Как в течи формируется заданный поток гелия

ОтUtilitor

Поток в 10⁻⁹ Па·м³/с — это порядка ста миллиардов атомов в секунду: по атомным меркам много, по инженерным — исчезающе мало. Дозировать такие количества клапаном невозможно, поэтому меры потока используют два физических механизма, не требующих подвижных частей: диффузию сквозь сплошную стенку и вязкое или молекулярное истечение через калиброванный канал.

Механизм 1: диффузия сквозь кварц

В диффузионных мерах (Гелит-1, Гелит-2) гелий из баллона растворяется в стенке кварцевой колбы, мигрирует по её толщине и десорбируется с наружной стороны. Величину потока задают три параметра конструкции: толщина стенки, площадь поверхности колбы и давление заполнения (6–100 кПа). Процесс селективен — крупные молекулы кварц не пропускает, — поэтому такая мера работает только с гелием и нечувствительна к составу окружающей среды.

Диффузия термоактивируема: проницаемость растёт с температурой на 2,5–3,5 % на градус. Это цена стабильности — по воспроизводимости диффузионные меры лидируют среди всех конструкций (сравнение классов).

Механизм 2: истечение через капилляр

В капиллярных течах (БГ.63.002.00.000, КТК-2УП) газ течёт из резервуара через стеклянный канал микронного сечения. Режим течения зависит от соотношения длины свободного пробега молекул и диаметра канала:

  • ламинарный (вязкостный) — при относительно высоких давлениях; поток пропорционален разности квадратов давлений на концах канала и обратно пропорционален вязкости газа;
  • молекулярный — при малых давлениях; молекулы летят независимо, поток пропорционален разности давлений и проводимости канала U: Q = U·(p₁ − p₂);
  • переходный — промежуточная область, где работают оба механизма.

Поэтому поток капиллярной меры управляется давлением заправки (подробнее) и слабее, чем у диффузионных, зависит от температуры (порядка 1 %/°C — через вязкость и давление).

Третья схема: редукция давления

Мера «без резервуара» (КТР) совмещает баллон высокого давления, редуктор и дозирующий элемент: редуктор стабилизирует давление на входе канала, и поток остаётся постоянным, пока стабильно давление. Тот же принцип калиброванного сопротивления применяется и в эталонных установках — см. обзор методов воспроизведения потока.

Что из этого следует на практике

  • поток нельзя «подкрутить» — он задан конструкцией и условиями; регулируемая «течь» перестаёт быть мерой;
  • у каждой конструкции свой набор влияющих величин: у диффузионной — температура, у капиллярной — давление заправки и чистота канала;
  • паспортное значение всегда сопровождается условиями (как читать паспорт) — вне их поток другой, и это штатно.

Похожие записи