Mesure du vide. Vide absolu et pression atmosphérique

Selon la définition en physique, le concept de « vide » implique l'absence de toute substance et éléments de matière dans un certain espace, dans ce cas on parle de vide absolu. Un vide partiel est observé lorsque la densité de la substance dans cet endroit l'espace est faible. Examinons ce problème de plus près dans l'article.

Vide et pression

Dans la définition du concept « vide absolu », nous parlons de la densité de la matière. La physique sait que si l’on considère une matière gazeuse, alors la densité de la substance est directement proportionnelle à la pression. À leur tour, lorsqu’ils parlent de vide partiel, ils signifient que la densité des particules de matière dans un espace donné est inférieure à celle de l’air à pression atmosphérique normale. C'est pourquoi la question du vide est une question de pression dans le système considéré.

En physique, la pression absolue est une quantité égale au rapport d'une force (mesurée en newtons (N)), qui est appliquée perpendiculairement à une certaine surface, à l'aire de cette surface (mesurée en mètres carrés), c'est-à-dire , P = F/S, où P est la pression, F - la force, S - la surface. L'unité de mesure de la pression est le pascal (Pa), il s'avère que 1 [Pa] = 1 [N]/ 1 [m 2 ].

Vide partiel

Il a été établi expérimentalement qu'à une température de 20 °C à la surface de la Terre au niveau de la mer, la pression atmosphérique est de 101 325 Pa. Cette pression est appelée la 1ère atmosphère (atm.). On peut dire approximativement que la pression est de 1 atm. est égal à 0,1 MPa. En répondant à la question de savoir combien nous composons la proportion correspondante et constatons que 1 Pa = 10 -5 atm. Un vide partiel correspond à toute pression dans l'espace considéré inférieure à 1 atm.

Si nous traduisons les chiffres indiqués du langage de la pression vers le langage du nombre de particules, alors il faut dire qu'à 1 atm. 1 m 3 d'air contient environ 10 25 molécules. Toute diminution de cette valeur entraîne la formation d'un vide partiel.

Mesure du vide

L'instrument le plus courant pour mesurer de petits vides est un baromètre conventionnel, qui ne peut être utilisé que dans les cas où la pression du gaz représente plusieurs dizaines de pour cent de la pression atmosphérique.

Pour mesurer des valeurs de vide plus élevées, utilisez schéma électrique avec le pont de Wheatstone. L'idée d'utilisation est de mesurer la résistance de l'élément sensible, qui dépend de la concentration de molécules dans le gaz qui l'entoure. Plus cette concentration est élevée, plus les molécules heurtent l'élément sensible, et plus il leur transfère de chaleur, cela entraîne une diminution de la température de l'élément, ce qui affecte sa résistance électrique. Cet appareil peut mesurer le vide avec des pressions de 0,001 atm.

Référence historique

Il est intéressant de noter que le concept de « vide absolu » a été complètement rejeté par de célèbres philosophes grecs anciens, comme Aristote. De plus, l'existence pression atmosphérique n'était connue qu'au début du XVIIe siècle. Ce n'est qu'avec l'avènement des temps modernes que des expériences ont commencé avec des tubes remplis d'eau et de mercure, ce qui a montré que l'atmosphère terrestre exerce une pression sur tous les corps environnants. Notamment, en 1648, Blaise Pascal fut capable de mesurer la pression à une altitude de 1 000 mètres au-dessus du niveau de la mer à l'aide d'un baromètre à mercure. La valeur mesurée s'est avérée bien inférieure à celle du niveau de la mer, ce qui a permis au scientifique de prouver l'existence de la pression atmosphérique.

La première expérience démontrant clairement le pouvoir de la pression atmosphérique et mettant également l’accent sur le concept de vide a été réalisée en Allemagne en 1654, aujourd’hui connue sous le nom d’expérience des sphères de Magdebourg. En 1654, le physicien allemand Otto von Guericke a réussi à relier étroitement deux hémisphères métalliques d'un diamètre de seulement 30 cm, puis à pomper l'air hors de la structure résultante, créant ainsi un vide partiel. L'histoire raconte que deux attelages de 8 chevaux chacun, tirant dans des directions opposées, n'ont pas réussi à séparer ces sphères.

Le vide absolu : existe-t-il ?

En d’autres termes, existe-t-il un endroit dans l’espace qui ne contient aucune matière ? Technologies modernes permettent de créer un vide de 10 -10 Pa ou même moins, cependant, cette pression absolue ne signifie pas qu'il ne reste plus de particules de matière dans le système considéré.

Tournons-nous maintenant vers l'espace le plus vide de l'Univers - vers espace ouvert. Quelle est la pression dans le vide de l’espace ? La pression dans l'espace autour de la Terre est de 10 -8 Pa, à cette pression il y a environ 2 millions de molécules dans un volume de 1 cm 3. Si nous parlons d'espace intergalactique, alors, selon les scientifiques, même dans celui-ci, il y a au moins 1 atome dans un volume de 1 cm 3. De plus, notre Univers est imprégné de rayonnements électromagnétiques dont les porteurs sont des photons. Un rayonnement électromagnétique est l’énergie qui peut être convertie en masse correspondante à l’aide de la célèbre formule d’Einstein (E = m*c 2), c’est-à-dire que l’énergie, avec la matière, est un état de la matière. Il s'ensuit qu'il n'y a pas de vide absolu dans l'Univers que nous connaissons.

Et par technologie, ils entendent un milieu dans lequel le gaz est contenu sous une pression inférieure à la pression atmosphérique. Que sont les gaz raréfiés, quand ont-ils été découverts pour la première fois ?

Pages d'histoire

L'idée de vide est un sujet de controverse depuis de nombreux siècles. Les philosophes grecs et romains de l’Antiquité ont tenté d’analyser les gaz raréfiés. Démocrite, Lucrèce et leurs étudiants pensaient : s'il n'y avait pas d'espace libre entre les atomes, leur mouvement serait impossible.

Aristote et ses disciples ont réfuté ce concept : à leur avis, il ne devrait pas y avoir de « vide » dans la nature. Au Moyen Âge en Europe, l'idée de « peur du vide » est devenue une priorité et a été utilisée à des fins religieuses.

Mécanique La Grèce ancienne lors de la création de dispositifs techniques, ils étaient basés sur Par exemple, les pompes à eau, qui fonctionnaient en créant un vide au-dessus du piston, sont apparues à l'époque d'Aristote.

L'état raréfié du gaz, l'air, est devenu la base de la fabrication de pompes à vide à piston, aujourd'hui largement utilisées en technologie.

Leur prototype était la célèbre seringue à piston de Héron d'Alexandrie, créée par lui pour extraire le pus.

Au milieu du XVIIe siècle, la première chambre à vide fut développée et six ans plus tard, le scientifique allemand Otto von Guerick réussit à inventer la première pompe à vide.

Ce cylindre à piston pompait facilement l'air d'un récipient scellé et y créait un vide. Cela a permis d'étudier les principales caractéristiques du nouvel État et d'analyser ses propriétés opérationnelles.

Vide technique

En pratique, l’état raréfié du gaz et de l’air est appelé vide technique. Dans de grands volumes, il est impossible d'obtenir un tel état idéal, car à une certaine température, les matériaux ont une densité de vapeur saturée non nulle.

La raison de l'impossibilité d'obtenir un vide idéal est également la transmission de substances gazeuses par les parois en verre et en métal des récipients.

Il est tout à fait possible d'obtenir des gaz raréfiés en petites quantités. Comme mesure de raréfaction, la longueur du trajet sans entrave des molécules de gaz qui entrent en collision de manière aléatoire est utilisée, ainsi que la taille linéaire du récipient utilisé.

Entre la pompe à vide poussé et air atmosphérique un dépôt sous vide préalable est installé, ce qui crée un vide préalable. En cas de diminution ultérieure de la pression dans la chambre, on observe une augmentation de la longueur du trajet des particules de la substance gazeuse.

À des niveaux de pression de 10 à 9 Pa, un ultra-vide est créé. Ce sont ces gaz raréfiés qui sont utilisés pour mener des expériences à l'aide d'un microscope à effet tunnel.

Il est possible d'obtenir un tel état dans les pores de certains cristaux même à pression atmosphérique, car le diamètre des pores est bien inférieur à la longueur du trajet libre des particules.

Appareils basés sur le vide

L'état raréfié du gaz est activement utilisé dans des appareils appelés pompes à vide. Les getters sont utilisés pour absorber les gaz et obtenir un certain degré de vide. La technologie du vide implique également de nombreux appareils nécessaires au contrôle et à la mesure de cet état, ainsi qu'au contrôle des objets, à diverses opérations. processus technologiques. Le plus difficile appareils techniques, qui utilisent des gaz raréfiés, sont des pompes à vide poussé. Par exemple, les dispositifs de diffusion fonctionnent sur la base du mouvement de molécules de gaz résiduels sous l'influence d'un flux de gaz de travail. Même dans le cas d’un vide parfait, le rayonnement thermique est négligeable lorsque la température finale est atteinte. Ceci explique les propriétés fondamentales des gaz raréfiés, par exemple l'apparition d'un équilibre thermique après un certain intervalle de temps entre le corps et les parois de la chambre à vide.

Le gaz monoatomique raréfié est un excellent isolant thermique. Dans celui-ci, le transfert d'énergie thermique s'effectue uniquement par rayonnement, la conductivité thermique et la convection n'y sont pas observées. Cette propriété est utilisée dans les (thermoses), constitués de deux récipients entre lesquels il y a un vide.

Vide trouvé large application et dans les tubes radio, par exemple, les magnétrons des tubes cathodiques, les fours à micro-ondes.

Vide physique

En physique quantique, cet état désigne l'état d'énergie fondamental (le plus bas) du champ quantique, qui est caractérisé par des valeurs nulles.

Dans cet état, un gaz monoatomique n’est pas complètement vide. Selon théorie des quanta, dans le vide physique, des particules virtuelles apparaissent et disparaissent systématiquement, ce qui provoque des oscillations de champ nulles.

Théoriquement, plusieurs vides différents peuvent exister simultanément, qui diffèrent les uns des autres par leur densité d'énergie, ainsi que par d'autres caractéristiques physiques. Cette idée est devenue la base de la théorie de l’inflation du big bang.

Faux vide

Il fait référence à un état de champ dans la théorie quantique qui n'est pas l'état d'énergie minimale. Elle est stable sur une certaine période de temps. Il existe une possibilité de « canalisation » d'un faux état dans un véritable vide lorsque les valeurs requises des grandeurs physiques de base sont atteintes.

Espace

Lorsqu'on discute de ce que signifie le gaz raréfié, il est nécessaire de s'attarder sur le concept de « vide cosmique ». Il peut être considéré comme proche d’un vide physique, mais existant dans l’espace interstellaire. Les planètes en ont satellites naturels, de nombreuses étoiles ont certaines forces gravitationnelles qui maintiennent leur atmosphère à une certaine distance. À mesure que l'on s'éloigne de la surface d'un objet stellaire, la densité du gaz raréfié change.

Par exemple, il existe une ligne Karman, qui est considérée définition générale avec les frontières spatiales de la planète. Derrière lui, la pression isotrope du gaz diminue fortement par rapport à radiation solaire et la pression dynamique du vent solaire, il est donc difficile d'interpréter la pression du gaz raréfié.

Il existe de nombreux photons et neutrinos reliques dans l’espace qui sont difficiles à détecter.

Caractéristiques de mesure

Le degré de vide est généralement déterminé par la quantité de substance restant dans le système. La principale caractéristique de la mesure de cet état est la pression absolue ; en outre, elle prend en compte composition chimique gaz, sa température.

Un paramètre important pour le vide est la distance moyenne de déplacement des gaz restant dans le système. Il existe une division du vide en certaines plages selon la technologie nécessaire à la réalisation des mesures : fausse, technique, physique.

Formage sous vide

Il s'agit de la production de produits à partir de matériaux thermoplastiques modernes sous forme chaude en utilisant basse pression action de l'air ou du vide.

Le formage sous vide est considéré comme une méthode d'étirage, à la suite de laquelle la feuille de plastique située au-dessus de la matrice est chauffée à une certaine valeur de température. Ensuite, la feuille reprend la forme de la matrice, cela s'explique par la création d'un vide entre elle et le plastique.

Appareils à électrovide

Ce sont des appareils conçus pour créer, améliorer et transformer énergie électromagnétique. Dans un tel dispositif, l'air est évacué de l'espace de travail et pour se protéger contre environnement une coque imperméable est utilisée. Des exemples de tels dispositifs sont les dispositifs électroniques à vide, dans lesquels les électrons sont libérés dans le vide. Les lampes à incandescence peuvent également être considérées comme des appareils électriques à vide.

Gaz à basse pression

Un gaz est dit raréfié si sa densité est insignifiante et si la longueur du trajet des molécules est comparable à la taille du récipient dans lequel se trouve le gaz. Dans un tel état, on observe une diminution du nombre d'électrons proportionnellement à la densité du gaz.

Dans le cas d'un gaz très raréfié, il n'y a pratiquement pas de frottement interne. Au lieu de cela, un frottement externe du gaz en mouvement contre les parois apparaît, ce qui s'explique par le changement de l'ampleur de l'impulsion des molécules lorsqu'elles entrent en collision avec le récipient. DANS situation similaire il existe une proportionnalité directe entre la vitesse de déplacement des particules et la densité du gaz.

Dans le cas d'un vide poussé, on observe de fréquentes collisions entre particules de gaz en plein volume, qui s'accompagnent d'un échange stable d'énergie thermique. Ceci explique le phénomène de transfert (diffusion, conductivité thermique) et est activement utilisé dans la technologie moderne.

Obtention de gaz raréfiés

L’étude scientifique et le développement des instruments à vide ont commencé au milieu du XVIIe siècle. En 1643, l'Italien Torricelli réussit à déterminer la valeur de la pression atmosphérique, et après l'invention d'O. Guericke une pompe à piston mécanique avec un joint hydraulique spécial, une réelle opportunité se présenta pour mener de nombreuses études sur les caractéristiques du gaz raréfié. Parallèlement, les possibilités de l'effet du vide sur les êtres vivants ont été étudiées. Des expériences réalisées sous vide avec une décharge électrique ont contribué à la découverte de l'électron négatif, le rayonnement X.

Grâce à la capacité d'isolation thermique du vide, il est devenu possible d'expliquer les méthodes de transfert de chaleur et d'utiliser des informations théoriques pour le développement de la technologie cryogénique moderne.

Application sous vide

En 1873, le premier appareil électrique à vide est inventé. C'était une lampe à incandescence créée par le physicien russe Lodygin. C'est à partir de cette époque que l'utilisation pratique de la technologie du vide se développe et que de nouvelles méthodes pour obtenir et étudier cet état apparaissent.

En peu de temps, ils ont été créés différentes sortes Les pompes à vide:

• rotation;
• cryosorption;
• moléculaire;
• la diffusion.

Au début du XXe siècle, l'académicien Lebedev a réussi à améliorer base scientifique industrie du vide. Jusqu'au milieu du siècle dernier, les scientifiques n'admettaient pas la possibilité d'obtenir une pression inférieure à 10-6 Pa.

Actuellement, ils sont entièrement métalliques pour éviter les fuites. Les pompes cryogéniques sous vide sont utilisées non seulement dans les laboratoires de recherche, mais également dans champs variés industrie.

Par exemple, après le développement de moyens de pompage spéciaux qui ne polluent pas l'objet utilisé, de nouvelles perspectives d'utilisation de la technologie du vide sont apparues. En chimie, de tels systèmes sont activement utilisés à des fins qualitatives et analyse quantitative propriétés de séparation d'un mélange en composants, analyse de la vitesse de divers processus.

Le concept de vide a évolué au fil du temps. Au tout début du développement des sciences du monde environnant, le vide signifiait simplement le vide ; même le vide lui-même est traduit du latin par « vide ». Il s’agissait plutôt d’une catégorie philosophique, puisque les scientifiques n’avaient pas l’occasion d’étudier quoi que ce soit, même de loin, cohérent avec les idées sur le vide. Les modernes appellent vide l’état d’un champ quantique dans lequel son état énergétique est au niveau le plus bas. Cet état se caractérise principalement par le fait qu’il ne contient pas de véritables particules. Le vide technique est un gaz hautement raréfié. Ce vide n’est pas tout à fait idéal, mais le fait est que, dans ces conditions, il est inaccessible. Après tout, tous les matériaux laissent passer les gaz dans des volumes microscopiques, de sorte que tout vide contenu dans un récipient aura des interférences. Le degré de sa raréfaction est mesuré à l'aide du paramètre λ (lambda), qui indique la longueur de la particule libre. Il s’agit de la distance qu’il peut parcourir avant d’entrer en collision avec un obstacle sous la forme d’une autre particule ou contre la paroi d’un conteneur. Un vide poussé est un vide dans lequel les molécules de gaz peuvent passer d’une paroi à une autre sans presque jamais entrer en collision les unes avec les autres. Le vide faible se caractérise par un nombre assez important de collisions. Mais même si nous supposons qu'il est possible d'atteindre un vide idéal, nous ne devons toujours pas oublier un facteur tel que le rayonnement thermique - ce qu'on appelle le gaz de photons. Grâce à ce phénomène, la température d'un corps placé sous vide deviendrait, au bout d'un certain temps, la même que celle des parois du récipient. Cela se produira précisément en raison du mouvement des photons thermiques. Un vide physique est un espace dans lequel il n’y a aucune masse. Mais, selon la théorie quantique des champs, même dans cet état, on ne peut pas parler de vide absolu, puisque des particules virtuelles se forment continuellement dans le vide physique. On les appelle également oscillations de champ du point zéro. Il existe diverses théories des champs selon lesquelles les propriétés de l'espace sans masse peuvent varier légèrement. On suppose que le vide peut être de plusieurs types, chacun ayant ses propres caractéristiques. Certaines propriétés du champ quantique prédites par les théoriciens ont déjà été confirmées expérimentalement. Parmi les hypothèses, il y a aussi celles qui peuvent confirmer ou réfuter les théories fondamentales de la physique. Par exemple, l’hypothèse selon laquelle de faux vides (divers états de vide) sont possibles est très importante pour confirmer la théorie de l’inflation du Bolchoï.

Les pressions mesurées sur une échelle utilisant zéro comme point de référence sont appelées pressions absolues. La pression atmosphérique à la surface de la Terre varie, mais elle est d'environ 10 5 Pa (1 000 mbar). Il s’agit d’une pression absolue car elle est exprimée en termes de zéro.

Capteur conçu pour mesurer une pression exprimée par rapport à la pression atmosphérique, et indiquant ainsi zéro lorsque son port de mesure contient des molécules à pression atmosphérique. Les mesures effectuées par un tel capteur sont dites mesures de pression relative. Ainsi, la différence entre la valeur de pression absolue et la valeur de surpression est une valeur atmosphérique variable :

Absolu = excès + atmosphérique.

Pour éviter de graves erreurs, il est important de savoir quel mode de mesure du vide est utilisé : absolu ou relatif. Notez que la ligne de référence pour les mesures du mode d'étalonnage n'est pas droite, illustrant la variabilité de la pression atmosphérique.

Unités de vide et de pression

Unités historiques

Malheureusement, il existe une grande variété d'unités de mesure du vide et de la pression, ce qui crée des défis importants tant pour les techniciens débutants que expérimentés. Heureusement, la vie devient plus facile à mesure que les unités obsolètes et mal définies disparaissent au profit de l’unité de mesure SI.

De nombreuses unités plus anciennes présentent des caractéristiques pratiques et évidentes. origine historique; Par exemple, le pouce d’eau était l’unité utilisée lorsque la pression était mesurée par une colonne d’eau dont la surface supérieure était visible sur l’échelle en pouces. Initialement, la précision des mesures de vide requise pour de tels systèmes correspondait à des méthodes de mesure du vide plutôt rudimentaires, et personne ne se souciait de savoir si l'eau était chaude ou froide. À mesure que les besoins technologiques ont augmenté, le besoin de mesures plus cohérentes est apparu. Modèles mathématiques les instruments de mesure ont été considérablement améliorés. Par exemple, dans une conception traditionnelle pour mesurer le vide d'un baromètre à mercure, des décompositions différentielles ont été adoptées entre le mercure dans la colonne, le verre à partir duquel la colonne a été fabriquée, le laiton à partir duquel la balance a été fabriquée et le réservoir en acier. Cependant, même avec des définitions raffinées et les mathématiques associées, de nombreuses unités traditionnelles ne peuvent pas être utilisées dans le cadre de la technologie moderne.

Unité SI

L'unité de mesure SI est le pascal, en abrégé Pa, nom donné à la pression d'un newton par mètre carré(N/m2). S'il est facile de visualiser un mètre carré, un newton est plus difficile, mais il est à peu près égal à la force vers le bas exercée sur la main lorsqu'elle tient une petite pomme (si le détenteur est posé à la surface de la terre !). Vie courante, un pascal est une très petite valeur, la pression atmosphérique étant d'environ 100 000 Pa. Au fond d'une casserole remplie d'eau, la pression due à la profondeur de l'eau sera d'environ 1000 Pa supérieure à celle à la surface de l'eau. Pour éviter l'utilisation de nombres compliqués, des multiples de 103 et 0,001 se voient attribuer des préfixes, de sorte que, par exemple, 100 000 Pa (105 Pa) pourrait être écrit sous la forme 100 kPa ou 0,1 MPa.

Unités de vide et conversion

Les relations entre le pascal et plusieurs autres unités sont indiquées dans le tableau, mais notez que toutes ne sont pas ou ne peuvent pas être exprimées avec précision. Les chiffres romains en exposant dans un tableau font référence aux notes qui le suivent.

Méthodes de mesure du vide

Dispositions générales

Les instruments de mesure du vide utilisent un certain nombre de principes très différents. Certains d'entre eux sont de nature fondamentale, par exemple la mesure de la hauteur d'une colonne de liquide de densité connue. Un tel exemple est le baromètre à mercure, dans lequel la pression atmosphérique peut être équilibrée par une colonne de mercure. Une extension de cette idée pour une utilisation dans hautes pressions- utilisation de poids métalliques agissant au-dessus zone connue pour fournir de la force plutôt que du poids au fluide.

Le vide peut souvent être déterminé en mesurant la déformation mécanique d'un élément de détection, qui subit une déformation élastique lorsque la différence de pression sur ses surfaces change. La déflexion mécanique peut être réalisée et perçue de plusieurs manières. L’un des types d’éléments mécaniques mobiles les plus courants est le diaphragme élastique. Un autre exemple est un tube de Bourdon, où la pression interne force un tube incurvé à se redresser.

Une telle déformation mécanique peut être détectée de plusieurs manières : par une série de bras mécaniques pour afficher directement la déformation, en mesurant la résistance dans une jauge de contrainte, en mesurant la capacité, en modifiant la fréquence de l'élément résonant lorsqu'il est étiré ou comprimé, etc.

Lorsque le vide est profond et que la déviation mécanique est donc trop faible pour mesurer le vide, des moyens indirects sont utilisés pour mesurer propriétés physiques, comme la conductivité thermique, l'ionisation ou la viscosité, qui dépendent de la densité du nombre de molécules.

Colonne de liquide

L’une des premières méthodes de mesure du vide, et encore aujourd’hui l’une des plus précises, consiste à utiliser une colonne de liquide pour forcer le liquide à sortir d’un tuyau.

Le manomètre illustré sur la figure est essentiellement un tube en U rempli de liquide dans lequel la séparation verticale des surfaces du liquide permet de mesurer la différence de pression. Au niveau du point zéro d ; la pression L est fournie par le liquide au-dessus, plus la pression p 2 au sommet du tube. En équilibre, la colonne est maintenue par une pression ascendante p 1, qui est transmise à travers le fluide depuis l'autre membre.

La pression p 1 sur la surface inférieure du liquide est définie comme :

Où h est la hauteur verticale de la colonne de liquide au-dessus du niveau du point zéro, P est la densité du liquide, g est la valeur locale de l'accélération de la gravité. Si le tube supérieur est connecté à l'atmosphère (p2 = pression atmosphérique), alors p1 est la pression d'étalonnage ; Si le tube supérieur est mis sous vide (c'est-à-dire P2 = zéro), alors P1 est la pression absolue et l'instrument devient un baromètre.

Le mercure, l'eau et l'huile sont utilisés dans diverses conceptions de manomètres, bien que le mercure soit toujours utilisé à des fins barométriques ; Sa densité est plus de 13 fois supérieure à celle de l’eau ou du pétrole et nécessite donc une colonne beaucoup plus courte. Environ 0,75 m lors de la mesure de la pression atmosphérique. La densité du mercure est également beaucoup plus stable que celle des autres liquides.

Mesure du vide par déformation d'un élément élastique.

Lorsqu’une pression est appliquée sur un élément déformant, celui-ci se déplace. Pour créer un capteur de pression, le déplacement doit être suffisamment petit pour rester dans la limite élastique du matériau, mais suffisamment grand pour être détecté avec une résolution suffisante. Par conséquent, à des pressions plus faibles, des composants minces et flexibles sont utilisés, et à des pressions plus élevées, des composants plus rigides sont utilisés. Il existe plusieurs méthodes utilisées pour déterminer le degré d'écart. Celles-ci vont du renforcement mécanique, produisant une déviation visible du pointeur, aux méthodes de détection électronique.

Les outils répertoriés ci-dessous n'incluent pas tous les types, mais ceux qui sont couramment utilisés dans l'industrie.

Diaphragmes

Une membrane fixée sur une base rigide sera soumise à une force s'il y a une différence de pression entre chaque côté. Il est plus simple de réaliser des diaphragmes ronds, mais d'autres formes sont également possibles. La différence entraînera une déviation du diaphragme avec une déviation maximale au centre, et cette déviation peut être mesurée à l'aide de divers capteurs mécaniques et électroniques. Lorsque le centre se déforme, la surface du diaphragme est également sollicitée et peut présenter, d'une part, des contraintes de compression autour du bord extérieur et des contraintes de traction autour de la partie centrale du diaphragme. Cette configuration de contrainte peut être détectée à l'aide de jauges de contrainte et le vide peut être calculé à partir de ces informations.

Capsules. Essentiellement, les capsules sont constituées d'une paire de diaphragmes reliés par leurs bords extérieurs. L'un aura un raccord central à travers lequel la pression est appliquée, et le mouvement du centre de l'autre diaphragme par rapport au premier est déterminé par un type de capteur. Il est clair que l'action de deux diaphragmes agissant en série devrait doubler la déflexion.

Soufflet. Il n'y a pas de distinction claire entre les soufflets et les capsules, mais les soufflets comportent généralement plusieurs sections empilées en série et sont généralement petits par rapport à leur diamètre. Les soufflets peuvent être roulés à partir d'un tuyau, formés sous pression ou formés d'éléments soudés.

Tube de Bourdon

Exister divers modèles, Mais forme typique est un tuyau fermé de section ovale, courbé sur toute sa longueur. Lorsque le tube est sous pression, il a tendance à se redresser, et le capteur détecte ce mouvement. Ils peuvent être conçus pour fonctionner sur une large plage, ainsi qu’en modes jauge, absolu et différentiel. Des types simples en forme de « C », hélicoïdaux et hélicoïdaux sont disponibles. La détection électronique du mouvement final est couramment utilisée avec les dispositifs hélicoïdaux à quartz.

Mesures de vide par mesures de conductivité thermique

Pour mesurer le vide, le transfert d'énergie d'un fil chaud à travers un gaz peut être utilisé. La chaleur est transférée dans le gaz par collisions moléculaires avec le fil, c'est-à-dire conductivité thermique et le taux de transfert de chaleur dépend de la conductivité thermique du gaz. Ainsi, la précision de ces instruments dépend fortement de la composition du gaz. Dans la région du vide profond, où règne un écoulement moléculaire (nombre de Knudsen supérieur à 3, où nombre de Knudsen = libre parcours moyen / taille caractéristique du système), le transfert de chaleur est proportionnel au vide. À mesure que le nombre de molécules augmente, le gaz devient plus dense et les molécules commencent à entrer en collision plus souvent. Dans cette région dite de flux de transition (ou flux de glissement, 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.

Vacuomètres Pirani

La perte de chaleur d'un fil (généralement 5 à 20 µm) peut être déterminée indirectement en utilisant un circuit en pont de Wheatstone, qui chauffe le fil et mesure sa résistance et donc sa température. Il existe deux principaux types d'éléments chauffants. La configuration traditionnelle et beaucoup plus courante consiste en un mince fil métallique suspendu dans une tête de mesure. Une autre configuration est une structure micro-usinée, généralement constituée de silicium recouvert d'un mince film métallique tel que du platine. Dans une configuration typique, un mince fil métallique est suspendu à au moins un côté électriquement isolé dans la tête de mesure et en contact avec le gaz. Le tungstène, le nickel, l'iridium ou le platine peuvent être utilisés pour le fil. Le fil est chauffé électriquement et le transfert de chaleur est mesuré électroniquement. Il existe trois méthodes de fonctionnement générales : la méthode à température constante, le pont à tension constante et le pont à courant constant. Toutes ces méthodes mesurent indirectement la température du fil par sa résistance. Le principal inconvénient de l’utilisation des capteurs Pirani est leur forte dépendance à la composition du gaz et leur précision limitée. La répétabilité des capteurs Pirani est généralement assez bonne tant qu'une contamination grave ne se produit pas. La plage de mesure du vide des capteurs Pirani va d'environ 10-2 Pa à 105 Pa, mais les meilleures performances sont généralement obtenues entre environ 0,1 Pa et 1 000 Pa.

Capteurs d'ionisation pour la mesure du vide

Lorsque le vide dans le système est inférieur à environ 0,1 Pa (10 -3 mbar), les méthodes directes de mesure du vide par des moyens tels que la déflexion du diaphragme ou la mesure des propriétés du gaz telles que la conductivité thermique ne peuvent plus être facilement appliquées. Il est nécessaire de recourir à des méthodes qui comptent essentiellement le nombre de molécules de gaz présentes, c'est-à-dire qu'elles mesurent la densité plutôt que le vide. D'après la théorie cinétique des gaz, pour un gaz donné de température T connue, la pression p est directement liée à la densité du nombre n par l'équation (dans la limite d'un gaz parfait) :

Où c est une constante. L’une des méthodes les plus pratiques pour mesurer la densité numérique consiste à utiliser une technique d’ionisation des molécules de gaz, puis à collecter les ions. La plupart des capteurs à vide pratiques utilisent des électrons d'énergie modérée (50 eV à 150 eV) pour réaliser l'ionisation. Le courant ionique résultant est directement lié au vide et un étalonnage peut donc être effectué. Cette dernière affirmation n’est vraie que pour une plage de pression finie, qui déterminera la plage de fonctionnement de l’appareil. La limite supérieure de pression sera atteinte lorsque la densité du gaz est suffisamment grande pour que la création d'un ion ait une probabilité significative d'interagir avec des molécules de gaz neutres ou des électrons libres dans le gaz, de sorte que l'ion lui-même soit neutralisé et ne puisse pas atteindre la pression. collecteur, à des fins pratiques dans les systèmes de laboratoire typiques ou dans les installations industrielles, cela peut être pris comme 0,1 Pa (10 -3 mbar).

La limite inférieure du vide d'une jauge sera atteinte lorsque le courant de fuite électrique dans la tête de mesure ou l'électronique de mesure devient comparable au courant ionique mesuré, ou lorsqu'un autre effet physique (tel que l'influence de rayons X étrangers) provoque des courants de cette ampleur à apparaître. Pour la plupart des capteurs décrits dans ce manuel, ces limites sont inférieures à 10 -6 Pa (10 -8 mbar).

L'équation d'étalonnage de base pour l'étalonnage par ionisation est :

Ic - courant ionique K - constante contenant la probabilité d'ioniser une molécule de gaz par quelque moyen que ce soit et la probabilité de collecter l'ion résultant n - densité du nombre de molécules de gaz Ie - courant de l'électron ionisant.

La probabilité qu'une molécule de gaz s'ionise dépendra de nombreux facteurs et, par conséquent, un capteur d'ionisation aura différentes valeurs de sensibilité pour différents types de gaz. La plupart des capteurs de vide pratiques utilisent une stimulation électronique pour ioniser les molécules de gaz, ce qui peut être réalisé simplement en « faisant bouillir » les électrons d'un filament de fil chaud et en les attirant vers une sorte de collecteur électronique. Les ions sont ensuite attirés vers le collecteur. Malheureusement, la probabilité d’ioniser une molécule de gaz par un électron est si faible en un seul passage dans une jauge de taille normale qu’il est nécessaire d’augmenter la longueur du trajet électronique et ainsi d’augmenter la probabilité qu’un électron crée un ion.

Deux méthodes sont largement utilisées. Dans un capteur d'ionisation à étalonnage à cathode chaude, les électrons produits dans un filament chaud sont attirés vers une grille constituée de fil très fin et à un potentiel électrique positif. Puisque le maillage est ouvert, il y a de très fortes chances que l’électron traverse le maillage sans heurter le fil. Si la grille est entourée d’un écran avec un potentiel électrique négatif, l’électron sera réfléchi par cet écran et sera attiré vers la grille. Ce processus peut se produire plusieurs fois avant que l’électron n’atteigne finalement la grille. De très longues trajectoires d’électrons peuvent ainsi être réalisées dans un petit volume. En revanche, les ions sont attirés directement dans le collecteur.

Une lampe à ionisation à cathode froide se passe de filament chaud et utilise une combinaison de champs électriques et magnétiques. Tout électron tournera autour des lignes de force magnétiques avant d’être finalement collecté au niveau de l’anode chargée positivement. En fait, la longueur du trajet sera si longue et la probabilité d'ionisation si grande qu'après le déclenchement, une décharge de gaz auto-entretenue sera créée, à condition que les ions soient rapidement chassés de la zone de décharge par le collecteur d'ions.

Choisir un appareil de mesure du vide

Avant de sélectionner un instrument à vide et d'identifier un fournisseur approprié, il est important d'établir des critères de sélection. Ceux-ci incluront de nombreux facteurs et cette section est destinée à aider l'utilisateur potentiel à faire un choix.

Profondeur de mesure du vide

Caractéristiques de l'environnement

Environnement externe

Caractéristiques physiques de l'appareil

Type d'utilisation

Sécurité

Installation et entretien

Conversion de signaux

Le terme " vide", en tant que phénomène physique, est un milieu dans lequel la pression du gaz est inférieure à la pression atmosphérique.

La pression absolue sert de caractéristique quantitative du vide. La principale unité de mesure de la pression dans le Système International (SI) est le Pascal (1 Pa = 1N/m2). Cependant, dans la pratique, il existe également d'autres unités de mesure, comme les millibars (1 mbar = 100 Pa) et les Torres ou millimètres de mercure (1 mm Hg = 133,322 Pa). Ces unités ne sont pas des unités SI, mais sont acceptables pour mesurer la tension artérielle.

Niveaux de vide

En fonction du niveau de pression inférieur à la pression atmosphérique (101325 Pa), divers phénomènes peuvent être observés, à la suite desquels différents moyens peuvent être utilisés pour obtenir et mesurer cette pression. Il existe aujourd'hui plusieurs niveaux de vide, chacun ayant sa propre désignation en fonction des intervalles de pression inférieure à la pression atmosphérique :

• Vide poussé (LV) : de 10 5 à 10 2 Pa,
• Vide moyen (SV) : de 10 2 à 10 -1 Pa,
• Vide poussé (HV) : de 10 -1 à 10 -5 Pa,
• Ultra-vide (UHV) : de 10 -5 à 10 -9 Pa,
• Vide extrêmement poussé (EHV) :

Ces niveaux de vide sont divisés en trois groupes de production en fonction du domaine d'application.

- Faible vide: Principalement utilisé là où de grandes quantités d’air doivent être pompées. Pour obtenir un vide poussé, on utilise des pompes électromécaniques de type à palettes, des pompes centrifuges, à canal latéral, des générateurs de débit, etc.

Le vide poussé est utilisé, par exemple, dans les usines de sérigraphie.

- Aspirateur industriel: Le terme « vide industriel » correspond à un niveau de vide de -20 à -99 kPa. Cette gamme est utilisée dans la plupart des applications. Le vide industriel est obtenu à l'aide de pompes rotatives, à anneau liquide, à piston et de générateurs de vide à palettes selon le principe Venturi. Les applications industrielles du vide incluent la préhension par ventouse, le thermoformage, le serrage sous vide, l'emballage sous vide, etc.

- Vide technique: correspond au niveau de vide à partir de -99 kPa. Ce niveau de vide est obtenu à l'aide de pompes rotatives à deux niveaux, de pompes rotatives excentriques, de pompes à vide Roots, de pompes turbomoléculaires, de pompes à diffusion, de pompes cryogéniques, etc.

Ce niveau de vide est principalement utilisé en lyophilisation, métallisation et traitement thermique. En science, le vide technique est utilisé comme simulation de l’espace.

La valeur du vide la plus élevée sur Terre est nettement inférieure à la valeur du vide absolu, qui reste une valeur purement théorique. En fait, même dans l’espace, malgré l’absence d’atmosphère, il existe un petit nombre d’atomes.

Le principal moteur du développement de la technologie du vide est venu de la recherche dans le domaine industriel. Il existe actuellement un grand nombre d’applications dans divers secteurs. Le vide est utilisé dans les tubes électrorayons, les lampes à incandescence, les accélérateurs de particules, la métallurgie, l'alimentation et l'aérospatiale, le contrôle de la fusion nucléaire, la microélectronique, le verre et la céramique, la science, la robotique industrielle, les systèmes de préhension à ventouse, etc.

Exemples d'applications du vide dans l'industrie

Systèmes de préhension multiples sous vide "OCTOPUS"

Ventouses sous vide - informations générales

Les ventouses à vide sont un outil indispensable pour saisir, soulever et déplacer des objets, des tôles et des objets divers difficiles à déplacer avec les systèmes classiques en raison de leur fragilité ou de leurs risques de déformation.

Lorsqu'elles sont utilisées correctement, les ventouses offrent un fonctionnement pratique, économique et sûr, ce qui constitue un principe fondamental pour la mise en œuvre idéale des projets d'automatisation en production.

La recherche à long terme et l'attention portée aux exigences de nos clients nous ont permis de produire des ventouses capables de résister à des températures élevées et basses, à l'usure abrasive, aux décharges électrostatiques, aux environnements agressifs, et qui ne laissent pas non plus de taches sur la surface des objets transportés. De plus, les ventouses sont conformes aux normes de sécurité CEE et aux normes alimentaires FDA, BGA, TSCA.

Toutes les ventouses sont fabriquées à partir de composants formés sous vide de haute qualité et sont traitées avec un traitement anticorrosion pour une longue durée de vie. Quelle que soit la configuration, toutes les ventouses ont leurs propres marquages.

Système de capture multiple Octopus