是基于理想氣體波義耳定律工作的,所以應對蒸氣進行分析,了解它對測量的影響。

  任何蒸氣被壓縮到其飽和蒸氣壓時,壓力就不再因壓縮而增高,因此壓縮式真空計顯然不能正確測出蒸氣的壓力,需要做具體分析。

  對于工作液水銀來說,在室溫下,其飽和蒸氣壓約為10-1 Pa左右,同時存在于測量毛細管和比較毛細管水銀面上,故不能造成任何水銀柱的高度差,這就意味著壓縮式真空計任何時候都不能反映出它本身工作液的蒸氣壓。但是,這種蒸氣壓卻能擴散到真空系統中去,因此必須在真空系統和壓縮式真空計之間安裝一個冷阱,用來消除水銀蒸氣對真空系統的影響,這時進入真空系統的水銀蒸氣只相當于冷凝溫度的水銀飽和蒸氣壓,如用液氮冷阱,其值低于10-30 Pa。

  對于飽和蒸氣壓小于30Pa的未飽和蒸氣,壓縮后在測量毛細管中達到飽和蒸氣壓,而在比較毛細管中仍為未飽和蒸氣,故二者之間就會出現小于0.2mm 的水銀面高度差,這個高度差用肉眼很難讀出,故這類蒸氣的壓力就不能反映出來。機械泵油(飽和蒸氣壓在 10-2~ 10-3 Pa)、擴散泵油(飽和蒸氣壓在10-4~ 10-3 Pa)即屬于這種情況。

  對于飽和蒸氣壓大于500Pa的未飽和蒸氣,壓縮后測量毛細管中達到飽和蒸氣壓,而比較毛細管中尚未達到飽和蒸氣壓,就會使水銀面出現0.2mm 以上的高度差,已可以用肉眼觀察出來,這時的讀數可認為是飽和蒸氣壓值。真空系統中殘存的一些水蒸氣即屬此種情況。

  真空系統中最典型的情況是永久性氣體和某些蒸氣的混合體,而且其比例無法確定,用壓縮式真空計測量時,讀出的數值究竟是永久性氣體的分壓、蒸氣的飽和蒸氣壓還是全壓(永久性氣體分壓和蒸氣分壓之和),這就要按上述情況做具體分析。因此,為了排除蒸氣給測量帶來麻煩,常在真空系統和壓縮式真空計之間安裝一個冷阱,這樣測得的為永久性氣體分壓。所以通常所說的壓縮式真空計是測量氣體分壓力,就是指帶冷阱而言的。

  (2)水銀蒸氣流效應。在討論蒸氣對測量的影響時,為了消除蒸氣的影響而在真空系統與壓縮式真空計之間安裝一個冷阱,這就給測量又帶來一個新的誤差來源,即水銀蒸氣流效應。它是由于冷阱的存在,導致壓縮式真空計中的水銀蒸氣不斷向冷阱方向流動形成一個穩定的水銀蒸氣流,這個穩定的水銀蒸氣流將壓縮式真空計中的氣體分子帶向真空系統,造成壓縮式真空計中的壓力低于真空系統的實際壓力。這一效應在壓力測量下限時引起近20 ×10-2的系統誤差。為了克服這一現象,一般在壓縮式真空計連接管口處安置一個閥門,在進行測量讀數前先將該閥門關上,切斷水銀蒸氣流與冷阱間的氣路。

  (3)不穩定的毛細作用。由于壓縮式真空計測量毛細管和比較毛細管內徑的不均勻性、表面狀況不同等原因,致使毛細管中水銀不規則運動所引起的一系列異常現象,給測量帶來誤差。為了減小其影響,最早采用的方法是對毛細管內徑進行磨毛加工,提高毛細管內徑的均勻性。有文獻提出了“摩擦阻力是引起毛細管中水銀不規則運動的主要原因”的假設,并采用涂油潤滑的方法,即在毛細管內表面涂一層厚度約為3μm 的均勻油膜(DC—704硅油),可較好地消除毛細管中發生的一系列異常現象。

  除上述因素外,還有靜電效應、溫度變化、結構尺寸不準確、偏離理想氣體的波義耳定律、連接管和真空計玻璃的出氣等,都可給測量帶來誤差。

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