3. Материалы и оборудование

Оборудование

1. Вакуумный пост ВУП-4.

4. Программа работы

1. Изучить устройство вакуумной системы универсального вакуумного поста и его элементов.

2. Провести откачку рабочей камеры механическим и диффузионным насосами, фиксируя изменение давления в рабочей камере со временем, с помощью термопарного, а затем диффузионного вакуумметров.

3. Отключить вакуумную камеру от насоса и определить зависимость давления в камере от времени с помощью термопарного вакуумметра.

4. Напустить воздух в рабочий объем, затем повторить откачку до высокого вакуума и измерение давления при натекании газа в систему еще дважды.

5. Вычислить эффективную скорость откачки в различных диапазонах давлений.

6. Вычислить величину натекания, среднее арифметическое значение натекания и дисперсию.

7. Оценить достоверность измерений по критерию Стьюдента:

, (5.6)

где H_экстр – величина натекания, наиболее отклоняющаяся от среднего значения;

– среднее арифметическое значение натекания без учета H_экстр;

σ_н – среднее квадратичное отклонение, вычисленное без учета H_экстр;

t – табличное значение критерия Стьюдента, равное для трех измерений 4,30, для четырех – 3,18, для пяти – 2,78.

5. Описание лабораторной установки

В качестве лабораторной установки используется вакуумная система универсального вакуумного поста ВУП-4, предназначенного для металлизации, либо очистки образцов в вакууме (рис. 5.3). Основными частями вакуумной системы ВУП-4 являются рабочий объем 1, механический вакуумный насос 5, диффузионный вакуумный насос 8, буферный баллон 7, магнитные вентили 3, 4, 6, термопарная манометрическая лампа 2 типа ПМТ-4М, ионизационная лампа 9 типа ПМИ-2. Соединение основных частей вакуумной системы осуществляется вакуумными резиновыми шлангами или металлическими трубками с вакуумными уплотнителями в местах соединений. Диффузионный насос отсекается от рабочего объема с помощью высоковакуумного клапана 10. Напуск воздуха в рабочий объем производится с помощью винта 11.

Работа диффузионного насоса возможна только при откачке из него воздуха механическим насосом, кроме того, необходима откачка воздуха из рабочего объема до остаточного давления 6,65-1,33 Па. Поэтому механический насос называют также форвакуумным, а диффузионный – высоковакуумным.

Управление вакуумной системой осуществляется с правого пульта управления универсального вакуумного поста.

Переключение режимов работы вакуумной системы производят с помощью магнитных вентилей в следующем порядке. При создании предварительного вакуума в рабочем объеме (нажата кнопка «ПВ» на пульте управления) вентили 3 и 4 открыты, вентиль 6 закрыт. При откачке воздуха до остаточных давлений, соответствующих высокому вакууму (нажата кнопка «ВВ»), открыты вентили 4 и 6, вентиль 3 закрыт. Для создания высокого вакуума в рабочем объеме необходимо вручную открыть высоковакуумный клапан 10, в противном случае будет происходить откачка остаточных газов только из самого насоса (такой режим используется при предварительном разогреве насоса, а также при его остывании перед окончанием работы). При полной остановке прибора (нажата кнопка «0» или отпущены все кнопки) вентили 3 и 6 закрыты, вентиль 4 открыт.

Рис. 5.3. Схема вакуумной системы универсального вакуумного поста ВУП-4:

1 – рабочий объем; 2 – термопарная манометрическая лампа типа ПМТ-4М; 3,4,6 – электромагнитный клапан; 5 – механический вакуумный насос; 7 – буферный баллон; 8 – диффузионный вакуумный насос; 9 – ионизационная манометрическая лампа ПМИ-2; 10 – высоковакуумный клапан; 11 – винт для напуска воздуха в рабочий объем

Для включения вакуумной системы:

– нажмите кнопку «Сеть». При этом должна загореться сигнальная лампочка, находящаяся рядом с кнопкой;

– проверьте положение высоковакуумного клапана и клапана напуска воздуха. Они должны быть в закрытом положении;

– нажмите кнопку «ФН», а через 2-3 минуты – кнопки «ДН» и «ВВ». При этом должны загореться соответствующие сигнальные лампочки, находящиеся над кнопками. Откройте вентиль подачи воды к диффузионному насосу;

– нажмите через 30-40 минут кнопку «ПВ» и откачайте рабочий объем до 5·10^-2 – 1·10^-2 мм рт. ст.

Измерение давления производите с помощью индикатора вакуума, расположенного на пульте управления, и датчика ПМТ-4М, расположенного в рабочем объеме:

а) нажмите кнопку над гравировкой «Индикатор вакуума»;

б) нажмите кнопку «ПМТ-4М» и установите ток накала согласно паспорту датчика (или по указанию учебного мастера);

в) нажмите кнопку «ФВ». Определите вакуум согласно градуированной кривой датчика и показаниям измерительного прибора.

После достижения указанного вакуума нажмите кнопку «ВВ» и откройте высоковакуумный клапан.

Замерьте высокий вакуум в рабочем объеме:

а) нажмите кнопку «ПРОГ» и выдержите в этом режиме 10-15 минут;

б) нажмите кнопку «ЭМИСС» и установите стрелку прибора на 5 мВ;

в) нажмите кнопку «НУЛЬ» и установите нуль на измерительном приборе;

г) нажмите кнопку «10^-4». Если стрелка измерительного прибора показывает менее 1 мВ данного диапазона, нажмите кнопку «10^-5» и т. д. Перевод показаний прибора производите умножением показаний в милливольтах соответственно на 10^-4, 10^-5 и т. д.

Для выключения прибора выполните следующее:

а) откачайте воздух из рабочего объема;

б) закройте высоковакуумный клапан;

в) нажмите кнопку над гравировкой «Индикатор вакуума». При этом должна погаснуть сигнальная лампочка, расположенная над кнопкой;

г) нажмите кнопку «ДН». При этом должна погаснуть сигнальная лампочка, находящаяся над кнопкой;

д) через 20-30 минут нажмите кнопки «0».

При этом должны погаснуть соответствующие лампочки; закройте вентиль подачи воды к диффузионному насосу.

ВНИМАНИЕ! Во избежание выхода из строя ионизационного вакуумметра и диффузионного насоса ЗАПРЕЩАЕТСЯ:

напуск воздуха в рабочий объем при открытом высоковакуумном клапане;

включение и использование ионизационного вакуумметра при давлении в системе выше 5·10^-2 мм рт. ст.;

выключение форвакуумного насоса ранее, чем через 20 минут после отключения диффузионного насоса.

6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Цель работы.

2. Краткие сведения об основных элементах и характеристиках вакуумных систем.

3. Схема вакуумной системы ВУП-4.

4. Результаты измерения давления при откачке и натекании (таблицы и графики).

5. Расчеты эффективной быстроты откачки, натекания и оценки достоверности по критерию Стьюдента.

6. Выводы.

7. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что такое вакуум?

2. Основные элементы вакуумных систем.

3. Как изменяются показания регистрирующих приборов при повышении давления в системе при использовании термопарного вакуумметра? ионизационного вакуумметра?

4. Что характеризует величина натекания?

Лабораторная работа № 3

ПОДБОР ЭМПИРИЧЕСКИХ ФОРМУЛ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить методики обработки экспериментальных данных для получения эмпирических формул.

2. ПРИНЦИПЫ И ПРИЕМЫ ПОДБОРА ЭМПИРИЧЕСКИХ ФОРМУЛ

Зависимости между параметрами, характеризующими объект, могут быть аналитическими или эмпирическими. Аналитические формулы описывают какой – либо установленный физический закон (например, закон Ома: I=U/R) и действительны в достаточно широкой области действия этого закона. Эмпирические формулы описывают полученные экспериментальные результаты и действительны лишь в тех пределах, в которых изменялись значения описываемых параметров при проведении опытов. Примеры эмпирических зависимостей: ; У=34,1-1,0х₁ -3,65х₂; У=0,15е . Эмпирические формулы широко применяются в технике для описания малоизученных объектов, когда аналитические зависимости неизвестны, а также если аналитическое выражение сложное и требует громоздких вычислений.

Эмпирические формулы должны быть по возможности более простыми и точно описывать экспериментальные данные. Процесс подбора эмпирических формул состоит из двух этапов: 1) выбор вида формулы; 2) расчет коэффициентов формулы. Если кривая имеет резкие перегибы или состоит из отдельных участков, целесообразно подбирать формулы по участкам, однако необходимо четко определять координаты пограничных точек перехода от одной формулы к другой.

Подбор эмпирических формул следует начинать с наиболее простых выражений. Многие объекты описываются линейной функцией вида у = ах + b. Причем в ряде случаев это может быть связано не только с физической сущностью объекта, но и с недостаточной его изученностью, большим разбросом экспериментальных результатов, а также удобством расчета. Коэффициенты а и b определяются по экспериментальным результатам. Обычно используют метод наименьших квадратов, достаточно простой и точный. Этот метод исходит из требования, чтобы сумма квадратов отклонений ординат экспериментальных точек от прямой, описываемой искомым уравнением, была минимальной. Расчет коэффициентов линейной модели проводят по формулам:

(5.7)

где x_i, y_i – значения х и у по результатам i-го измерения (или i-го опыта);

n – общее количество измерений (опытов).

Точность описания экспериментальных данных линейной зависимостью оценивается по величине коэффициента корреляции r:

(5.8)

Чем ближе r к 1, тем ближе зависимость у=f(х) к линейной. Если |r| < 0,5, зависимость следует признать нелинейной. В зависимости от вида экспериментальной кривой ее аппроксимируют различными функциями (рис. 5.4). Для определения коэффициентов эмпирических формул можно использовать метод выравнивания, при котором переменные х и у заменяются другими, между которыми существует линейная зависимость. Например, если искомая зависимость имеет вид y=a·x^C, то логарифмируя правую и левую части, получим ln y=ln a+Cln x или Y=А+CX. Теперь коэффициенты А и С могут быть найдены методом наименьших квадратов по формуле (1), в которую вместо и подставляют =ln и =ln . Коэффициент С определяется сразу, а для определения а проводят потенцирование а = е^A. Приемы замены для различных функций указаны в справочниках. Для оценки точности описания экспериментальных данных может быть использован коэффициент корреляции, рассчитанный по формуле (5.8) с подстановкой X_i и Y_i. Чем ближе |r| к 1, тем лучше описываются экспериментальные данные выбранным видом зависимости.

Рис. 5.4. Типовые графики и некоторые аппроксимирующие их выражения

Кроме метода наименьших квадратов могут использоваться и другие, например, метод избранных точек. В этом случае на плавной кривой намечается столько точек, сколько неизвестных коэффициентов в выбранной формуле (рис. 5.5). Их координаты подставляются в формулу, и решается полученная система уравнений. Например, в рассматриваемом случае

или ,

где (x₁,y₂) и (x₁,y₂) – координаты первой и второй избранных точек.

Для подбора эмпирических формул могут также использоваться неравномерные координатные сетки и эталонные кривые. В последнее время при подборе эмпирических формул все чаще применяются ЭВМ (расчет коэффициентов при этом обычно основан на методе наименьших квадратов и замене переменных).

Рис. 5.5. Метод избранных точек: x-экспериментальные точки; •-избранные точки