6发明创造.

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1发明创造建筑工程系课程2015年11月7日张毅----发明创造启迪(二)1.温度计的发明与演变及对人类社会的影响。2.望远镜、显微镜的发明演变及对人类社会的影响。2主要内容1.视频案例;2.气压计的发明与演变;3.真空泵的发明;4.课后练习;对课程案例的思考、模拟、交流。5.下一讲预告。3本次课程主题。4一、课程教学目标知识目标、技能目标、素质目标1.知识目标通过学习,对发明创造案气压计、真空泵例建立认知。2.技能目标通过学习,感知自己的认识能力。3.素质目标通过案例,提高团队对事物的认知能力。提高对于自我的认识能力。达到职业规范和职业道德等综合素质和能力的培养目标重点(落实方案):1.对发明创造案例即气压计、真空泵建立认知。2.对自我认识能力的再感知。难点(突破方案);对自我认知能力的捡讨。5二、重点、难点6三、本次教学评估知识考核、素质考核、技能考核知识考核(20分)通过捡测:能够学会对于事物(气压计、真空泵)的认识能力的自我评估。素质考核(20分):通过分组合作捡测:通过案例提高团队认知能力的评估。技能考核(60分):通过学习,发现自己的认识能力。78910气压现象11抽真空或加压流体因真空、高压、大气对流现象及其度量要求而产生和得以发展。因大气压强对生活的影响而推动发展。为了寻找测量方法及度量标准前人曾做过大量试验。伽利略使用一个10米长的金属圆筒放入深井中,利用活塞、锥形排气孔、铁丝、装满沙粒的桶来测试抽水机中的真空阻力。他的结论是自然界对真空的阻力是有限的!!抽水机不能将水抽过10米高!!托里柴利(E.Toriclli)是伽利略的学生,1644年用一端密封的1米长的玻璃管,在其中灌入(满)汞,再倒置于汞液中发现无论玻璃管形状如何,汞柱的高度总是76厘米左、右。发现汞液不能全部流出的原因是80千米的空气重量所至。12不久,法国的帕斯卡(是一位半残人士、神童;17岁提出投影几何学定理、20岁发明了第一台机械计算机)制作了同样的仪器,求助于佩利尔从高山到低洼地进行分段测试,发现汞柱的高度与山的高度成反比。证明大气压及其重量的存在。在此基础上,制作了应用型的气压计。此后,于1651~1654年帕斯卡研究了液体静力学,物理量压强的单位就是以它的名字命名的。1314测量大气压力的仪器主要有:1、水银气压表(作为标准)2、空盒气压表、空盒气压计(气象台站)3、沸点气压表(作研究用)151617应用托里柴里实验的原理◦当外界气压升高时,大气压力会自动把水银槽中的水银压进管腔中使水银柱长高。◦反之,气压下降时,水银柱会自动降低,水银自动流回槽里。水银气压表1644年发明18压高公式:p=ρgHρ为温度为t时水银的密度g为当地的重力加速度H为水银柱的高度如果大气压力不变,温度变化,或两个重力加速度不同的测点,但水银柱高度的读数是不相同的,只有当ρ和g的数值一定时,水银柱的高度才能正确地代表大气压力,所以必须规定一个标准条件。19标准条件是:1.以0℃的水银密度为准,取1.35951×104kg·m-3,符号为ρ(0)2.取9.80665m/s2为标准重力加速度。(纬度45度的海平面上)20取液体水银来制作气压表的优点:1.水银的密度大,液柱高度合适;2.在温度高达+60℃的情况下,水银的饱和蒸气压仍然很小,因此在管顶的水银蒸气所产生的附加压力对读数精确度的影响可以忽略不计;3.纯水银易得。1、动槽式水银气压表(福丁式Fortin)212、定槽式水银气压表(寇乌式Kew)22动槽式水银气压表动槽式水银气压表是法国人福丁(J.Fortin)于1810年发明制造的,故称福丁式水银气压表。它的主要特点是标尺上有一个固定的零点。每次读数时,须将水银槽的表面调到这个零点处,然后读出水银柱顶的刻度。外形和结构:1、感应部分:水银、玻璃内管、水银槽2、刻度部分:标尺、游标尺、象牙针3、附属部分:附属温度表23定槽式水银气压表也称寇乌(kew)式水银气压表.外形和结构:定槽式与动槽式区别在水银槽部。它的水银槽是一个固定容积的铁槽,没有皮囊、水银面调节螺钉以及象牙针。原理:当气压变化时,水银柱在玻璃管内上升或下降所增加或减少的水银量,必将引起水银槽内的水银减少或增加,使槽内的水银面向下或向上变动。即整个气压表的基点随水银柱顶的高度变动。定槽式水银气压表思考:标尺刻度间距是否和动槽气压表一样?24我国常用的定槽式,其内管面积与槽部面积之比是1:50。当气压实际改变1毫米时,槽内水银面下降0.02毫米,内管水银柱只上升0.98毫米。即标尺上代表气压变化1毫米的刻度(长度),实际只有0.98毫米。25为此,在制造定槽式气压表时,要求槽部与内管严格成比例,并以标准气压(760毫米)时槽内水银面高度做为标尺的零点。同时保持气压表内的水银定量,否则将会引起仪器误差。26动槽式◦制作较容易,因有固定零点,观测手续比较麻烦,使用时间较长后,水银面有氧化物,调零点就不容易准确,常造成观测上的误差。定槽式◦在制造上要求较严格,但使用上,较为方便而精确。27气压表要求安置在专门的房间,理想的气压室一方面要能保证室内温度均一稳定,另一方面还要避免气流对室内气压影响。室温的均一性不难保证。气流的影响不仅与风速有关,而且还和建筑物的结构形式和位置有关。◦根据经验,由于风引起的气压脉动,其最大幅度可达3hPa。28用金属或非金属材料制成扁圆形的空盒。或串接成空盒组。盒内常留有少量气体。在大气压力作用下,空盒变形,其中心位移量可表示气压的变化。◦但因为气压引起的位移非常微小,无法直接用肉眼观察,常规的空盒气压表(计)采用机械杠杆放大数十倍后通过指针(或自记笔尖)在刻度上的位置读取气压值,借助自记钟连续记录气压随时间的变化。2930膜盒式电容气压传感器的感应元件为真空膜盒。当大气压力产生变化时,使真空膜盒(包括金属膜盒和单晶硅膜盒)的弹性膜片产生形变而引起其电容量的改变,通过测量电容量来测量气压。振筒式气压传感器是利用弹性金属圆筒在外力作用下发生振动,当筒壁两边存在压力差时,其振动频率随压力差而变化。因为筒的谐振频率与压力之间有唯一的关系,所以测出频率就可计算出气压。但是,在校准时确定的这种关系还会受到温度和气体密度的影响,所以需要进行温度补偿和采用干空气。01ffP33谐振式气压传感器(振动筒式压力传感器)压阻式气压传感器是利用气压作用在敏感元件所覆盖的抽成真空的小盒上,通过小盒使电阻受到压缩或拉伸应力的作用,由压电效应知道电阻值的变化与气压的变化成正比,通过测量电阻值来测量气压。沸点气压表是利用液体的沸点温度随气压的变化而变化的关系来测量气压的。利用这一特性测量气压,已在一些探空仪上得到应用,因为在低气压测量时,它比空盒气压表的精度要高,在10hpa的测量结果的随机误差和系统误差均可小于0.1K。这种方法的优点是将气压测量转化为较易实施的温度测量。36海平面气压0lg18400(1)273mhPhtP(7.25)式中P0为海平面气压;tm为A、B两点之间空气柱的平均温度。设A点为某站,其场面气压为Ph,海拔高度为h,将它的场面气压订正到海平面上,就是把A点所在平面至海平面(图中B所在平面)这段空气柱的压力加到Ph上。根据压高公式可得:伽利略的学生托里柴利利用汞柱倒置的方法使玻璃管上方出现真空,称为托利柴利真空,是最早获真空的人工方法。法国科学家罗伯维尔用排气后的鱼”泡”扎紧开口放入托利柴利真空区,鱼泡随即膨胀起来,证明真空确实存在,同时认为空气有弹性。德国人格里克在不知托利柴利实验情况下,用喞筒抽水发现抽掉了木桶中的空气,使通发出怪声,他将木桶换成铜球壳容器再次用喞筒抽气,不久铜壳突然坍塌了,紧接着在后来的密封抽气、拉力试验中16匹马力也未能拉开真空的密封半球。他的贡献是;注意了生活中容易忽略的事,在查找原因时无意间发明了真空泵。37什么是真空?“真空”是对压力低于正常环境大气压的一种描述。增加容积或降低压力都可以造成真空。大多数时候我们可以通过真空泵来降低压力。单位体积内空气分子的减少,使压力降低,从而形成真空。由于种种原因,在地球上我们是无法得到绝对真空的。我们很难将容器里的每一个气体分子都排空。因此请记住,我们所讲的真空只是一个降低到一定程度的压力。我们通常用四个相关的基本参数来描述气体:压力,体积,温度以及空气量。压力:压力是指气体作用在单位面积的容器壁上的力。体积:体积是只气体占用的空间大小。计量单位有:立方英尺,升,加仑,立方米,立方英寸等。温度:温度的单位有:华氏,摄氏,开氏,华氏绝对温标。通常气体公式里会含有将华氏温度转换为其他标准的参数。空气量:指定样品空气量用克摩尔*或摩尔来表示。一摩尔标准气体(在标准温度和标准压力下,即760TORR和0℃下)的体积为22.4升。因此一磅摩尔气体体积大致为385立方尺。(454克/磅*22.4升/克/28.32升/立方尺)*一摩尔气体含有6*1023个分子这四个基本参数是为项目挑选设备时进行计算所常用的。参数之间的关系由气体公式给出。在使用公式前,我们需要在各种温度,体积和压力单位间进行转换。这种将客户使用的单位转换成公式使用的单位的能力很重要。你如果在客户面前熟练的进行转换工作,作为真空项目的顾问,客户会增加对你的信任。绝对压力inchHg真空度inchHg体积膨胀率3001.02551.2201030/20=1.515152.010203.08223.7552530/5=6.032710.02.527.512.022830/2=15.01.528.520.012930/1=30.0.529.560.0.229.815003030/0=∞无穷大例一:如图所示,真空度为15inchHg的气体体积是原来的两倍.例二:如图所示,真空度为27.5inchHg的气体体积是原来的12倍.膨胀率公式=大气压力/绝对压力30/5=6应用真空泵功能使用范例铸造,制模和成型去模,对熔化材料的除气处理橡胶,塑料,金属,木制品,饰面薄板夹具真空挑选,处理,定位和夹持玻璃,片状产品,小零件,自动挡风玻璃,飞机表面处理,饮料罐,锯木厂。需要10英寸到20英寸的真空。冷却和冷冻雾气的快速蒸发水果和蔬菜脱气泡去除空气水,橡胶制品,油,塑料,熔化金属,饮料。需要20英寸到28英寸的真空。脱水干燥去除冷凝汽变压器,冰冻系统,蒸汽。食品、化学、电缆和导线管、谷类、纺织、墨及染色、旋转式干燥机。需要25英寸到28英寸的真空。除臭去除刺激性气体化学,食品行业,废水、废料加工蒸馏真空萃取微量成分医药、食品抽真空去除蒸汽和气体环境室,蒸汽凝结器,激光、泄露检测室,反应器加工器皿、中央真空系统。取出内脏去除内脏家禽,鱼、有壳水生动物填充去除残留气体,增加填充速度冷却和水压系统、食品和饮料容器、电子变压器、液体传输系统需要15英寸到25英寸的真空粗真空760-10乇低真空10-10-3乇高真空10-3-10-8乇超高真空10-8-10-12乇极高真空10-12乇Torr1乇=1/760大气压=1mm汞柱1乇=133.322pa(帕)。在低真空时采用热偶真空计热偶真空计是以铁-康铜,铜-康铜或康铜-镍鉻等材料组成热丝加恒定的电流(mA级)热平衡时具有确定的温度,热电偶产生相应的电动势,热电偶的热端温度与热丝周围散热情况有关,在低真空下以气体热传导为主,因此热端温度与气体压强有关,当气压增大,热传导能力强,使热端温度降低,热电动势小,反之,热电动势增大,由此测定真空度高低热偶真空计在使用前应按照管壳上记录的加热电流进行校正,长时间使用使用后,必须进行重新校对热偶真空计工作范围在1-10-3乇之间,要预防热丝氧化,必须先让系统的真空度达到一定(大约用旋片泵抽半小时后,达到粗真空)才能使用如果气压太低,则热辐射和引线传热起主要作用,热端温度随气体压强变化不显著,这时应采用真空电离计来测量在高
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