Mjerenje vakuuma. Apsolutni vakuum i atmosferski pritisak

Prema definiciji u fizici, koncept "vakuma" podrazumijeva odsustvo bilo koje supstance i elemenata materije u određenom prostoru, u ovom slučaju govore o apsolutnom vakuumu. Djelomični vakuum se opaža kada je gustina supstance u ovo mjesto prostora je malo. Pogledajmo pobliže ovo pitanje u članku.

Vakum i pritisak

U definiciji pojma "apsolutni vakuum" govorimo o gustini materije. Iz fizike je poznato da ako se uzme u obzir gasovita materija, tada je gustina supstance direktno proporcionalna pritisku. Zauzvrat, kada govore o delimičnom vakuumu, oni misle da je gustina čestica materije u datom prostoru manja od one za vazduh pri normalnom atmosferskom pritisku. Zato je pitanje vakuuma pitanje pritiska u sistemu koji se razmatra.

U fizici, apsolutni pritisak je veličina jednaka omjeru sile (mjerene u njutnima (N)), koja se primjenjuje okomito na određenu površinu, prema površini ove površine (mjereno u kvadratnim metrima), tj. , P = F/S, gdje je P pritisak, F - sila, S - površina. Mjerna jedinica za pritisak je paskal (Pa), ispada da je 1 [Pa] = 1 [N]/ 1 [m 2 ].

Djelomični vakuum

Eksperimentalno je utvrđeno da pri temperaturi od 20 °C na površini Zemlje na nivou mora, atmosferski pritisak iznosi 101,325 Pa. Ovaj pritisak se naziva 1. atmosfera (atm.). Otprilike možemo reći da je pritisak 1 atm. iznosi 0,1 MPa. Odgovarajući na pitanje koliko činimo odgovarajuću proporciju i nalazimo da je 1 Pa = 10 -5 atm. Parcijalni vakuum odgovara svakom pritisku u prostoru koji se razmatra koji je manji od 1 atm.

Ako navedene brojke prevedemo sa jezika pritiska na jezik broja čestica, onda treba reći da na 1 atm. 1 m 3 vazduha sadrži približno 10 25 molekula. Svako smanjenje ove vrijednosti dovodi do stvaranja parcijalnog vakuuma.

Mjerenje vakuuma

Najčešći instrument za mjerenje malih vakuuma je konvencionalni barometar, koji se može koristiti samo u slučajevima kada je tlak plina nekoliko desetina posto atmosferskog tlaka.

Za mjerenje viših vrijednosti vakuuma koristite električni dijagram sa Wheatstone mostom. Ideja upotrebe je mjerenje otpora senzorskog elementa, koji ovisi o koncentraciji molekula u plinu koji ga okružuje. Što je ova koncentracija veća, to više molekula pogađa osjetljivi element, a što im više topline prenosi, to dovodi do smanjenja temperature elementa, što utiče na njegovu električni otpor. Ovaj uređaj može mjeriti vakuum pritiscima od 0,001 atm.

Istorijska pozadina

Zanimljivo je napomenuti da su koncept "apsolutnog vakuuma" u potpunosti odbacili poznati starogrčki filozofi, poput Aristotela. Štaviše, postojanje atmosferski pritisak nije bilo poznato sve do početka 17. veka. Tek s dolaskom modernog doba počeli su eksperimenti s cijevima punjenim vodom i živom, što je pokazalo da zemljina atmosfera vrši pritisak na sva okolna tijela. Konkretno, 1648. godine Blaise Pascal je bio u stanju izmjeriti pritisak na visini od 1000 metara nadmorske visine koristeći živin barometar. Pokazalo se da je izmjerena vrijednost mnogo niža nego na nivou mora, čime je naučnik dokazao postojanje atmosferskog pritiska.

Prvi eksperiment koji je jasno pokazao moć atmosferskog pritiska i koji je takođe naglasio koncept vakuuma izveden je u Nemačkoj 1654. godine, danas poznat kao eksperiment Magdeburških sfera. Godine 1654. njemački fizičar Otto von Guericke uspio je čvrsto povezati dvije metalne hemisfere promjera samo 30 cm, a zatim ispumpati zrak iz nastale strukture, stvarajući tako djelomični vakuum. Istorija govori da dvije zaprege od po 8 konja, koje su vukle u suprotnim smjerovima, nisu bile u stanju razdvojiti ove sfere.

Apsolutni vakuum: postoji li?

Drugim riječima, postoji li mjesto u svemiru koje ne sadrži nikakvu materiju? Moderne tehnologije omogućavaju stvaranje vakuuma od 10 -10 Pa ili čak manje, međutim, ovaj apsolutni pritisak ne znači da u sistemu koji se razmatra ne postoje čestice materije.

Okrenimo se sada najpraznijem prostoru u Univerzumu - to otvoreni prostor. Koliki je pritisak u vakuumu svemira? Pritisak u svemiru oko Zemlje je 10 -8 Pa, pri tom pritisku ima oko 2 miliona molekula u zapremini od 1 cm 3. Ako govorimo o međugalaktičkom prostoru, onda, prema naučnicima, čak iu njemu postoji najmanje 1 atom u zapremini od 1 cm 3. Štaviše, naš svemir je prožet elektromagnetnim zračenjem, čiji su nosioci fotoni. Elektromagnetno zračenje- to je energija koja se može pretvoriti u odgovarajuću masu prema poznatoj Einsteinovoj formuli (E = m*c 2), odnosno energija je, zajedno sa materijom, stanje materije. Iz ovoga slijedi da apsolutni vakuum ne postoji u nama poznatom Univerzumu.

A pod tehnologijom podrazumijevaju medij u kojem se plin nalazi pod pritiskom manjim od atmosferskog. Šta su razrijeđeni plinovi, kada su prvi put otkriveni?

Stranice istorije

Ideja praznine bila je predmet kontroverzi tokom mnogih vekova. Drevni grčki i rimski filozofi pokušali su analizirati razrijeđene plinove. Demokrit, Lukrecije i njihovi učenici su vjerovali: da nema slobodnog prostora između atoma, njihovo kretanje bi bilo nemoguće.

Aristotel i njegovi sljedbenici opovrgnuli su ovaj koncept, po njihovom mišljenju, u prirodi ne bi trebalo biti „praznine“. U srednjem vijeku u Evropi ideja "straha od praznine" postala je prioritet i korištena je u vjerske svrhe.

Mehanika Ancient Greece pri izradi tehničkih uređaja bazirali su se na Primjerice, pumpe za vodu, koje su funkcionirale stvaranjem vakuuma iznad klipa, pojavile su se u vrijeme Aristotela.

Razrijeđeno stanje plina, zraka, postalo je osnova za proizvodnju klipnih vakuum pumpi, koje se danas široko koriste u tehnologiji.

Njihov prototip bio je čuveni klipni špric Herona Aleksandrijskog, koji je on stvorio da izvuče gnoj.

Sredinom sedamnaestog stoljeća razvijena je prva vakuumska komora, a šest godina kasnije njemački naučnik Otto von Guerick uspio je izumiti prvu vakuum pumpu.

Ovaj klipni cilindar lako je pumpao vazduh iz zatvorenog kontejnera i tamo stvarao vakuum. To je omogućilo proučavanje glavnih karakteristika nove države i analizu njenih operativnih svojstava.

Tehnički vakuum

U praksi se razrijeđeno stanje plina i zraka naziva tehnički vakuum. U velikim količinama nemoguće je dobiti takvo idealno stanje, jer na određenoj temperaturi materijali imaju gustinu zasićene pare koja nije nula.

Razlog nemogućnosti postizanja idealnog vakuuma je i prenošenje gasovitih materija staklenim i metalnim zidovima posuda.

Sasvim je moguće dobiti razrijeđene plinove u malim količinama. Kao mjera razrjeđivanja koristi se dužina nesmetanog puta molekula plina koji se nasumično sudaraju, kao i linearna veličina korištene posude.

Između pumpe visokog vakuuma i atmosferski vazduh ugrađen je predevakumski depozit koji stvara preliminarni vakuum. U slučaju naknadnog smanjenja tlaka u komori, uočava se povećanje dužine puta čestica plinovite tvari.

Na nivoima pritiska od 10 -9 Pa, stvara se ultra-visoki vakuum. Upravo ovi razrijeđeni plinovi se koriste za izvođenje eksperimenata pomoću skenirajućeg tunelskog mikroskopa.

Moguće je dobiti takvo stanje u porama nekih kristala čak i pri atmosferskom pritisku, jer je prečnik pora mnogo manji od dužine slobodne putanje čestica.

Uređaji na bazi vakuuma

Razrijeđeno stanje plina aktivno se koristi u uređajima koji se nazivaju vakuum pumpe. Getteri se koriste za apsorpciju gasova i postizanje određenog stepena vakuuma. Vakuumska tehnologija uključuje i brojne uređaje koji su neophodni za kontrolu i mjerenje ovog stanja, kao i za kontrolu objekata, izvođenje različitih tehnološkim procesima. Najteže tehnički uređaji, koje koriste razrijeđene plinove, su visokovakuumske pumpe. Na primjer, difuzijski uređaji rade na temelju kretanja molekula zaostalih plinova pod utjecajem protoka radnog plina. Čak iu slučaju savršenog vakuuma, postoji zanemarivo toplotno zračenje kada se postigne konačna temperatura. Ovo objašnjava osnovna svojstva razrijeđenih plinova, na primjer, nastanak termičke ravnoteže nakon određenog vremenskog intervala između tijela i zidova vakuumske komore.

Razrijeđeni jednoatomni plin je odličan toplinski izolator. U njemu se prijenos toplinske energije vrši samo zračenjem, a ne opaža se konvekcija. Ovo svojstvo se koristi u (termozama), koje se sastoje od dvije posude, između kojih postoji vakuum.

Vakuum pronađen široka primena i u radio cijevima, na primjer, magnetroni slikovnih cijevi, mikrovalne pećnice.

Fizički vakuum

U kvantnoj fizici ovo stanje znači osnovno (najniže) energetsko stanje kvantnog polja, koje karakteriziraju nulte vrijednosti

U ovom stanju, jednoatomni gas nije potpuno prazan. Prema kvantna teorija, u fizičkom vakuumu, virtuelne čestice se sistematski pojavljuju i nestaju, što uzrokuje nulte oscilacije polja.

Teoretski, istovremeno može postojati nekoliko različitih vakuuma, koji se međusobno razlikuju po gustoći energije, kao i drugim fizičke karakteristike. Ova ideja je postala osnova teorije inflacije Velikog praska.

Lažni vakuum

Odnosi se na stanje polja u kvantnoj teoriji koje nije stanje minimalne energije. Stabilan je tokom određenog vremenskog perioda. Postoji mogućnost "tuneliranja" lažnog stanja u pravi vakuum kada se dostignu tražene vrijednosti osnovnih fizičkih veličina.

Vanjski prostor

Kada se raspravlja o tome šta znači razrijeđeni plin, potrebno je zadržati se na konceptu „kosmičkog vakuuma“. Može se smatrati bliskim fizičkom vakuumu, ali postoji u međuzvjezdanom prostoru. Planete ih imaju prirodni sateliti, mnoge zvijezde imaju određene gravitacijske sile koje drže njihovu atmosferu na određenoj udaljenosti. Kako se udaljavate od površine zvjezdanog objekta, mijenja se gustina razrijeđenog plina.

Na primjer, postoji Karmanova linija, koja se razmatra opšta definicija sa svemirskim granicama planete. Iza njega se izotropni pritisak gasa naglo smanjuje u odnosu na sunčevo zračenje i dinamički pritisak solarnog vjetra, pa je teško protumačiti pritisak razrijeđenog plina.

U svemiru postoji mnogo fotona i reliktnih neutrina koje je teško otkriti.

Measurement Features

Stepen vakuuma se obično određuje količinom supstance koja je preostala u sistemu. Glavna karakteristika mjerenja ovog stanja je apsolutni pritisak, uz to se uzima u obzir hemijski sastav gas, njegova temperatura.

Važan parametar za vakuum je prosječna udaljenost plinova preostalih u sistemu. Postoji podjela vakuuma na određene opsege u skladu sa tehnologijom koja je neophodna za izvođenje mjerenja: lažno, tehničko, fizičko.

Vakuumsko oblikovanje

Ovo je proizvodnja proizvoda od savremenih termoplastičnih materijala u toplom obliku upotrebom nizak pritisak djelovanje zraka ili vakuuma.

Vakuumsko oblikovanje smatra se metodom izvlačenja, zbog čega se plastični lim koji se nalazi iznad matrice zagrijava do određene temperaturne vrijednosti. Zatim, list ponavlja oblik matrice, što se objašnjava stvaranjem vakuuma između njega i plastike.

Elektrovakuum uređaji

To su uređaji koji su dizajnirani da stvaraju, poboljšavaju i transformišu elektromagnetna energija. U takvom uređaju se zrak uklanja iz radnog prostora i radi zaštite od okruženje koristi se nepropusna školjka. Primjeri takvih uređaja su elektronički vakuum uređaji, gdje se elektroni oslobađaju u vakuumu. Žarulje sa žarnom niti mogu se smatrati električnim vakuum uređajima.

Gasovi pri niskim pritiscima

Gas se naziva razrijeđenim ako je njegova gustoća neznatna, a dužina puta molekula uporediva s veličinom posude u kojoj se nalazi plin. U takvom stanju uočava se smanjenje broja elektrona proporcionalno gustoći plina.

U slučaju jako razrijeđenog plina, unutarnjeg trenja praktično nema. Umjesto toga, pojavljuje se vanjsko trenje pokretnog plina o zidove, što se objašnjava promjenom veličine impulsa molekula kada se sudare sa posudom. IN slična situacija postoji direktna proporcionalnost između brzine kretanja čestica i gustine gasa.

U slučaju niskog vakuuma uočavaju se česti sudari između čestica gasa u punoj zapremini, koji su praćeni stabilnom razmenom toplotne energije. Ovo objašnjava fenomen transfera (difuzija, toplotna provodljivost) i aktivno se koristi u modernoj tehnologiji.

Dobivanje razrijeđenih plinova

Naučno proučavanje i razvoj vakuumskih instrumenata počelo je sredinom sedamnaestog veka. Godine 1643. Italijan Torricelli uspio je odrediti vrijednost atmosferskog tlaka, a nakon izuma O. Guerickea mehaničke klipne pumpe sa posebnim vodenim zatvaračem, ukazala se prava prilika da se provedu brojna istraživanja karakteristika razrijeđenog plina. Istovremeno, istraživane su mogućnosti djelovanja vakuuma na živa bića. Eksperimenti izvedeni u vakuumskim uslovima sa električnim pražnjenjem doprineli su otkriću negativnog elektrona, rendgenskog zračenja.

Zahvaljujući toplotnoizolacijskoj sposobnosti vakuuma, postalo je moguće objasniti metode prijenosa topline i koristiti teorijske informacije za razvoj moderne kriogene tehnologije.

Vakuumska aplikacija

Godine 1873. izumljen je prvi električni vakuum uređaj. Bila je to lampa sa žarnom niti koju je kreirao ruski fizičar Lodygin. Od tog vremena se proširila praktična upotreba vakuumske tehnologije, pojavile su se nove metode za dobivanje i proučavanje ovog stanja.

U kratkom vremenskom periodu nastali su razne vrste vakum pumpe:

• rotacijski;
• kriosorpcija;
• molekularni;
• difuzija.

Početkom dvadesetog veka, akademik Lebedev je uspeo da se poboljša naučne osnove vakumska industrija. Sve do sredine prošlog stoljeća naučnici nisu priznavali mogućnost postizanja tlaka manjeg od 10-6 Pa.

Trenutno su napravljeni kao potpuno metalni kako bi se izbjeglo curenje. Vakumske kriogene pumpe se koriste ne samo u istraživačkim laboratorijama, već iu raznim poljima industrija.

Na primjer, nakon razvoja posebnih pumpnih sredstava koja ne zagađuju objekt koji se koristi, pojavile su se nove perspektive za korištenje vakuumske tehnologije. U hemiji se takvi sistemi aktivno koriste za kvalitativne i kvantitativna analiza svojstva razdvajanja mješavine na komponente, analizirajući brzinu različitih procesa.

Koncept vakuuma se mijenjao tokom vremena. Na samom početku razvoja nauka o okolnom svetu, vakuum je jednostavno značio prazninu, čak se i sam vakuum prevodi sa latinskog kao „praznina“. To je bila više filozofska kategorija, budući da naučnici nisu imali priliku da proučavaju bilo šta što bi bilo u skladu sa idejama o vakuumu. Savremeni vakuum naziva stanjem kvantnog polja u kojem je njegovo energetsko stanje na najnižem nivou. Ovo stanje karakteriše prvenstveno činjenica da u njemu nema pravih čestica. Tehnički vakuum je vrlo razrijeđen plin. Ovo nije baš idealan vakuum, ali činjenica je da je u ovim uslovima nedostižan. Na kraju krajeva, svi materijali propuštaju plinove u mikroskopskim volumenima, tako da će svaki vakuum sadržan u posudi imati smetnje. Stepen njenog razrjeđivanja se mjeri pomoću parametra λ (lambda), koji označava dužinu slobodne čestice. Ovo je udaljenost koju može prijeći prije sudara s preprekom u obliku druge čestice ili stijenkom kontejnera. Visoki vakuum je onaj u kojem molekuli plina mogu prijeći s jednog zida na drugi, a da se gotovo nikada ne sudaraju. Nizak vakuum karakterizira prilično veliki broj sudara, ali čak i ako pretpostavimo da je moguće postići idealan vakuum, ipak ne treba zaboraviti na takav faktor kao što je toplinsko zračenje - takozvani plin fotona. Zahvaljujući ovoj pojavi, temperatura tijela smještenog u vakuumu bi nakon nekog vremena postala ista kao i zidovi posude. To će se dogoditi upravo zbog kretanja toplotnih fotona. Fizički vakuum je prostor u kojem uopće nema mase. Ali, prema kvantnoj teoriji polja, čak se i u ovom stanju ne može nazvati apsolutnom prazninom, jer se virtualne čestice kontinuirano formiraju u fizičkom vakuumu. Nazivaju se i oscilacije polja nulte tačke. Postoje različite teorije polja, prema kojima svojstva prostora bez mase mogu neznatno varirati. Pretpostavlja se da vakuum može biti jedan od nekoliko tipova, od kojih svaki ima svoje karakteristike. Neka svojstva kvantnog polja koja su predvideli teoretski naučnici već su eksperimentalno potvrđena. Među hipotezama ima i onih koje mogu potvrditi ili opovrgnuti fundamentalne teorije fizike. Na primjer, pretpostavka da je moguće tzv. lažni vakuum (razna vakuumska stanja) vrlo je važna za potvrdu Boljšoj teorije inflacije.

Pritisci izmjereni na skali koja koristi nulu kao referentnu tačku nazivaju se apsolutni pritisci. Atmosferski pritisak na površini Zemlje varira, ali je približno 10 5 Pa (1000 mbar). Ovo je apsolutni pritisak jer se izražava kao nula.

Senzor dizajniran za mjerenje tlaka izraženog u odnosu na atmosferski tlak, i tako pokazuje nulu kada njegov mjerni priključak sadrži molekule na atmosferskom tlaku. Merenja koja vrši takav senzor poznata su kao merenja relativnog pritiska. Dakle, razlika između vrijednosti apsolutnog tlaka i vrijednosti viška tlaka je promjenjiva atmosferska vrijednost:

Apsolutno = višak + atmosferski.

Da biste izbjegli ozbiljne greške, važno je znati koji način mjerenja vakuuma se koristi: apsolutni ili relativni. Imajte na umu da referentna linija za mjerenja režima kalibracije nije ravna, što ilustruje varijabilnost atmosferskog pritiska.

Jedinice za vakuum i pritisak

Historijske jedinice

Nažalost, postoji niz jedinica za mjerenje vakuuma i tlaka, što stvara značajne izazove i za početnike i za iskusne tehničare. Na sreću, život postaje lakši jer zastarjele i loše definirane jedinice nestaju u korist SI jedinice mjerenja.

Mnoge starije jedinice imaju očigledne praktične i istorijskog porekla; Na primjer, inč vode je bila jedinica koja se koristila kada je pritisak mjeren stubom vode čija je gornja površina bila vidljiva na skali inča. U početku je tačnost mjerenja vakuuma potrebna za takve sisteme odgovarala prilično grubim metodama mjerenja vakuuma i nikoga nije zanimalo da li je voda topla ili hladna. Kako su tehnološke potrebe rasle, pojavila se potreba za konzistentnijim mjerenjima. Matematički modeli mjerni instrumenti su značajno poboljšani. Na primjer, u jednom tradicionalnom dizajnu za mjerenje vakuuma živinog barometra, usvojene su diferencijalne dekompozicije između žive u stupcu, stakla od kojeg je stupac napravljen, mesinga od kojeg je napravljena vaga i čeličnog rezervoara. Međutim, čak i sa rafiniranim definicijama i povezanom matematikom, mnoge tradicionalne jedinice ne mogu se koristiti u modernoj tehnologiji.

SI jedinica

Merna jedinica SI je paskal, skraćeno Pa, naziv za pritisak od jednog njutna po kvadratni metar(N/m 2). Dok je jedan kvadratni metar lako vizualizirati, jedan njutn je teže, ali je približno jednaka sili nadolje koja djeluje na ruku kada se drži mala jabuka (ako držač stoji na površini zemlje!) svakodnevni život, jedan paskal je vrlo mala vrijednost, s atmosferskim pritiskom otprilike 100.000 Pa. Na dnu posude napunjene vodom, pritisak zbog dubine vode će biti približno 1000 Pa veći nego na površini vode. Kako bi se izbjegla upotreba nezgrapnih brojeva, višekratnicima od 103 i 0,001 se dodjeljuju prefiksi, tako da se, na primjer, 100.000 Pa (105 Pa) može napisati kao 100 kPa ili 0,1 MPa.

Vakumske jedinice i konverzija

Odnosi između paskala i nekoliko drugih jedinica prikazani su u tabeli, ali imajte na umu da sve nisu niti mogu biti precizno izražene. Superscript rimski brojevi u tabeli odnose se na bilješke koje slijede.

Metode mjerenja vakuuma

Opće odredbe

Vakumski mjerni instrumenti koriste niz vrlo različitih principa. Neki od njih su fundamentalne prirode, na primjer, mjerenje visine stupca tekućine s poznatom gustinom. Jedan takav primjer je živin barometar, u kojem se atmosferski tlak može izbalansirati pomoću stupca žive. Proširenje ove ideje za upotrebu u visoki pritisci- korištenje metalnih utega koji djeluju iznad poznato područje da se tečnosti obezbedi sila, a ne težina.

Vakuum se često može odrediti mjerenjem mehaničke deformacije senzorskog elementa, koji se podvrgava elastičnoj deformaciji kada se promijeni razlika tlaka na njegovim površinama. Mehanički otklon se može realizirati i percipirati na više načina. Jedna od najčešćih vrsta pokretnih mehaničkih elemenata je elastična dijafragma. Drugi primjer je Bourdon cijev, gdje unutrašnji pritisak tjera zakrivljenu cijev da se ispravi.

Takva mehanička deformacija može se otkriti na nekoliko načina: nizom mehaničkih krakova za direktan prikaz deformacije, mjerenjem otpora u mjeraču naprezanja, mjerenjem kapacitivnosti, promjenom frekvencije rezonantnog elementa kada je rastegnut ili komprimiran, itd.

Kada je vakuum dubok i stoga je mehanički otklon premali za mjerenje vakuuma, koriste se indirektna sredstva koja mjere fizička svojstva, kao što su toplotna provodljivost, jonizacija ili viskozitet, koji zavise od gustine broja molekula.

Kolona tečnosti

Jedna od najranijih metoda mjerenja vakuuma, a i danas jedna od najpreciznijih, jeste da je stup tečnosti u stanju da potisne tečnost iz cevi.

Manometar prikazan na slici je u suštini U-cijev ispunjena tekućinom gdje vertikalno odvajanje površina tekućine omogućava mjerenje razlike tlaka. Na nivou nulte tačke d; pritisak L obezbeđuje tečnost iznad njega, plus pritisak p 2 na vrhu cevi. U ravnoteži, stub se održava uzlaznim pritiskom p 1, koji se prenosi kroz tečnost sa drugog ekstremiteta.

Pritisak p 1 na donjoj površini tečnosti je definisan kao:

Gdje je h vertikalna visina stupca tečnosti iznad nivoa nulte tačke, P je gustina tečnosti, g je lokalna vrednost ubrzanja gravitacije. Ako je gornja cijev spojena na atmosferu (p2 = atmosferski tlak), tada je p1 kalibracijski tlak; Ako je gornja cijev evakuirana (tj. P2 = nula), tada je P1 apsolutni tlak i instrument postaje barometar.

Živa, voda i ulje se koriste u različitim dizajnima manometara, iako se živa uvijek koristi u barometrijske svrhe; Njegova gustina je više od 13 puta veća od vode ili ulja i stoga zahtijeva mnogo kraći stupac. Oko 0,75 m pri mjerenju atmosferskog pritiska. Gustina žive je takođe mnogo stabilnija od gustoće drugih tečnosti.

Mjerenje vakuuma deformacijom elastičnog elementa.

Kada se pritisak primeni na deformirajući element, on će se pomeriti. Da bi se napravio senzor pritiska, pomak mora biti dovoljno mali da ostane unutar granice elastičnosti materijala, ali dovoljno velik da se detektuje sa dovoljnom rezolucijom. Stoga se pri nižim pritiscima koriste tanke, fleksibilne komponente, a pri višim pritiscima tvrđe. Postoji nekoliko metoda koje se koriste za određivanje stepena odstupanja. One se kreću od mehaničkog ojačanja, koje proizvodi vidljivo skretanje pokazivača, do elektronskih metoda detekcije.

Alati navedeni u nastavku ne uključuju sve tipove, već one koji se obično koriste u industriji.

Dijafragme

Membrana pričvršćena na krutu bazu bit će podložna sili ako postoji razlika u tlaku između svake strane. Lakše je izraditi okrugle dijafragme, ali su mogući i drugi oblici. Razlika će uzrokovati otklon dijafragme s maksimalnim otklonom u sredini, a ovaj otklon se može mjeriti pomoću raznih mehaničkih i elektronskih senzora. Kako se centar deformiše, površina dijafragme je također napregnuta i može pokazati, s jedne strane, tlačna naprezanja oko vanjskog ruba i vlačna naprezanja oko središnjeg dijela dijafragme. Ova konfiguracija naprezanja može se otkriti pomoću mjerača naprezanja, a vakuum se može izračunati iz ovih informacija.

Kapsule. U suštini, kapsule su napravljene od para dijafragmi povezanih na svojim vanjskim rubovima. Jedan će imati centralni spoj kroz koji se vrši pritisak, a pomeranje centra druge dijafragme u odnosu na prvu određuje neka vrsta senzora. Jasno je da bi djelovanje dvije dijafragme koje djeluju u nizu trebalo udvostručiti otklon.

Bellows. Ne postoji jasna razlika između mijeha i kapsula, ali mehovi obično imaju nekoliko sekcija naslaganih u nizu, i općenito su mehovi mali u odnosu na prečnik. Mjehovi se mogu valjati iz cijevi, formirati pod pritiskom ili formirati od zavarenih elemenata.

Bourdon cijev

Postoje razni dizajni, Ali tipična forma je zatvorena cijev ovalnog presjeka, zakrivljena duž svoje dužine. Kada je cijev pod pritiskom, ona teži da se ispravi, a senzor detektuje ovo kretanje. Mogu biti dizajnirani za rad u širokom rasponu, kao i u mjernim, apsolutnim i diferencijalnim modovima. Dostupni su obični "C", spiralni i spiralni tipovi. Elektronska detekcija pomeranja kraja se obično koristi kod kvarcnih spiralnih uređaja.

Mjerenje vakuuma mjerenjem toplinske provodljivosti

Za mjerenje vakuuma može se koristiti prijenos energije iz vruće žice kroz plin. Toplota se u plinu prenosi molekularnim sudarima sa žicom, tj. toplotne provodljivosti, a brzina prenosa toplote zavisi od toplotne provodljivosti gasa. Dakle, tačnost ovih instrumenata u velikoj meri zavisi od sastava gasa. U području dubokog vakuuma, gdje postoji molekularni protok (Knudsenov broj veći od 3, gdje je Knudsenov broj = srednji slobodni put / karakteristična veličina sistema), prijenos topline je proporcionalan vakuumu. Kako se broj molekula povećava, plin postaje gušći i molekuli se sve češće sudaraju. U ovoj takozvanoj regiji prelaznog toka (ili kliznog toka, 0,01<число Кнудсена <3) простая пропорция теплоотдачи к давлению не действительна. При еще более высоких давлениях (число Кнудсена <0,01) теплопроводность практически не зависит от него. Здесь конвекционное охлаждение горячих поверхностей обычно является основным источником теплообмена.

Pirani vakum mjerači

Gubitak topline iz žice (obično 5 do 20 µm) može se odrediti indirektno korištenjem Wheatstoneovog mosta, koji zagrijava žicu i mjeri njen otpor, a time i temperaturu. Postoje dvije glavne vrste grijanih elemenata. Tradicionalna i mnogo češća konfiguracija sastoji se od tanke metalne žice obješene u mjernu glavu. Druga konfiguracija je mikromašinska struktura, obično napravljena od silicijuma obloženog tankim metalnim filmom kao što je platina. U tipičnoj konfiguraciji, tanka metalna žica je obješena s najmanje jedne strane električno izolirane u mjernoj glavi i u kontaktu s plinom. Za žicu se mogu koristiti volfram, nikl, iridijum ili platina. Žica se električno grije, a prijenos topline se mjeri elektronski. Postoje tri općenite operativne metode: metoda konstantne temperature, most konstantnog napona i most konstantne struje. Sve ove metode indirektno mjere temperaturu žice prema njenom otporu. Glavni nedostatak korištenja Pirani senzora je njihova jaka ovisnost o sastavu plina i njihova ograničena preciznost. Ponovljivost Pirani senzora je općenito prilično dobra sve dok ne dođe do ozbiljne kontaminacije. Opseg mjerenja vakuuma Pirani senzora je od približno 10-2 Pa do 105 Pa, ali najbolje performanse se obično postižu između približno 0,1 Pa i 1000 Pa.

Jonizacijski senzori za mjerenje vakuuma

Kada je vakuum u sistemu ispod približno 0,1 Pa (10 -3 mbar), direktne metode mjerenja vakuuma pomoću sredstava kao što su otklon dijafragme ili mjerenje svojstava plina kao što je toplinska provodljivost više se ne mogu primijeniti pribjegavajte metodama, koje u osnovi broje broj prisutnih molekula plina, odnosno mjere gustoću, a ne vakuum. Iz kinetičke teorije gasova, za dati gas sa poznatom temperaturom T, pritisak p je direktno povezan sa gustinom broja n preko jednačine (u granici idealnog gasa):

Gdje je c konstanta. Jedna od najpogodnijih metoda za mjerenje gustoće broja je korištenje neke tehnike ioniziranja molekula plina i zatim prikupljanje jona. Većina praktičnih vakuum senzora koristi umjerenu energiju elektrona (50 eV do 150 eV) za postizanje ionizacije. Rezultirajuća jonska struja je direktno povezana s vakuumom i stoga se može izvršiti kalibracija. Posljednja izjava vrijedi samo za ograničeni raspon tlaka, koji će odrediti radni raspon uređaja. Gornja granica pritiska će biti dostignuta kada je gustina gasa dovoljno velika da stvaranje jona ima značajnu verovatnoću interakcije sa neutralnim molekulima gasa ili slobodnim elektronima u gasu, tako da je sam ion neutralizovan i ne može doći do kolektor, za praktične svrhe u tipičnim laboratorijskim sistemima ili u industrijskim instalacijama ovo se može uzeti kao 0,1 Pa (10 -3 mbar).

Donja granica vakuuma mjerača će se postići kada električna struja curenja u mjernoj glavi ili mjernoj elektronici postane uporediva s ionskom strujom koja se mjeri, ili kada drugi fizički efekat (kao što je utjecaj stranih rendgenskih zraka) uzrokuje struje da se pojavi ova veličina. Za većinu senzora opisanih u ovom priručniku, ove granice su ispod 10 -6 Pa (10 -8 mbar).

Osnovna jednačina kalibracije za jonizacionu kalibraciju je:

Ic - jonska struja K - konstanta koja sadrži vjerovatnoću jonizacije molekula gasa na bilo koji način i vjerovatnoću prikupljanja rezultujućeg jona n - gustina broja molekula gasa Ie - struja jonizujućeg elektrona.

Vjerojatnost ionizacije molekule plina ovisit će o mnogim faktorima, pa će senzor za jonizaciju imati različite vrijednosti osjetljivosti za različite vrste plina. Većina praktičnih vakuum senzora koristi elektronsku stimulaciju za ioniziranje molekula plina, a to se može postići jednostavnim "kuhanjem" elektrona iz filamenta vruće žice i privlačenjem ih u neku vrstu elektronskog kolektora. Joni se tada privlače u kolektor. Nažalost, vjerovatnoća da će elektron jonizirati molekul plina je toliko mala u jednom prolazu u mjeraču normalne veličine da je potrebno povećati duljinu putanje elektrona i time povećati vjerovatnoću da bilo koji elektron stvori ion.

Dvije metode se široko koriste. U ionizacijskom senzoru kalibriranom vrućom katodom, elektroni proizvedeni u vrućoj niti privlače se u mrežu napravljenu od vrlo fine žice i sa pozitivnim električnim potencijalom. Budući da je mreža otvorena, postoji velika šansa da će elektron proći kroz mrežu, a da ne udari u žicu. Ako je mreža okružena ekranom s negativnim električnim potencijalom, elektron će se reflektirati od ovog ekrana i biti će privučen natrag u mrežu. Ovaj proces se može dogoditi mnogo puta prije nego što elektron konačno udari u mrežu. Kao rezultat toga, vrlo duge putanje elektrona mogu se postići u malom volumenu. Nasuprot tome, joni se privlače direktno u kolektor.

Jonizacijska lampa s hladnom katodom ne koristi vruću niti i koristi kombinaciju električnih i magnetnih polja. Svaki elektron će se okretati oko magnetnih linija sile prije nego što se na kraju prikupi na pozitivno nabijenoj anodi. Zapravo, dužina puta će biti toliko duga, a vjerovatnoća jonizacije tolika da će se nakon pokretanja stvoriti samoodrživo plinsko pražnjenje, pod uvjetom da se joni brzo izbace iz područja pražnjenja pomoću kolektora jona.

Odabir uređaja za mjerenje vakuuma

Prije odabira vakuum instrumenta i identifikacije odgovarajućeg dobavljača, važno je uspostaviti kriterije odabira. Oni će uključivati ​​mnoge faktore i ovaj odjeljak je namijenjen da pomogne potencijalnom korisniku da napravi izbor.

Dubina mjerenja vakuuma

Karakteristike okoline

Eksterno okruženje

Fizičke karakteristike uređaja

Vrsta upotrebe

Sigurnost

Instalacija i održavanje

Konverzija signala

izraz " vakuum“, kao fizički fenomen, je medij u kojem je tlak plina ispod atmosferskog.

Apsolutni pritisak služi kao kvantitativna karakteristika vakuuma. Glavna jedinica mjerenja tlaka u međunarodnom sistemu (SI) je Paskal (1 Pa = 1N/m2). Međutim, u praksi postoje i druge mjerne jedinice, kao što su milibari (1 mbar = 100 Pa) i tores ili milimetri žive (1 mmHg = 133,322 Pa). Ove jedinice nisu SI jedinice, ali su prihvatljive za mjerenje krvnog pritiska.

Nivoi vakuuma

U zavisnosti od toga koliko je pritisak ispod atmosferskog (101325 Pa), mogu se uočiti različite pojave, usled kojih se za dobijanje i merenje takvog pritiska mogu koristiti različita sredstva. Danas postoji nekoliko nivoa vakuuma, od kojih svaki ima svoju oznaku u skladu sa intervalima pritiska ispod atmosferskog:

• Niski vakuum (LV): od 10 5 do 10 2 Pa,
• Srednji vakuum (SV): od 10 2 do 10 -1 Pa,
• Visoki vakuum (HV): od 10 -1 do 10 -5 Pa,
• Ultra-visoki vakuum (UHV): od 10 -5 do 10 -9 Pa,
• Ekstremno visok vakuum (EHV):

Ovi vakuumski nivoi su podijeljeni u tri proizvodne grupe ovisno o području primjene.

- Nizak vakuum: Uglavnom se koristi tamo gdje je potrebno ispumpati velike količine zraka. Za postizanje niskog vakuuma koriste se elektromehaničke pumpe lopatičnog tipa, centrifugalne, bočne kanalne pumpe, generatori protoka itd.

Nizak vakuum se koristi, na primjer, u fabrikama sitoštampe.

- Industrijski vakuum: Termin “industrijski vakuum” odgovara nivou vakuuma od -20 do -99 kPa. Ovaj raspon se koristi u većini aplikacija. Industrijski vakum se dobija pomoću rotacionih, tečnih prstenastih, klipnih pumpi i lopatičnih vakuum generatora prema Venturi principu. Industrijske primjene vakuuma uključuju hvatanje usisne čaše, termoformiranje, vakuumsko stezanje, vakuumsko pakovanje, itd.

- Tehnički vakuum: odgovara nivou vakuuma od -99 kPa. Ovaj nivo vakuuma se postiže korišćenjem dvostepenih rotacionih pumpi, ekscentričnih rotacionih pumpi, Roots vakuum pumpi, turbomolekularnih pumpi, difuzionih pumpi, kriogenih pumpi, itd.

Ovaj nivo vakuuma se uglavnom koristi za liofilizaciju, metalizaciju i termičku obradu. U nauci se tehnički vakuum koristi kao simulacija svemira.

Najveća vrijednost vakuuma na zemlji znatno je manja od vrijednosti apsolutnog vakuuma, što ostaje čisto teoretska vrijednost. Zapravo, čak iu svemiru, uprkos odsustvu atmosfere, postoji mali broj atoma.

Glavni poticaj za razvoj vakuumske tehnologije došao je iz istraživanja u industrijskoj oblasti. Trenutno postoji veliki broj aplikacija u raznim sektorima. Vakum se koristi u elektro-zračenjima, žaruljama sa žarnom niti, akceleratorima čestica, metalurgiji, hrani i svemiru, kontroli nuklearne fuzije, mikroelektronici, staklu i keramici, nauci, industrijskoj robotici, sistemima za hvatanje usisnih čašica itd.

Primjeri primjene vakuuma u industriji

Višestruki sistemi za usisavanje "OCTOPUS"

Vakumske gumene čašice - opće informacije

Vakumske usisne čaše su nezamjenjiv alat za hvatanje, podizanje i pomicanje predmeta, listova i raznih predmeta koje je teško pomicati konvencionalnim sistemima zbog njihove krhkosti ili rizika od deformacije.

Kada se pravilno koriste, gumeni čepovi pružaju praktičan, ekonomičan i siguran rad, što je temeljni princip za idealnu implementaciju projekata automatizacije u proizvodnji.

Dugogodišnja istraživanja i pažnja prema zahtjevima naših kupaca omogućili su nam da proizvedemo usisne čaše koje mogu izdržati visoke i niske temperature, abrazivno habanje, elektrostatička pražnjenja, agresivna okruženja, a također ne ostavljaju mrlje na površini nosivih predmeta. Osim toga, gumeni čepovi su u skladu sa sigurnosnim standardima EEC i standardima hrane FDA, BGA, TSCA.

Sve gumene čašice izrađene su od visokokvalitetnih vakuumsko oblikovanih komponenti i tretirane su antikorozivnim tretmanom za dug vijek trajanja. Bez obzira na konfiguraciju, sve gumene čaše imaju svoje oznake.

Sistem višestrukog hvatanja hobotnice