Tyhjiön mittaus. Absoluuttinen tyhjiö ja ilmanpaine

Fysiikan määritelmän mukaan "tyhjiön" käsite tarkoittaa aineen ja aineelementtien puuttumista tietyssä tilassa, tässä tapauksessa puhutaan absoluuttisesta tyhjiöstä. Osittainen tyhjiö havaitaan, kun aineen tiheys tulee sisään Tämä paikka tilaa on vähän. Tarkastellaan tätä asiaa yksityiskohtaisemmin artikkelissa.

Tyhjiö ja paine

Käsitteen "absoluuttinen tyhjiö" määrittelyssä puhumme aineen tiheydestä. Fysiikasta tiedetään, että jos tarkastellaan kaasumaista ainetta, niin aineen tiheys on suoraan verrannollinen paineeseen. Kun puolestaan puhutaan osittaisesta tyhjiöstä, viitataan siihen, että ainehiukkasten tiheys tietyssä tilassa on pienempi kuin ilman normaalissa ilmanpaineessa. Tästä syystä kysymys tyhjiöstä on painekysymys tarkasteltavassa järjestelmässä.

Fysiikassa absoluuttinen paine on arvo, joka on yhtä suuri kuin voiman suhde (mitattuna newtoneina (N)), joka kohdistetaan kohtisuoraan johonkin pintaan tämän pinnan pinta-alaan (mitattuna neliömetrinä), eli P \ u003d F / S, jossa P on paine, F - voima, S - pinta-ala. Paineen yksikkö on pascal (Pa), käy ilmi, että 1 [Pa] = 1 [N] / 1 [m 2].

Osittainen tyhjiö

Kokeellisesti on todettu, että 20 °C:n lämpötilassa maan pinnalla merenpinnan tasolla ilmanpaine on 101 325 Pa. Tätä painetta kutsutaan 1. atmosfääriksi (atm.). Suunnilleen voidaan sanoa, että paine on 1 atm. vastaa 0,1 MPa. Vastaamalla kysymykseen kuinka paljon muodostamme vastaavan osuuden, saadaan, että 1 Pa = 10 -5 atm. Osatyhjiö vastaa mitä tahansa painetta tarkasteltavassa tilassa, joka on alle 1 atm.

Jos käännämme ilmoitetut luvut paineen kielestä hiukkasten määrän kieleksi, on sanottava, että 1 atm. 1 m 3 ilmaa sisältää noin 10 25 molekyyliä. Kaikki mainitun pieneneminen johtaa osittaisen tyhjiön muodostumiseen.

Tyhjiön mittaus

Yleisin pienen tyhjiön mittauslaite on tavanomainen barometri, jota voidaan käyttää vain, kun kaasun paine on muutamia kymmeniä prosentteja ilmakehän paineesta.

Käytä korkeampien tyhjiöarvojen mittaamiseen kytkentäkaavio Wheatstonen sillan kanssa. Käytön ideana on mitata anturielementin vastus, joka riippuu ympäröivästä kaasun molekyylipitoisuudesta. Mitä suurempi tämä pitoisuus, sitä enemmän molekyylejä osuu anturielementtiin ja mitä enemmän lämpöä se siirtää niihin, tämä johtaa elementin lämpötilan laskuun, mikä vaikuttaa siihen. sähköinen vastus. Tämä laite voi mitata tyhjiötä 0,001 atm:n paineilla.

Historiallinen viittaus

On mielenkiintoista huomata, että kuuluisat antiikin kreikkalaiset filosofit, kuten Aristoteles, hylkäsivät täysin käsitteen "absoluuttinen tyhjiö". Lisäksi olemassaolo ilmakehän paine tunnettiin vasta 1600-luvun alussa. Vasta New Age'n tultua kokeita alettiin tehdä vedellä ja elohopealla täytetyillä putkilla, mikä osoitti, että maan ilmakehä kohdistaa painetta kaikkiin ympäröiviin kehoihin. Erityisesti vuonna 1648 Blaise Pascal pystyi mittaamaan painetta käyttämällä elohopeabarometriä 1000 metrin korkeudessa merenpinnan yläpuolella. Mitattu arvo osoittautui paljon pienemmäksi kuin merenpinnan tasolla, joten tiedemies todisti ilmanpaineen olemassaolon.

Ensimmäinen koe, joka osoitti selvästi ilmanpaineen voiman ja korosti myös tyhjiön käsitettä, suoritettiin Saksassa vuonna 1654, joka tunnetaan nykyään nimellä Magdeburg Sphere Experiment. Vuonna 1654 saksalainen fyysikko Otto von Guericke kykeni yhdistämään tiukasti kaksi metallipuoliskoa, joiden halkaisija oli vain 30 cm, ja pumppaa sitten ilmaa tuloksena olevasta rakenteesta luoden siten osittaisen tyhjiön. Tarina kertoo, että kaksi 8 hevosen joukkuetta, jotka kumpikin vetivät vastakkaisiin suuntiin, eivät pystyneet erottamaan näitä palloja.

Absoluuttinen tyhjiö: onko sitä olemassa?

Toisin sanoen, onko avaruudessa paikkaa, joka ei sisällä mitään ainetta. Nykyaikaiset tekniikat mahdollistavat 10 -10 Pa:n ja vielä pienemmän tyhjön muodostamisen, mutta tämä absoluuttinen paine ei tarkoita, etteikö tarkasteltavassa järjestelmässä olisi ainehiukkasia jäljellä.

Kääntykäämme nyt maailmankaikkeuden tyhjimpään tilaan - kohti avoin tila. Mikä on paine avaruuden tyhjiössä? Paine ulkoavaruudessa Maan ympärillä on 10 -8 Pa, tällä paineella on noin 2 miljoonaa molekyyliä 1 cm 3:n tilavuudessa. Jos puhumme intergalaktisesta avaruudesta, niin tutkijoiden mukaan jopa siinä on vähintään 1 atomi 1 cm 3:n tilavuudessa. Lisäksi universumimme on läpäissyt sähkömagneettisen säteilyn, jonka kantajia ovat fotoneja. Elektromagneettinen säteily on energia, joka voidaan muuntaa vastaavaksi massaksi kuuluisan Einsteinin kaavan mukaan (E = m * c 2), eli energia on aineen ohella aineen tila. Tämä viittaa siihen johtopäätökseen, että meidän tiedossamme ei ole absoluuttista tyhjiötä universumissa.

Ja sen tekniikka tarkoittaa ympäristöä, jossa kaasu on alle ilmakehän paineessa. Mitä ovat harvinaiset kaasut, kun ne löydettiin ensimmäisen kerran?

Historian sivut

Ajatus tyhjyydestä on ollut kiistanalainen vuosisatojen ajan. Harvinaiset kaasut yrittivät analysoida antiikin kreikkalaisia ja roomalaisia filosofeja. Demokritos, Lucretius, heidän oppilaansa uskoivat: jos atomien välillä ei olisi vapaata tilaa, niiden liikkuminen olisi mahdotonta.

Aristoteles ja hänen seuraajansa kiistivät tämän käsitteen, heidän mielestään luonnossa ei pitäisi olla "tyhjyyttä". Keskiajalla Euroopassa ajatus "tyhjyyden pelosta" tuli etusijalle, sitä käytettiin uskonnollisiin tarkoituksiin.

mekaniikka Muinainen Kreikka luotaessa teknisiä laitteita perustuen Esimerkiksi vesipumput, jotka toimivat luotaessa tyhjiötä männän yläpuolelle, ilmestyivät Aristoteleen aikana.

Kaasun, ilman, harvinaisesta tilasta tuli perusta mäntätyhjiöpumppujen valmistukseen, joita tällä hetkellä käytetään laajasti tekniikassa.

Heidän prototyyppinsä oli kuuluisa Aleksandrian Heronin mäntäruisku, jonka hän loi poistamaan mätä.

1700-luvun puolivälissä kehitettiin ensimmäinen tyhjiökammio, ja kuusi vuotta myöhemmin saksalainen tiedemies Otto von Guerick onnistui keksimään ensimmäisen tyhjiöpumpun.

Tämä mäntäsylinteri poisti helposti ilmaa suljetusta säiliöstä luoden sinne tyhjiön. Tämä mahdollisti uuden valtion pääominaisuuksien tutkimisen, sen toimintaominaisuuksien analysoinnin.

tekninen tyhjiö

Käytännössä kaasun, ilman, harvinaista tilaa kutsutaan tekniseksi tyhjiöksi. Suurissa määrissä on mahdotonta saavuttaa tällaista ihanteellista tilaa, koska tietyssä lämpötilassa materiaaleilla on nollasta poikkeava tyydyttyneen höyryn tiheys.

Syy siihen, että ihanteellinen tyhjiö on mahdotonta saada, on myös kaasumaisten aineiden siirtyminen lasin, astioiden metalliseinien kautta.

Pienissä määrissä on täysin mahdollista saada harvinaisia kaasuja. Harvinaistumisen mittana käytetään satunnaisesti törmäävien kaasumolekyylien vapaata polkua sekä käytetyn astian lineaarista kokoa.

Suurtyhjiöpumpun ja ilmakehän ilmaa asetetaan etutyhjiö, joka muodostaa alustavan tyhjiön. Jos painekammio laskee myöhemmin, havaitaan kaasumaisen aineen hiukkasten reitin pituuden lisääntyminen.

Painearvoilla 10 -9 Pa syntyy erittäin korkea tyhjiö. Juuri näitä harvinaisia kaasuja käytetään kokeiden suorittamiseen pyyhkäisytunnelimikroskoopilla.

Joidenkin kiteiden huokosissa tällainen tila on mahdollista saada jopa ilmakehän paineessa, koska huokosten halkaisija on paljon pienempi kuin vapaan hiukkasen keskimääräinen vapaa reitti.

Tyhjiöpohjaiset instrumentit

Kaasun harventunutta tilaa käytetään aktiivisesti tyhjiöpumpuiksi kutsutuissa laitteissa. Getteriä käytetään kaasujen imemiseen ja tietyn alipaineen aikaansaamiseen. Tyhjiöteknologiaan kuuluu myös lukuisia laitteita, jotka ovat tarpeen tämän tilan ohjaamiseen ja mittaamiseen sekä esineiden ohjaamiseen, erilaisiin teknisiä prosesseja. Vaikein tekniset laitteet joissa käytetään harvinaisia kaasuja, ovat suurtyhjiöpumput. Esimerkiksi diffuusiolaitteet toimivat jäännöskaasumolekyylien liikkeen perusteella toimivan kaasuvirran vaikutuksesta. Ihanteellisessa tyhjiössäkin lämpösäteilyä on vähän, kun lopullinen lämpötila saavutetaan. Tämä selittää harvinaisten kaasujen tärkeimmät ominaisuudet, esimerkiksi lämpötasapainon alkamisen tietyn ajan kuluttua rungon ja tyhjökammion seinien välillä.

Harvinainen yksiatominen kaasu on erinomainen lämmöneriste. Siinä lämpöenergian siirto tapahtuu vain säteilyn avulla, lämmönjohtavuutta ja konvektiota ei havaita. Tätä ominaisuutta käytetään (termosissa), jotka koostuvat kahdesta säiliöstä, joiden välissä on tyhjiö.

Tyhjiö löytyi laaja sovellus ja radioputkissa esimerkiksi kineskooppien magnetronit, mikroaaltouunit.

fyysinen tyhjiö

Kvanttifysiikassa tällainen tila ymmärretään kvanttikentän perusenergiatilaksi (matalimmaksi), jolle on tunnusomaista nolla-arvot

Tässä tilassa yksiatominen kaasu ei ole täysin tyhjä. Mukaan kvanttiteoria, virtuaalisia hiukkasia ilmaantuu ja katoaa systemaattisesti fysikaalisessa tyhjiössä, mikä aiheuttaa kenttien nollavärähtelyjä.

Teoriassa voi esiintyä samanaikaisesti useita erilaisia tyhjiöitä, jotka eroavat toisistaan energiatiheyden ja muiden fysikaalisten ominaisuuksien suhteen. Tästä ajatuksesta tuli perusta inflaation big bang -teorialle.

väärä tyhjiö

Sillä tarkoitetaan kvanttiteorian kentän tilaa, joka ei ole tila, jolla on minimienergia. Se on vakaa tietyn ajanjakson ajan. On mahdollista "tunneloida" väärä tila todelliseen tyhjiöön, kun fyysisten perussuureiden vaaditut arvot saavutetaan.

Avaruus

Väiteltäessä siitä, mitä harvinainen kaasu tarkoittaa, on tarpeen keskittyä "kosmisen tyhjiön" käsitteeseen. Sitä voidaan pitää lähellä fyysistä tyhjiötä, mutta se on olemassa tähtienvälisessä avaruudessa. Planeetoilla heidän luonnolliset satelliitit, monilla tähdillä on tietyt vetovoimat, jotka pitävät ilmakehän tietyllä etäisyydellä. Kun siirryt pois tähtiobjektin pinnasta, harvinaisen kaasun tiheys muuttuu.

Esimerkiksi on olemassa Karman-linja, jota harkitaan yhteinen määritelmä ulkoavaruuden planeetan rajoilla. Sen takana isotrooppisen kaasun paineen arvo laskee jyrkästi verrattuna auringonsäteily ja aurinkotuulen dynaaminen paine, joten harvinaisen kaasun painetta on vaikea tulkita.

Ulkoavaruudessa on monia fotoneja, jäänneneutriinoja, joita on vaikea havaita.

Mittausominaisuudet

Tyhjiöaste määräytyy yleensä järjestelmään jäävän aineen määrän mukaan. Tämän tilan mittauksen pääominaisuus on absoluuttinen paine, lisäksi se ottaa huomioon kemiallinen koostumus kaasu, sen lämpötila.

Tärkeä tyhjiön parametri on järjestelmään jäävien kaasujen keskimääräinen reitin pituus. Tyhjiö on jaettu tiettyihin alueisiin mittauksiin tarvittavan tekniikan mukaisesti: väärä, tekninen, fyysinen.

tyhjiömuodostus

Tämä on tuotteiden valmistusta nykyaikaisista termoplastisista materiaaleista kuumassa muodossa alhainen paine ilma- tai tyhjiötoiminta.

Tyhjömuovausta pidetään vetomenetelmänä, jonka seurauksena matriisin yläpuolella oleva muovilevy kuumennetaan tiettyyn lämpötila-arvoon. Seuraavaksi arkki toistaa matriisin muodon, tämä johtuu tyhjiön luomisesta sen ja muovin välille.

Sähkötyhjiölaitteet

Ne ovat laitteita, jotka on suunniteltu luomaan, vahvistamaan ja myös muuntamaan sähkömagneettista energiaa. Tällaisessa laitteessa ilma poistetaan työtilasta ja suojaa sitä vastaan ympäristöön käytetään läpäisemätöntä suojusta. Esimerkkejä tällaisista laitteista ovat elektroniset tyhjiölaitteet, joissa elektronit sopivat tyhjiöön. Hehkulamppuja voidaan pitää myös tyhjiolaitteina.

Kaasut alhaisissa paineissa

Kaasun sanotaan olevan harvinaista, jos sen tiheys on mitätön ja molekyylireitti on verrattavissa sen astian mittoihin, jossa kaasu sijaitsee. Tällaisessa tilassa havaitaan elektronien lukumäärän väheneminen suhteessa kaasun tiheyteen.

Erittäin harvinaisen kaasun tapauksessa sisäistä kitkaa ei käytännössä ole. Sen sijaan ilmaantuu liikkuvan kaasun ulkoinen kitka seinämiä vasten, mikä selittyy molekyylien liikemäärän muutoksella niiden törmääessä astiaan. AT samanlainen tilanne hiukkasten nopeuden ja kaasun tiheyden välillä on suora yhteys.

Alhaisen tyhjiön tapauksessa havaitaan toistuvia törmäyksiä kaasuhiukkasten välillä täydessä tilavuudessa, joihin liittyy vakaa lämpöenergian vaihto. Tämä selittää siirtoilmiön (diffuusio, lämmönjohtavuus), jota käytetään aktiivisesti nykytekniikassa.

Harvinaistettujen kaasujen saaminen

Tyhjiölaitteiden tieteellinen tutkimus ja kehittäminen alkoi 1700-luvun puolivälissä. Vuonna 1643 italialainen Torricelli onnistui määrittämään ilmanpaineen arvon, ja O. Guericken keksittyä mekaanisen mäntäpumpun erityisellä vesitiivisteellä ilmaantui todellinen tilaisuus suorittaa lukuisia tutkimuksia harvinaisen kaasun ominaisuuksista. Samalla tutkittiin tyhjiön vaikutuksen mahdollisuuksia eläviin olentoihin. Kokeet, jotka suoritettiin tyhjiössä sähköpurkauksella, auttoivat löytämään negatiivisen elektronin, röntgensäteilyn.

Tyhjiön lämpöä eristävän kyvyn ansiosta tuli mahdolliseksi selittää lämmönsiirtomenetelmiä, käyttää teoreettista tietoa nykyaikaisen kryogeenisen teknologian kehittämiseen.

Tyhjiösovellus

Vuonna 1873 keksittiin ensimmäinen sähkötyhjiölaite. Niistä tuli hehkulamppu, jonka loi venäläinen fyysikko Lodygin. Siitä lähtien tyhjiötekniikan käytännön käyttö on laajentunut, uusia menetelmiä on ilmaantunut tämän tilan saamiseksi ja tutkimiseksi.

Lyhyessä ajassa he loivat erilaisia tyhjiöpumput:

pyörivä;
kryosorptio;
molekyyli;
diffuusio.

1900-luvun alussa akateemikko Lebedev onnistui parantamaan tieteellisiä perusteita tyhjiöteollisuus. Viime vuosisadan puoliväliin asti tutkijat eivät sallineet mahdollisuutta saada alle 10-6 Pa painetta.

Tällä hetkellä ne on valmistettu kokonaan metallista vuotojen välttämiseksi. Tyhjiökryogeenisiä pumppuja ei käytetä vain tutkimuslaboratorioissa, vaan myös eri aloilla ala.

Esimerkiksi erityisten evakuointivälineiden kehittämisen jälkeen, jotka eivät saastuta käytettyä esinettä, on ilmaantunut uusia mahdollisuuksia tyhjiötekniikan käyttöön. Kemiassa tällaisia järjestelmiä käytetään aktiivisesti seoksen komponenttien erottamisen ominaisuuksien kvalitatiiviseen ja kvantitatiiviseen analysointiin, eri prosessien nopeuden analysointiin.

Tyhjiön käsite on muuttunut ajan myötä. Ympäröivää maailmaa koskevien tieteiden kehityksen alussa tyhjiö tarkoitti yksinkertaisesti tyhjyyttä, jopa itse tyhjiö käännetään latinasta "tyhjyydeksi". Se oli pikemminkin filosofinen kategoria, koska tiedemiehillä ei ollut mahdollisuutta tutkia mitään, mikä edes etäisesti vastaisi tyhjiötä koskevia ajatuksia. Nykyaikainen tyhjiöksi kutsuu kvanttikentän tilaa, jossa sen energiatila on alimmalla tasolla. Tälle tilalle on ominaista ensisijaisesti todellisten hiukkasten puuttuminen. Erittäin harvinaista kaasua kutsutaan tekniseksi tyhjiöksi. Tämä ei ole aivan ihanteellinen tyhjiö, mutta tosiasia on, että olosuhteissa sitä ei voida saavuttaa. Loppujen lopuksi kaikki materiaalit läpäisevät kaasuja mikroskooppisina tilavuuksina, joten mikä tahansa astiaan suljetulla tyhjiöllä on häiriöitä. Sen harventumisen aste mitataan parametrilla λ (lambda), joka ilmaisee vapaan hiukkasen pituuden. Tämä on matka, jonka se voi kulkea, kunnes se osuu esteeseen toisen hiukkasen tai suonen seinämän muodossa. Korkea tyhjiö on sellainen, jossa kaasumolekyylit voivat siirtyä seinästä toiseen ilman, että lähes koskaan törmäävät toisiinsa. Matalalle tyhjiölle on ominaista melko suuri määrä törmäyksiä.Mutta vaikka oletammekin, että on mahdollista saavuttaa ihanteellinen, emme silti saa unohtaa sellaista tekijää kuin lämpösäteily - niin sanottu fotonikaasu. Tämän ilmiön seurauksena tyhjiöön asetetun kappaleen lämpötila muuttuisi jonkin ajan kuluttua samaksi kuin astian seinämät. Tämä tapahtuu juuri lämpöfotonien liikkeen vuoksi. Fysikaalinen tyhjiö on tila, jossa ei ole lainkaan massaa. Mutta kentän kvanttiteorian mukaan sitä ei sellaisessakaan tilassa voida kutsua absoluuttiseksi tyhjyydeksi, koska fysikaalisessa tyhjiössä myös virtuaalihiukkasten muodostumista tapahtuu jatkuvasti. Niitä kutsutaan myös nollakentän värähtelyiksi. On olemassa erilaisia kenttäteorioita, joiden mukaan massattoman avaruuden ominaisuudet voivat vaihdella hieman. Oletetaan, että tyhjiö voi olla yksi useista tyypeistä, joista jokaisella on omat ominaisuutensa. Jotkut kvanttikentän ominaisuuksista, jotka teoreettiset tutkijat ennustivat, on jo vahvistettu kokeellisesti. Hypoteesien joukossa on sellaisia, jotka voivat vahvistaa tai kumota fysiikan perusteoriat. Esimerkiksi oletus, että niin sanotut väärät tyhjiöt (erilaiset tyhjiötilat) ovat mahdollisia, on erittäin tärkeä Bolshoin inflaatioteorian vahvistamiseksi.

Paineita, jotka mitataan asteikolla, jonka vertailupisteenä on nolla, kutsutaan absoluuttisiksi paineiksi. Ilmakehän paine maan pinnalla vaihtelee, mutta on noin 10 5 Pa (1000 mbar). Tämä on absoluuttinen paine, koska se ilmaistaan suhteessa nollaan.

Anturi, joka on suunniteltu mittaamaan painetta suhteessa ilmanpaineeseen ja siten osoittamaan nollaa, kun sen mittausaukko sisältää ilmakehän paineessa olevia molekyylejä. Tällaisen anturin tekemät mittaukset tunnetaan painemittauksina suhteellisessa tilassa. Siten absoluuttisen paineen arvon ja mittarin arvon välinen ero on muuttuva ilmakehän arvo:

Absoluuttinen = ylimäärä + ilmakehän.

Vakavien virheiden välttämiseksi on tärkeää tietää, mitä tyhjiömittausta käytetään: absoluuttista vai suhteellista. Huomaa, että kalibrointimoodimittausten vertailuviiva ei ole suora, mikä kuvaa ilmanpaineen vaihtelua.

Tyhjiö- ja paineyksiköt

Historialliset yksiköt

Valitettavasti tyhjiö- ja painemittauksissa on monia yksiköitä, mikä aiheuttaa merkittäviä ongelmia sekä aloittelijoille että kokeneille ammattilaisille. Onneksi elämä helpottuu, kun vanhentuneet ja huonosti määritellyt yksiköt katoavat SI-yksikön hyväksi.

Monissa vanhemmissa yksiköissä on ilmeisiä käytännöllisiä ja historiallinen alkuperä; Esimerkiksi veden tuumaa käytettiin, kun paine mitattiin vesipatsaalla, jonka yläpinta oli näkyvissä tuuman mittakaavassa. Aluksi tällaisissa järjestelmissä vaadittu tyhjimittausten tarkkuus vastasi melko karkeita tyhjiön mittausmenetelmiä, eikä kukaan välittänyt siitä, oliko vesi kuumaa vai kylmää. Teknologian tarpeiden kasvaessa on ollut tarvetta johdonmukaisemmille mittauksille. Matemaattiset mallit mittauslaitteita on parannettu huomattavasti. Esimerkiksi eräässä perinteisessä menetelmässä elohopeabarometrin tyhjiön mittaamiseksi se on otettu käyttöön kolonnissa olevan elohopean, kolonnin valmistuslasin, messingin, josta asteikko on tehty, ja terässäiliö. Monia perinteisiä yksiköitä ei kuitenkaan voida käyttää nykyaikaisessa tekniikassa edes tarkennetuilla määritelmillä ja matematiikalla.

SI-yksikkö

SI-mittayksikkö on pascal, lyhennettynä Pa, nimi, joka annetaan yhden Newtonin paineelle neliömetri(N/m2). Vaikka yksi neliömetri on helppo visualisoida, yksi newton on vaikeampi, mutta se on suunnilleen yhtä suuri kuin alaspäin suuntautuva voima, joka vaikuttaa käteen pientä omenaa pidettäessä (jos pidike seisoo maassa!). Jokapäiväinen elämä, yksi pascal on hyvin pieni määrä, kun taas ilmakehän paine on noin 100 000 Pa. Vedellä täytetyn astian pohjalla veden syvyydestä johtuva paine on noin 1000 Pa suurempi kuin veden pinnalla. Hankaloiden numeroiden käytön välttämiseksi 103:n ja 0,001:n kerrannaiset asetetaan etuliitteisiin, jotta esimerkiksi 100 000 Pa (105 Pa) voidaan kirjoittaa arvoksi 100 kPa tai 0,1 MPa.

Tyhjiöyksiköt ja muuntaminen

Pascalin ja joidenkin muiden yksiköiden väliset suhteet on esitetty taulukossa, mutta huomaa, että kaikkia ei voida ilmaista tarkasti. Taulukossa olevat yläindeksit roomalaiset numerot viittaavat sitä seuraaviin huomautuksiin.

Tyhjiömittausmenetelmät

Yleiset määräykset

Tyhjiöinstrumentit käyttävät useita hyvin erilaisia periaatteita. Jotkut niistä ovat perustavanlaatuisia, kuten tunnetun tiheyden omaavan nestepatsaan korkeuden mittaaminen. Yksi tällainen esimerkki on elohopeabarometri, jossa ilmakehän painetta voidaan tasapainottaa elohopeapylväällä. Tämän idean laajennus käytettäväksi korkeat paineet- tunnetulla alueella vaikuttavien metallipainojen käyttö voiman aikaansaamiseksi nesteen painon sijaan.

Usein tyhjiö voidaan määrittää mittaamalla anturielementin mekaanista rasitusta, joka muuttuu elastisesti sen pintojen paine-eron muuttuessa. Mekaaninen taipuma voidaan toteuttaa ja havaita monella tavalla. Yksi yleisimmistä liikkuvien mekaanisten elementtien tyypeistä on elastinen kalvo. Toinen esimerkki on Bourdon-putki, jossa sisäinen paine pakottaa kaarevan putken suoristamaan.

Tällainen mekaaninen muodonmuutos voidaan havaita useilla tavoilla: sarja mekaanisia varsia muodonmuutoksen suoraan näyttämiseksi, mittaamalla vastus punnituskennossa, mittaamalla kapasitanssia, muuttamalla resonoivan elementin taajuutta venytettynä tai puristettaessa jne.

Kun tyhjiö on syvä ja siksi mekaaninen taipuma on liian pieni tyhjiön mittaamiseen, käytetään epäsuoria välineitä mittaamaan fyysiset ominaisuudet, kuten lämmönjohtavuus, ionisaatio tai viskositeetti, jotka riippuvat molekyylien lukumäärän tiheydestä.

nestekolonni

Yksi varhaisimmista tyhjiön mittausmenetelmistä ja edelleen yksi tarkimmista nykyään on, että nestepatsas pystyy pakottamaan nesteen ulos putkesta.

Kuvan painemittari on olennaisesti nestetäytteinen U-putki, jossa nestepintojen pystysuora erottelu antaa mittauksen paine-erosta. Nollapisteen tasolla d; paine L, jonka sen yläpuolella oleva neste tuottaa, plus paine p 2 putken yläosassa. Tasapainossa pylvästä ylläpidetään ylöspäin suuntautuvalla paineella p 1, joka välittyy nesteen läpi toisesta raajasta.

Paine p 1 nesteen alapinnassa määritellään seuraavasti:

Missä h on nestepatsaan pystysuora korkeus nollapisteen tason yläpuolella, P on nesteen tiheys, g on painovoiman aiheuttaman kiihtyvyyden paikallinen arvo. Jos yläputki on kytketty ilmakehään (p2 = ilmakehän paine), niin p1 on kalibrointipaine; Jos yläputki tyhjennetään (eli p2 = nolla), p1 on absoluuttinen paine ja instrumentista tulee barometri.

Elohopeaa, vettä ja öljyä käytetään erilaisissa painemittarimalleissa, vaikka elohopeaa käytetään aina barometrisiin tarkoituksiin; Sen tiheys on yli 13 kertaa veden tai öljyn tiheys, ja siksi tarvitaan paljon lyhyempi kolonni. Noin 0,75 m ilmanpainetta mitattaessa. Elohopean tiheys on myös huomattavasti vakaampi kuin muiden nesteiden.

Tyhjiön mittaus elastisen elementin muodonmuutosta.

Kun muotoaan muuttavaan elementtiin kohdistetaan painetta, se liikkuu. Paineanturin luomiseksi siirtymän on oltava riittävän pieni pysyäkseen materiaalin kimmorajojen sisällä, mutta riittävän suuri, jotta se voidaan havaita riittävällä resoluutiolla. Siksi ohuita, taipuisia komponentteja käytetään alhaisemmissa paineissa, kun taas jäykemmiä käytetään korkeammissa paineissa. Poikkeaman asteen määrittämiseen käytetään useita menetelmiä. Ne vaihtelevat mekaanisesta vahvistuksesta, joka tuottaa näkyvän osoittimen taipuman, elektronisiin havaitsemismenetelmiin.

Alla luetellut työkalut eivät sisällä kaikkia tyyppejä, vaan teollisuudessa yleisesti käytettyjä työkaluja.

kalvot

Jäykkään alustaan kiinnitetty kalvo altistetaan voimalle, jos kummankin puolen välillä on paine-ero. Kalvot on helpompi valmistaa pyöreitä, mutta muutkin muodot ovat mahdollisia. Ero aiheuttaa kalvon taipuman, jonka taipuma on suurin keskellä, ja tämä taipuma voidaan mitata erilaisilla mekaanisilla ja elektronisilla antureilla. Keskikohdan poikkeaessa myös kalvon pinta jännittyy ja voi toisaalta ilmetä puristusjännityksiä ulkoreunan ympärillä ja vetojännitystä kalvon keskiosan ympärillä. Tämä jännityskonfiguraatio voidaan havaita venymäantureilla ja tyhjiö voidaan laskea näiden tietojen perusteella.

Kapselit. Pohjimmiltaan kapselit on valmistettu kalvoparista, jotka on liitetty niiden ulkoreunoihin. Toisessa on keskusankkuri, jonka kautta paine tulee sisään, ja toisen kalvon keskikohdan liike suhteessa ensimmäiseen määräytyy jonkin tyyppisen anturin avulla. On selvää, että kahden sarjassa toimivan kalvon toiminnan tulisi kaksinkertaistaa taipuma.

Palkeet. Palkeiden ja kapseleiden välillä ei ole selkeää eroa, mutta palkeissa on yleensä useita sarjaan pinottuja osia, ja yleensä aallot ovat halkaisijaan verrattuna pieniä. Palkeet voidaan valssata putkesta, muodostaa paineen alaisena tai muodostaa hitsatuista elementeistä.

Bourdon putki

Olla olemassa erilaisia malleja, mutta tyypillinen muoto on suljettu putki, jonka poikkileikkaus on soikea ja joka on kaareva pituussuunnassa. Kun putki on paineen alaisena, se pyrkii suoriutumaan ja anturi havaitsee tämän liikkeen. Ne voidaan suunnitella toimimaan laajalla alueella sekä mittari-, absoluutti- ja differentiaalitiloissa. Saatavilla on tavallisia "C" -muotoisia, kierteisiä ja kierteisiä tyyppejä. Elektronista pääteliikkeentunnistusta käytetään yleisesti kvartsivierityslaitteissa.

Tyhjiömittaukset mittaamalla lämmönjohtavuutta

Tyhjiön mittaamiseen voit käyttää energian siirtoa kuumasta langasta kaasun läpi. Kaasussa lämpö siirtyy molekyylitörmäyksissä langan kanssa, ts. lämmönjohtavuus, ja lämmönsiirtonopeus riippuu kaasun lämmönjohtavuudesta. Siten näiden instrumenttien tarkkuus riippuu suuresti kaasun koostumuksesta. Korkean tyhjiön alueella, jossa on molekyylivirtausta (Knudsen-luku suurempi kuin 3, missä Knudsen-luku = keskimääräinen vapaa reitti / järjestelmän ominaiskoko), lämmönsiirto on verrannollinen tyhjiöön. Molekyylien määrän kasvaessa kaasu tihenee ja molekyylit alkavat törmätä toistensa kanssa useammin. Tällä niin kutsutulla virtauksen (tai liukuvirtauksen) siirtymäalueella 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.

Tyhjiömittarit Pirani

Langan lämpöhäviö (tyypillisesti 5-20 µm) voidaan määrittää epäsuorasti käyttämällä Wheatstonen siltapiiriä, joka lämmittää langan ja mittaa sen vastuksen ja siten sen lämpötilan. Lämmitettyjä elementtejä on kahta päätyyppiä. Perinteinen ja paljon yleisempi kokoonpano koostuu ohuesta metallilangasta, joka on ripustettu mittapäähän. Toinen kokoonpano on mikrokoneistettu rakenne, joka on yleensä valmistettu piistä, joka on päällystetty ohuella metallikalvolla, kuten platinalla. Tyypillisessä kokoonpanossa ohut metallilanka on ripustettu ainakin yhdelle puolelle, joka on sähköisesti eristetty lähettimessä ja on kosketuksessa kaasun kanssa. Langassa voidaan käyttää volframia, nikkeliä, iridiumia tai platinaa. Lanka on sähkölämmitteinen ja lämmönsiirto mitataan elektronisesti. Yleisiä toimintatapoja on kolme: vakiolämpötilamenetelmä, vakiojännitesilta ja vakiovirtasilta. Kaikki nämä menetelmät mittaavat epäsuorasti langan lämpötilaa sen resistanssista. Suurin haitta Pirani-anturien käytössä on niiden voimakas riippuvuus kaasun koostumuksesta ja niiden rajallinen tarkkuus. Pirani-anturien toistettavuus on yleensä melko hyvä niin kauan kuin vakavaa kontaminaatiota ei tapahdu. Pirani-anturien alipainemittausalue on noin 10-2 Pa - 105 Pa, mutta paras suorituskyky saadaan yleensä noin 0,1 Pa - 1000 Pa välillä.

Ionisaatioanturit tyhjiön mittaamiseen

Kun tyhjiö järjestelmässä on alle noin 0,1 Pa (10 -3 mbar), suoria tyhjiön mittausmenetelmiä, kuten kalvon taipuman tai mittaamalla kaasun ominaisuuksia, kuten lämmönjohtavuutta, ei voida enää helposti soveltaa. turvautuivat. , jotka periaatteessa laskevat läsnä olevien kaasumolekyylien lukumäärän, eli mittaavat tiheyttä, ei tyhjiötä. Kaasujen kineettisen teorian mukaan tietylle kaasulle, jonka lämpötila tunnetaan T, paine p on suoraan verrannollinen luvun n tiheyteen yhtälön kautta (ideaalikaasurajassa):

Missä c on vakio. Yksi kätevimmistä menetelmistä lukutiheyden mittaamiseen on käyttää jotakin tekniikkaa kaasumolekyylien ionisoimiseksi ja sitten ionien keräämiseksi. Useimmat käytännölliset tyhjiömittarit käyttävät kohtalaisen energian elektroneja (50 eV - 150 eV) ionisaation suorittamiseen. Tuloksena oleva ionivirta on suoraan verrannollinen tyhjiöön ja siten voidaan suorittaa kalibrointi. Viimeinen väite pitää paikkansa vain lopullisen painealueen osalta, joka määrittää laitteen toiminta-alueen. Yläpaineraja saavutetaan, kun kaasun tiheys on niin suuri, että ionin muodostuessa sillä on merkittävä mahdollisuus olla vuorovaikutuksessa neutraalien kaasumolekyylien tai kaasussa olevien vapaiden elektronien kanssa siten, että ioni itse neutraloituu eikä pääse Käytännön tarkoituksiin tyypillisissä laboratoriojärjestelmissä tai teollisuusasennuksissa tämä voidaan pitää 0,1 Pa:na (10 -3 mbar).

Painemittarin alipaineraja saavutetaan, kun sähkövuotovirta mittapäässä tai mittauselektroniikassa tulee vertailukelpoiseksi mitattuun ionivirtaan tai kun jokin muu fysikaalinen vaikutus (esim. vieraiden röntgensäteiden vaikutus) aiheuttaa virtoja. tämän suuruinen ilmaantua. Useimmille oppaassa kuvatuille antureille nämä rajat ovat alle 10 -6 Pa (10 -8 mbar).

Ionisaatiokalibroinnin peruskalibrointiyhtälö on:

Ioni - ionivirta K - vakio, joka sisältää kaasumolekyylin ionisoitumisen todennäköisyyden millä tahansa keinolla ja todennäköisyyden kerätä tuloksena oleva ioni n - kaasumolekyylien lukumäärätiheys Ie - ionisoivan elektronin virta.

Kaasumolekyylin ionisoitumisen todennäköisyys riippuu monista tekijöistä, ja siksi ionisaatioanturilla on erilaiset herkkyysarvot eri kaasutyypeille. Useimmat käytännölliset tyhjiömittarit käyttävät elektronista toimintaa ionisoimaan kaasumolekyylejä, ja tämä voidaan saavuttaa yksinkertaisesti "keittämällä" elektroneja kuumalangan filamentista ja houkuttelemalla ne jonkinlaiseen elektronikollektoriin. Sitten ionit vetäytyvät kerääjään. Valitettavasti todennäköisyys, että elektroni ionisoi kaasumolekyylin, on niin pieni yhdellä kierrolla normaalikokoisessa mittarissa, että on välttämätöntä lisätä elektronin polun pituutta ja siten lisätä todennäköisyyttä, että mikä tahansa elektroni luo ionin.

Kaksi menetelmää on laajalti käytössä. Kuumakatodikuumassa filamentissa syntyneet elektronit houkutellaan hyvin ohuesta langasta valmistettuun verkkoon positiivisella sähköpotentiaalilla. Koska verkko on auki, on erittäin hyvä mahdollisuus, että elektroni kulkee verkon läpi eikä osu johtoon. Jos verkkoa ympäröi ruutu, jolla on negatiivinen sähköpotentiaali, elektroni heijastuu tästä ruudusta ja vetää takaisin verkkoon. Tämä prosessi voi tapahtua monta kertaa ennen kuin elektroni lopulta saapuu verkkoon. Tämän seurauksena pienessä tilavuudessa voidaan saavuttaa erittäin pitkiä elektroniradat. Sitä vastoin ionit vetäytyvät suoraan kerääjään.

Kylmäkatodi-ionisaatiolamppu luopuu kuumasta hehkulangasta ja käyttää sähkö- ja magneettikenttien yhdistelmää. Mikä tahansa elektroni pyörii magneettikenttälinjojen ympärillä ennen kuin se lopulta kerätään positiivisesti varautuneelle anodille. Itse asiassa polun pituus tulee olemaan niin pitkä ja ionisaation todennäköisyys niin suuri, että käynnistyksen jälkeen syntyy itseään ylläpitävä kaasupurkaus, mikäli ionien kerääjä poistaa ionit nopeasti purkausalueelta.

Tyhjiön mittauslaitteen valinta

Ennen tyhjiölaitteen valintaa ja sopivan toimittajan tunnistamista on tärkeää määrittää valintakriteerit. Nämä sisältävät monia tekijöitä, ja tämän osion tarkoituksena on auttaa potentiaalista käyttäjää tekemään valintansa.

Tyhjiömittaussyvyys

Ympäristön ominaisuudet

Ulkoinen ympäristö

Laitteen fyysiset ominaisuudet

Käyttötyyppi

Turvallisuus

Asennus ja huolto

Signaalin muunnos

Termi " tyhjiö", fyysisenä ilmiönä - väliaineena, jossa kaasun paine on alhaisempi kuin ilmakehän paine.

Tyhjiön kvantitatiivinen ominaisuus on absoluuttinen paine. Kansainvälisen järjestelmän (SI) paineen perusyksikkö on Pascal (1 Pa = 1N/m2). Käytännössä on kuitenkin muitakin mittayksiköitä, kuten millibaarit (1 mbar = 100 Pa) ja Torr tai elohopeamillimetrit (1 mm Hg = 133,322 Pa). Nämä yksiköt eivät ole SI-yksiköitä, mutta ne ovat hyväksyttäviä verenpaineen mittaamiseen.

Tyhjiötasot

Sen mukaan, kuinka paljon paine on ilmakehän (101325 Pa) alapuolella, voidaan havaita erilaisia ilmiöitä, joiden seurauksena tämä paine voidaan saada ja mitata eri keinoin. Nykyään on olemassa useita tyhjiotasoja, joista jokaisella on oma nimityksensä ilmakehän paineen alapuolella olevien painevälien mukaisesti:

Matala alipaine (HV): 10 5 - 10 2 Pa,
Keskityhjiö (SV): 10 2 - 10 -1 Pa,
Korkea tyhjiö (HV): 10 -1 - 10 -5 Pa,
Erittäin korkea tyhjiö (UHV): 10 -5 - 10 -9 Pa,
Äärimmäisen korkea tyhjiö (EHV):

Nämä alipainetasot on sovelluksesta riippuen jaettu kolmeen tuotantoryhmään.

- Alhainen tyhjiö: käytetään pääasiassa paikoissa, joissa on pumpattava suuria ilmamääriä. Alhaisen tyhjiön saavuttamiseksi käytetään siipityyppisiä sähkömekaanisia pumppuja, keskipako-, sivukanavapumppuja, virtausgeneraattoreita jne.

Matalatyhjiötä käytetään esimerkiksi silkkipainotehtaissa.

- Teollinen tyhjiö: termi "teollinen tyhjiö" vastaa tyhjiotasoa -20 - -99 kPa. Tätä aluetta käytetään useimmissa sovelluksissa. Teollinen tyhjiö saadaan pyörivällä, nesterenkaalla, mäntäpumpuilla ja siipivakuumigeneraattoreilla Venturi-periaatteen mukaisesti. Teollisen tyhjiön soveltamisalaan kuuluvat imukupit, lämpömuovaus, tyhjiökiinnitys, tyhjiöpakkaus jne.

- Tekninen tyhjiö: Vastaa alipainetasoa -99 kPa:sta. Tämä alipainetaso saadaan käyttämällä kaksivaiheisia pyöriviä pumppuja, epäkeskisiä pyöriviä pumppuja, Roots-tyhjiöpumppuja, turbomolekyylipumppuja, diffuusiopumppuja, kryogeenisiä pumppuja jne.

Tätä alipainetasoa käytetään pääasiassa lyofilisoinnissa, pinnoituksessa ja lämpökäsittelyssä. Tieteessä teknistä tyhjiötä käytetään ulkoavaruuden simulointina.

Tyhjiön korkein arvo maan päällä on paljon pienempi kuin absoluuttisen tyhjiön arvo, joka on puhtaasti teoreettinen arvo. Itse asiassa, jopa avaruudessa, huolimatta ilmakehän puuttumisesta, atomeja on pieni määrä.

Tyhjiöteknologioiden kehittämisen tärkein sysäys oli teollisuuden tutkimus. Tällä hetkellä sovelluksia on runsaasti eri aloilla. Tyhjiötä käytetään sähkösädeputkissa, hehkulampuissa, hiukkaskiihdyttimissä, metallurgiassa, elintarvike- ja ilmailuteollisuudessa, ydinfuusion ohjauslaitteistoissa, mikroelektroniikassa, lasi- ja keramiikkateollisuudessa, tieteessä, teollisuusrobotiikassa, tartuntajärjestelmät tyhjiöimukupeilla jne.

Esimerkkejä tyhjiösovelluksista teollisuudessa

Tyhjiöjärjestelmät usean sieppauksen "OCTOPUS"

Tyhjiöimukupit - yleistä tietoa

Tyhjiöimukupit ovat välttämätön työkalu tarttumaan, nostamaan ja liikuttamaan esineitä, levyjä ja erilaisia esineitä, joita on vaikea siirtää tavanomaisilla järjestelmillä niiden haurauden tai muodonmuutosvaaran vuoksi.

Oikein käytettynä imukupit tarjoavat mukavan, taloudellisen ja turvallisen työn, mikä on perusperiaate tuotannon automaatioprojektien täydellisessä toteuttamisessa.

Jatkuva tutkimus ja huomioiminen asiakkaidemme vaatimuksiin ovat antaneet meille mahdollisuuden valmistaa imutyynyjä, jotka kestävät korkeita ja matalia lämpötiloja, hankausta, sähköstaattista purkausta, aggressiivista ympäristöä eivätkä myöskään jätä tahroja kuljetettavien esineiden pintaan. Lisäksi imukupit täyttävät ETY-turvallisuusstandardit sekä FDA, BGA, TSCA elintarvikestandardit.

Kaikki imukupit on valmistettu korkealaatuisista tyhjiömuovatuista komponenteista ja korroosionestokäsitelty pitkän käyttöiän takaamiseksi. Kokoonpanosta riippumatta kaikilla imukupeilla on omat merkinnät.

Octopus-monipitojärjestelmä