Praktikum z vakuové fyziky
Úloha 5: Měření čerpací rychlosti metodou konstantního tlaku
Úvod
Cílem této úlohy je změřit čerpací rychlost rotační olejové vývěvy metodou konstantního tlaku a změřit objem vakuové aparatury.
Aparaturu tvoří komora, průtokoměr, jehlový ventil, zařízení pro ovládání vývěvy a elektronika pro manometr. Komora je čerpána rotační olejovou vývěvou umístěnou pod stolem. O měření tlaku se stará kapacitní membránová měrka.
Automatický záznam měřených dat v druhé části úlohy umožňuje elektronika skládající se z naprogramovaných elektronických součástek (modulu Arduino Uno a "štítu"(shield), který zajišťuje zápis na SD kartu).
Čerpací rychlost metodou konstantního tlaku můžeme určit pomocí vztahu
kde Sy je průtok plynu, Patm je atmosférický tlak a P je tlak po ustálení dynamické rovnováhy v systému. Dále platí, že
S
P
(2)
S
I P
(3)
kde I odpovídá proudu plynu.
i
Objem vakuové aparatury můžeme určit pomocí vztahu
V = SvPatm^ (4)
kde V je objem vakuové aparatury, Sy je průtok plynu, Patm je atmosférický tlak a Ap je změna tlaku za časový úsek At.
Kontrolní otázky
• Jak závisí čerpací rychlost rotační olejové vývěvy na tlaku?
• V jakém rozsahu tlaků je možné použít rotační olejovou vývěvu?
• Jaké jsou hlavní výhody a nevýhody rotační olejové vývěvy?
Úkoly a pracovní postup
• Prohlédněte si aparaturu a seznamte se s jejím ovládáním.
• V první části úlohy budete určovat čerpací rychlost vývěvy metodou konstatního tlaku. Vyčerpejte aparaturu na mezní tlak pomocí rotační olejové vývěvy. Nastavte průtok plynu a počkejte na ustavení dynamické rovnováhy. Zaznamenejte si hodnotu tlaku. Toto proveďte pro 10 různých průtoků, po každé změně průtoku počkejte na ustálení dynamické rovnováhy.
• Z naměřených dat vypočítejte čerpací rychlost dle vztahu (1). Do grafu vyneste závislost čerpací rychlosti na tlaku.
• Pro druhou část úlohy vypněte elektroventil a přestaňte čerpat aparaturu (dochází k pozvolnému nárůstu tlaku). Za těchto podmínek budete opět měnit průtok plynu (nastavte postupně 5 různých průtoků), data budou zaznamenána automaticky. Automatický záznam dat zapnete stisknutím a krátkým podržením červeného tlačítka (držte, dokud se na displeji neobjeví START). Data budou zaznamenána na SD kartu, ze které si je na závěr stáhnete. Pro ukončení záznamu dat stiskněte a chvíli podržte zelené tlačítko (držte, dokud se na displeji neobjeví STOP). Výstupem bude soubor s příponou .dat obsahující dva sloupce - první obsahuje data pro čas a druhý pro napětí. Hodnoty napětí převeďte na tlak.
2
• Zaznamenané hodnoty pro všechny průtoky plynu vyneste do grafu jako závislost tlaku na čase. Body v grafu proložte přímkou a určete směrnici přímky. Pomocí vztahu (4) vypočtěte objem vakuové aparatury i s chybou měření.
• Zhodnoťte, zda vypočítaný objem odpovídá reálné velikosti aparatury.
3