Терминът " вакуум“, като физическо явление, е среда, в която налягането на газа е под атмосферното.

Абсолютното налягане служи като количествена характеристика на вакуума. Основната единица за измерване на налягането в Международната система (SI) е паскал (1 Pa = 1N/m2). На практика обаче има и други мерни единици, като например милибари (1 mbar = 100 Pa) и торес или милиметри живак (1 mm Hg = 133,322 Pa). Тези единици не са единици SI, но са приемливи за измерване на кръвното налягане.

Нива на вакуум

В зависимост от това колко налягането е под атмосферното налягане (101325 Pa), могат да се наблюдават различни явления, в резултат на които могат да се използват различни средства за получаване и измерване на такова налягане. Днес има няколко нива на вакуум, всяка от които има свое собствено обозначение в съответствие с интервалите на налягане под атмосферното:

• Нисък вакуум (LV): от 10 5 до 10 2 Pa,
• Среден вакуум (SV): от 10 2 до 10 -1 Pa,
• Висок вакуум (HV): от 10 -1 до 10 -5 Pa,
• Свръхвисок вакуум (UHV): от 10 -5 до 10 -9 Pa,
• Изключително висок вакуум (EHV):

Тези нива на вакуум са разделени на три производствени групи в зависимост от областта на приложение.

- Нисък вакуум: Използва се главно там, където трябва да се изпомпват големи количества въздух. За постигане на нисък вакуум се използват електромеханични помпи от лопатков тип, центробежни, странични канални помпи, генератори на поток и др.

Ниският вакуум се използва например във фабриките за ситопечат.

- Индустриален вакуум: Терминът “промишлен вакуум” съответства на ниво на вакуум от -20 до -99 kPa. Този диапазон се използва в повечето приложения. Индустриалният вакуум се получава с помощта на ротационни, течно-пръстенови, бутални помпи и лопаткови генератори на вакуум съгласно принципа на Вентури. Индустриалните вакуумни приложения включват захващане на вендуза, термоформоване, вакуумно затягане, вакуумно опаковане и др.

- Технически вакуум: съответства на ниво на вакуум от -99 kPa. Това ниво на вакуум се получава с помощта на двустепенни ротационни помпи, ексцентрични ротационни помпи, вакуумни помпи на Roots, турбомолекулярни помпи, дифузионни помпи, криогенни помпи и др.

Това ниво на вакуум се използва главно при лиофилизация, метализация и термична обработка. В науката техническият вакуум се използва като симулация на космическото пространство.

Най-високата стойност на вакуума на земята е значително по-малка от стойността на абсолютния вакуум, която си остава чисто теоретична стойност. Всъщност дори в космоса, въпреки липсата на атмосфера, има малък брой атоми.

Основният тласък за развитието на вакуумната технология идва от изследванията в индустриалната област. В момента има голям брой приложения в различни сектори. Вакуумът се използва в електролъчеви тръби, лампи с нажежаема жичка, ускорители на частици, металургия, хранителна и космическа промишленост, контрол на ядрения синтез, микроелектроника, стъкло и керамика, наука, индустриална роботика, системи за захващане на вендузи и др.

Примери за приложения на вакуум в промишлеността

Вакуумни многозахватни системи "ОКТОПОД"

Вакуумни вендузи - обща информация

Вакуумните вендузи са незаменим инструмент за захващане, повдигане и преместване на предмети, чаршафи и различни предмети, които са трудни за преместване с конвенционалните системи поради тяхната чупливост или риск от деформация.

Когато се използват правилно, вендузите осигуряват удобна, икономична и безопасна работа, което е основен принцип за идеалното изпълнение на проекти за автоматизация в производството.

Дългосрочните изследвания и вниманието към изискванията на нашите клиенти ни позволиха да произвеждаме вендузи, които могат да издържат на високи и ниски температури, абразивно износване, електростатични разряди, агресивни среди, а също така не оставят петна по повърхността на пренасяните предмети. В допълнение, вендузите отговарят на стандартите за безопасност на ЕИО и стандартите за храни на FDA, BGA, TSCA.

Всички вендузи са изработени от висококачествени вакуумно формовани компоненти и са обработени с антикорозионна обработка за дълъг експлоатационен живот. Независимо от конфигурацията, всички вендузи имат собствена маркировка.

Система за множествено улавяне Octopus

Много често при нас идват хора, които искат да си купят вакуумна помпа, но нямат представа какво е вакуум.
Нека се опитаме да разберем какво е то.

По дефиниция вакуумът е пространство, свободно от материя (от латинската дума “vacuus” - празно).
Има няколко определения за вакуум: технически вакуум, физически вакуум, космически вакуум и др.
Ще разгледаме техническия вакуум, който се определя като силно разреден газ.

Нека да разгледаме пример за това какво е вакуум и как се измерва.
На нашата планета има атмосферно налягане, взето като едно (една атмосфера). Той се променя в зависимост от времето, надморската височина и морското равнище, но ние няма да вземем това предвид, тъй като това по никакъв начин няма да повлияе на разбирането на концепцията за вакуум.
И така, имаме налягане на повърхността на земята, равно на 1 атмосфера. Всичко под 1 атмосфера (в затворен съд) се нарича технически вакуум.

Да вземем съд и да го затворим с херметичен капак. Налягането в съда ще бъде 1 атмосфера. Ако започнем да изпомпваме въздух от съд, в него ще възникне вакуум, който се нарича вакуум.
Нека да разгледаме пример: в левия съд има 10 кръга. Нека е 1 атмосфера.
„изпомпваме“ половината - получаваме 0,5 atm, оставяме една - получаваме 0,1 atm.

Тъй като в съда има само една атмосфера, тогава максималният възможен вакуум, който можем да получим (теоретично) е нула атмосфери.
"Теоретично" - защото Почти невъзможно е да се уловят всички въздушни молекули от съда.
Следователно във всеки съд, от който е изпомпван въздух (газ), винаги остава някакво минимално количество от него. Това се нарича „остатъчно налягане“, т.е. налягането, което остава в съда след изпомпване на газове от него.
Има специални помпи, които могат да достигнат дълбок вакуум до 0,00001 Ра, но все пак не до нула.
В обикновения живот рядко се изисква вакуум, по-дълбок от 0,5 - 10 Pa (0,00005-0,0001 atm).

Има няколко възможности за измерване на вакуум в зависимост от избора на референтна точка:
1. Единицата се приема за атмосферно налягане. Всичко под едно е вакуум.
Тоест скалата на вакуумметъра е от 1 до 0 атм (1…0.9…0.8…0.7…..0.2…0.1….0).
2. Атмосферното налягане се приема за нула. Тоест вакуум - всички отрицателни числа са по-малки от 0 и до -1.
Тоест скалата на вакуумметъра е от 0 до -1 (0, -0.1...-0.2...., -0.9,...-1).
Също така скалите могат да бъдат в kPa, mBar, но всичко това е подобно на скалите в атмосфери.

На снимката са показани вакуумметри с различни скали, които показват един и същ вакуум:

От всичко казано по-горе става ясно, че величината на вакуума не може да бъде по-голяма от атмосферното налягане.

Почти всеки ден с нас се свързват хора, които искат да получат вакуум от -2, -3 атм и т.н.
И са много изненадани, когато разберат, че това е невъзможно (между другото, всеки втори от тях казва, че „ти самият нищо не знаеш“, „но със съседа е така“ и т.н., и т.н.)

Всъщност всички тези хора искат да формоват части под вакуум, но така че налягането върху детайла да е повече от 1 kg/cm2 (1 атмосфера).
Това може да се постигне чрез покриване на продукта с филм, изпомпване на въздуха отдолу (в този случай, в зависимост от създадения вакуум, максималното налягане ще бъде 1 kg/cm2 (1 atm=1 kg/cm2)), и след това поставяне на всичко това в автоклав, в който ще се създаде излишно налягане. Тоест, за да се създаде налягане от 2 kg / cm2, е достатъчно да се създаде свръхналягане от 1 atm в автоклава.

Сега няколко думи за това колко клиенти измерват вакуум на изложението Ampika Pumps LLC в нашия офис:
включете помпата, поставете пръста си (длан) върху смукателния отвор на вакуумната помпа и веднага направете заключение за големината на вакуума.

Обикновено всеки много обича да сравнява съветската вакуумна помпа 2NVR-5DM и нейния аналог VE-2100, който предлагаме.
След такава проверка винаги казват едно и също - вакуумът на 2NVR-5DM е по-висок (въпреки че всъщност и двете помпи произвеждат едни и същи параметри на вакуум).

Каква е причината за тази реакция? И както винаги – в непознаването на законите на физиката и какво е налягането като цяло.

Малко образователна информация: налягането "P" е сила, която действа върху определена повърхност, насочена перпендикулярно на тази повърхност (отношението на силата "F" към повърхността "S"), тоест P = F/ С.
С прости думи, това е сила, разпределена върху повърхност.
От тази формула може да се види, че колкото по-голяма е повърхността, толкова по-ниско ще бъде налягането. Освен това силата, необходима за повдигане на ръка или пръст от входа на помпата, е право пропорционална на повърхността (F=P*S).
Диаметърът на смукателния отвор на вакуумната помпа 2NVR-5DM е 25 mm (площ на повърхността 78,5 mm2).
Диаметърът на смукателния отвор на вакуумна помпа VE-2100 е 6 mm (площ на повърхността 18,8 mm2).
Тоест, за да се повдигне ръка от дупка с диаметър 25 mm, е необходима сила 4,2 пъти по-голяма от тази за дупка с диаметър 6 mm (при същото налягане).
Ето защо, когато вакуумът се измерва с пръсти, се получава такъв парадокс.
Налягането "P" в този случай се изчислява като разликата между атмосферното налягане и остатъчното налягане в съда (т.е. вакуумът в помпата).

Как да изчислим силата на притискане на част към повърхност?
Много просто. Можете да използвате формулата, дадена по-горе, но нека се опитаме да я обясним по-просто.
Например, да кажем, че трябва да разберете с каква сила може да се натисне част с размери 10x10 cm, когато под нея се създаде вакуум с помпа VVN 1-0,75.

Вземаме остатъчното налягане, което създава тази вакуумна помпа от серията BBH.
По-конкретно, за тази водна пръстеновидна помпа VVN 1-0,75 е 0,4 atm.
1 атмосфера е равна на 1 kg/cm2.
Площта на частта е 100 cm2 (10 cm x 10 cm).
Тоест, ако създадете максимален вакуум (т.е. налягането върху частта ще бъде 1 atm), тогава частта ще бъде натисната със сила от 100 kg.
Тъй като имаме вакуум от 0,4 atm, налягането ще бъде 0,4x100 = 40 kg.
Но това е на теория, при идеални условия, ако няма изтичане на въздух и т.н.
В действителност трябва да вземете предвид това и налягането ще бъде с 20...40% по-малко в зависимост от вида на повърхността, скоростта на изпомпване и т.н.

Сега няколко думи за механичните вакуумметри.
Тези устройства показват остатъчно налягане в диапазона от 0,05...1 atm.
Тоест няма да показва по-дълбок вакуум (винаги ще показва „0“). Например във всяка вакуумна помпа с ротационни лопатки, след достигане на нейния максимален вакуум, механичният вакуумметър винаги ще показва „0“. Ако е необходимо визуално показване на стойностите на остатъчното налягане, тогава трябва да инсталирате електронен вакуумметър, например VG-64.

Често при нас идват клиенти, които формоват части под вакуум (например части, изработени от композитни материали: въглеродни влакна, фибростъкло и др.), Това е необходимо, така че по време на формоването газът да излиза от свързващото вещество (смола) и по този начин да подобрява свойствата на крайният продукт, както и частта се притиска към матрицата с филм, от който се изпомпва въздух.
Възниква въпросът каква вакуумна помпа да използвам - едностепенна или двустепенна?
Те обикновено смятат, че тъй като вакуумът на двустепенния е по-висок, частите ще бъдат по-добри.

Вакуумът за едностъпална помпа е 20 Pa, за двустепенна помпа е 2 Pa. Изглежда, че тъй като разликата в налягането е 10 пъти, частта ще бъде натисната много по-силно.
Но наистина ли е така?

1 atm = 100000 Pa = 1 kg/cm2.
Това означава, че разликата в налягането на филма при вакуум от 20 Pa и 2 Pa ще бъде 0,00018 kg/cm2 (ако не ви мързи, можете сами да направите изчисленията).

Тоест на практика няма да има разлика, защото... увеличаването на силата на затягане от 0,18 g няма да промени времето.

Как да изчислим колко време ще отнеме на вакуумната помпа да изпомпва вакуумна камера?
За разлика от течностите, газовете заемат целия наличен обем и ако вакуумната помпа е изпомпала половината от въздуха във вакуумната камера, останалият въздух ще се разшири отново и ще заеме целия обем.
По-долу е формулата за изчисляване на този параметър.

t = (V/S)*ln(p1/p2)*F, Където

t е времето (в часове), необходимо за изпомпване на вакуумния обем от налягане p1 до налягане p2
V - обем на изпомпвания резервоар, m3
S - скорост на работа на вакуумната помпа, m3/час
p1 - ​​първоначално налягане в изпомпвания контейнер, mbar
p2 - крайно налягане в изпомпвания резервоар, mbar
ln - натурален логаритъм

F - коефициент на корекция, зависи от крайното налягане в резервоара p2:
- p2 от 1000 до 250 mbar F=1
- p2 от 250 до 100 mbar F=1,5
- p2 от 100 до 50 mbar F=1,75
- p2 от 50 до 20 mbar F=2
- p2 от 20 до 5 mbar F=2,5
- p2 от 5 до 1 mbar F=3

С две думи това е.
Надяваме се, че тази информация ще помогне на някой да направи правилния избор на вакуумно оборудване и да покаже знанията си на чаша бира...

Общоприето е, че вакуумът е пространство, в което практически няма нищо вътре. За да получите вакуум във всеки контейнер, трябва да използвате прост метод: изпомпайте въздуха. За това се използват обикновени помпи за изпомпване на въздух от контейнери, като по този начин се създава вакуум, който се използва широко за различни цели, както в науката, така и в промишлеността (химическа, хранителна, електроника, козметология и много други). Например, когато произвеждате обикновена крушка, е необходимо да създадете вакуум вътре (изпомпване на въздуха), така че кислородът да не доведе до незабавно изгаряне на нишката. Или вземете например обикновен термос. И там се включва вакуум, който се намира между двете стени. Следователно всяка гореща напитка, налята в термос, ще остане гореща дори в най-мразовития ден, а студената напитка ще остане студена дори в най-силната топлина.

Дори в медицината, когато диагностицират заболявания и ги лекуват, те използват устройства с вакуумно оборудване.

Всяка година има все повече и повече нови приложения за вакуум. В ежедневието широко се използват различни вакуумни опаковки, в които е скрито всичко, включително храна и дрехи, и най-обикновени детски играчки. Но основно вакуумът се използва за съхранение на храна. В крайна сметка причината за бързото разваляне на храната е контактът с кислорода. Кислородът е идеалната среда за размножаване на бактериите, в резултат на което храната се разваля, върху нея се появява мухъл и тя започва да гние. Преди това, за да запазят храната свежа, те бяха поставени в хладилника, но там също има кислород. И едва през 20 век се появи нов помощник - вакуум. Всичко е много лесно и просто: продуктите се поставят в специални контейнери, а излишният въздух се изпомпва с помощта на помпа. И продуктите (зелени, месо, риба, плодове) остават свежи за дълго време във вакуумна опаковка. След това могат да се поставят в хладилник за по-дълго съхранение. Чудодейният вакуум напълно изолира продуктите от агресията на околната среда, многократно удължавайки срока им на годност, без загуба на вкус!

Днес те са широко използвани за покриване на всякакви съдове с храна. Такива вакуумни капаци са подходящи за всякакви съдове, изработени от всякакви материали, стига краищата да са равни и гладки. Използвайки вакуумни капаци, вие завинаги ще премахнете необходимостта от множество контейнери за съхранение. Вакуумният капак е изработен от издръжлив материал, който не се деформира при резки температурни промени. И следователно, след като извадите съда от хладилника, можете спокойно да го поставите в микровълновата, без да махате капака. Свръхздравата мембрана издържа на високи температури и е много трудна за разкъсване или пробиване. Тези капаци ще ви издържат много дълго и ще ги използвате отново и отново.

Наляганията, измерени по скала, която използва нула като отправна точка, се наричат ​​абсолютни налягания. Атмосферното налягане на повърхността на Земята варира, но е приблизително 10 5 Pa (1000 mbar). Това е абсолютно налягане, защото се изразява чрез нула.

Сензор, проектиран да измерва налягането, изразено спрямо атмосферното налягане, и по този начин показва нула, когато неговият измервателен порт съдържа молекули при атмосферно налягане. Измерванията, направени от такъв сензор, са известни като измервания на относително налягане. По този начин разликата между стойността на абсолютното налягане и стойността на свръхналягането е променлива атмосферна стойност:

Абсолютно = излишък + атмосферно.

За да избегнете сериозни грешки, е важно да знаете кой режим на измерване на вакуума се използва: абсолютен или относителен. Имайте предвид, че референтната линия за измерванията в режим на калибриране не е права, илюстрирайки променливостта на атмосферното налягане.

Агрегати за вакуум и налягане

Исторически единици

За съжаление има различни единици за измерване на вакуум и налягане, което създава значителни предизвикателства както за начинаещи, така и за опитни техници. За щастие животът става все по-лесен, тъй като остарелите и лошо дефинирани единици изчезват в полза на мерната единица SI.

Много по-стари единици имат очевиден практически и исторически произход; Например, инчът вода е единицата, използвана, когато налягането се измерва от стълб вода, чиято горна повърхност се вижда на инчовата скала. Първоначално точността на измерванията на вакуума, изисквана за такива системи, съответстваше на доста груби методи за измерване на вакуум и никой не се интересуваше дали водата е гореща или студена. Тъй като технологичните нужди нараснаха, възникна необходимостта от по-последователни измервания. Значително са подобрени математическите модели на измервателните уреди. Например, в един традиционен дизайн за измерване на вакуума на живачен барометър бяха приети диференциални разложения между живака в колоната, стъклото, от което е направена колоната, месинга, от който е направена скалата, и стоманения резервоар. Въпреки това, дори с усъвършенствани дефиниции и свързаната с тях математика, много традиционни единици не могат да се използват в рамките на съвременната технология.

SI единица

Мерната единица в SI е паскал, съкратено Pa, името, дадено на налягането от един нютон на квадратен метър (N/m2). Докато един квадратен метър е лесен за визуализиране, един нютон е по-трудно, но е приблизително равен на силата надолу, упражнена върху ръката, когато държите малка ябълка (ако държачът стои на повърхността на земята!) Както за всеки ден живот, един паскал представлява много малко количество, докато атмосферното налягане е приблизително 100 000 Pa. На дъното на тиган, пълен с вода, налягането, дължащо се на дълбочината на водата, ще бъде приблизително 1000 Pa по-голямо, отколкото на повърхността на водата. За да се избегне използването на тромави числа, на кратни на 103 и 0,001 се присвояват префикси, така че например 100 000 Pa (105 Pa) може да се запише като 100 kPa или 0,1 MPa.

Вакуумни агрегати и преобразуване

Връзките между паскал и няколко други единици са показани в таблицата, но имайте предвид, че не всички са или могат да бъдат изразени точно. Надстрочните римски цифри в таблица се отнасят до бележките, които я следват.

Методи за измерване на вакуум

Общи положения

Уредите за измерване на вакуум използват редица много различни принципи. Някои от тях са от фундаментално естество, например измерване на височината на колона течност с известна плътност. Един такъв пример е живачният барометър, при който атмосферното налягане може да се балансира от живачен стълб. Разширение на тази идея за използване при високи налягания е използването на метални тежести, действащи върху известна област, за да осигурят сила, а не тегло на течността.

Вакуумът често може да се определи чрез измерване на механичната деформация на чувствителен елемент, който претърпява еластична деформация, когато разликата в налягането върху неговите повърхности се промени. Механичното отклонение може да бъде осъзнато и възприето по няколко начина. Един от най-често срещаните видове движещи се механични елементи е еластичната диафрагма. Друг пример е тръба на Бурдон, при която вътрешното налягане принуждава извитата тръба да се изправи.

Такава механична деформация може да бъде открита по няколко начина: чрез поредица от механични рамена за директно показване на деформацията, чрез измерване на съпротивление в тензодатчик, чрез измерване на капацитет, чрез промяна на честотата на резониращия елемент при разтягане или компресиране и т.н.

Когато вакуумът е дълбок и следователно механичното отклонение е твърде малко за измерване на вакуума, се използват индиректни средства, които измерват физични свойства като топлопроводимост, йонизация или вискозитет, които зависят от плътността на броя на молекулите.

Колона с течност

Един от най-ранните методи за измерване на вакуум и все още един от най-точните днес е, че колона от течност е в състояние да изтласка течността от тръба.

Манометърът, показан на фигурата, е по същество U-образна тръба, пълна с течност, където вертикалното разделяне на повърхностите на течността осигурява измерване на разликата в налягането. На нивото на нулевата точка d; налягането L се осигурява от течността над нея плюс налягането p 2 в горната част на тръбата. В равновесие колоната се поддържа от възходящо налягане p 1, което се предава през течността от другия крайник.

Налягането p 1 върху долната повърхност на течността се определя като:

Където h е вертикалната височина на колоната на течността над нивото на нулевата точка, P е плътността на течността, g е местната стойност на гравитационното ускорение. Ако горната тръба е свързана с атмосферата (p2 = атмосферно налягане), тогава p1 е калибровъчното налягане; Ако горната тръба е вакуумирана (т.е. P2 = нула), тогава P1 е абсолютното налягане и инструментът става барометър.

Живак, вода и масло се използват в различни конструкции на манометър, въпреки че живакът винаги се използва за барометрични цели; Неговата плътност е повече от 13 пъти по-голяма от тази на водата или маслото и следователно изисква много по-къса колона. Около 0,75 m при измерване на атмосферно налягане. Плътността на живака също е много по-стабилна от тази на другите течности.

Измерване на вакуум чрез деформация на еластичен елемент.

Когато се приложи натиск върху деформиращ елемент, той ще се премести. За да се създаде сензор за налягане, изместването трябва да е достатъчно малко, за да остане в еластичната граница на материала, но достатъчно голямо, за да бъде открито с достатъчна разделителна способност. Следователно при по-ниско налягане се използват тънки, гъвкави компоненти, а при по-високо налягане се използват по-твърди. Има няколко метода, използвани за определяне на степента на отклонение. Те варират от механично укрепване, създаващо видимо отклонение на показалеца, до електронни методи за откриване.

Изброените по-долу инструменти не включват всички видове, а тези, които обикновено се използват в индустрията.

Диафрагми

Мембрана, прикрепена към твърда основа, ще бъде подложена на сила, ако има разлика в налягането между двете страни. По-лесно е да се произвеждат кръгли диафрагми, но са възможни и други форми. Разликата ще доведе до отклонение на диафрагмата с максимално отклонение в центъра и това отклонение може да бъде измерено с помощта на различни механични и електронни сензори. Тъй като центърът се отклонява, повърхността на диафрагмата също е напрегната и може да покаже, от една страна, напрежение на натиск около външния ръб и напрежение на опън около централната част на диафрагмата. Тази конфигурация на напрежението може да бъде открита с помощта на тензодатчици и вакуумът може да бъде изчислен от тази информация.

Капсули. По същество капсулите са направени от двойка диафрагми, свързани по външните им краища. Едната ще има централен фитинг, през който се прилага натиск, а движението на центъра на другата диафрагма спрямо първата се определя от някакъв тип сензор. Ясно е, че действието на две диафрагми, действащи последователно, трябва да удвои отклонението.

Силфони. Няма ясно разграничение между силфони и капсули, но силфоните обикновено имат няколко секции, подредени последователно, и като цяло силфоните са малки спрямо диаметъра. Силфоните могат да бъдат навити от тръба, оформени под налягане или оформени от заварени елементи.

Тръба на Бурдон

Съществуват различни дизайни, но типичната форма е затворена тръба с овално напречно сечение, извита по дължина. Когато тръбата е под налягане, тя има тенденция да се изправи и сензорът отчита това движение. Те могат да бъдат проектирани да работят в широк диапазон, както и в габаритни, абсолютни и диференциални режими. Предлагат се обикновени "C"-образни, спирални и спирални типове. Електронното откриване на крайно движение обикновено се използва с кварцови спирални устройства.

Измерване на вакуум чрез измерване на топлопроводимост

За измерване на вакуум може да се използва пренос на енергия от горещ проводник през газ. Топлината се пренася в газа чрез молекулярни сблъсъци с проводника, т.е. топлопроводимост, а скоростта на топлопреминаване зависи от топлопроводимостта на газа. По този начин точността на тези инструменти е силно зависима от състава на газа. В областта на дълбокия вакуум, където има молекулен поток (число на Кнудсен по-голямо от 3, където числото на Кнудсен = среден свободен път / характерен размер на системата), преносът на топлина е пропорционален на вакуума. С увеличаването на броя на молекулите газът става по-плътен и молекулите започват да се сблъскват една с друга по-често. В тази така наречена област на преходен поток (или поток на приплъзване, 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.

Вакуумометри Пирани

Загубата на топлина от проводник (обикновено 5 до 20 µm) може да се определи индиректно чрез използване на мостова верига на Уитстон, която нагрява проводника и измерва съпротивлението му и следователно температурата му. Има два основни вида нагревателни елементи. Традиционната и много по-разпространена конфигурация се състои от тънка метална тел, окачена в измервателна глава. Друга конфигурация е микромашинна структура, обикновено изработена от силиций, покрит с тънък метален филм като платина. В типична конфигурация тънка метална жица е окачена от поне една страна, електрически изолирана в измервателната глава и в контакт с газа. За жицата може да се използва волфрам, никел, иридий или платина. Жицата е електрически нагрята и топлопредаването се измерва електронно. Има три основни метода на работа: метод с постоянна температура, мост с постоянно напрежение и мост с постоянен ток. Всички тези методи индиректно измерват температурата на жицата чрез нейното съпротивление. Основният недостатък на използването на сензори Pirani е тяхната силна зависимост от състава на газа и тяхната ограничена точност. Повторяемостта на сензорите на Пирани като цяло е доста добра, стига да не настъпи сериозно замърсяване. Диапазонът на измерване на вакуума на сензорите на Pirani е от приблизително 10-2 Pa до 105 Pa, но най-добра производителност обикновено се получава между приблизително 0,1 Pa и 1000 Pa.

Йонизационни сензори за измерване на вакуум

Когато вакуумът в системата е под приблизително 0,1 Pa (10 -3 mbar), преките методи за измерване на вакуум чрез средства като отклонение на диафрагмата или измерване на свойствата на газа като топлопроводимост вече не могат да бъдат лесно приложени. необходимо да се прибегне до методи, които основно отчитат броя на наличните газови молекули, т.е. те измерват плътността, а не вакуума. От кинетичната теория на газовете, за даден газ с известна температура T, налягането p е пряко свързано с плътността на числото n чрез уравнението (в границите на идеален газ):

Където c е константа. Един от най-удобните методи за измерване на числената плътност е да се използва някаква техника за йонизиране на газови молекули и след това събиране на йони. Повечето практични вакуумни сензори използват електрони с умерена енергия (50 eV до 150 eV), за да постигнат йонизация. Полученият йонен ток е пряко свързан с вакуума и по този начин може да се извърши калибриране. Последното твърдение е вярно само за краен диапазон на налягане, който ще определи работния диапазон на устройството. Горната граница на налягането ще бъде достигната, когато плътността на газа е достатъчно голяма, че създаването на йон има значителна вероятност да взаимодейства с неутрални газови молекули или свободни електрони в газа, така че самият йон да бъде неутрализиран и да не може да достигне колектор, за практически цели в типични лабораторни системи или в промишлени инсталации това може да се приеме за 0,1 Pa (10 -3 mbar).

Долната граница на вакуума на уреда ще бъде достигната, когато електрическият ток на утечка в измервателната глава или измервателната електроника стане сравним с йонния ток, който се измерва, или когато друг физически ефект (като влиянието на външни рентгенови лъчи) причинява токове на тази величина да се появи. За повечето сензори, описани в това ръководство, тези граници са под 10 -6 Pa (10 -8 mbar).

Основното уравнение за калибриране за йонизационно калибриране е:

Ic - йонен ток K - константа, съдържаща вероятността за йонизиране на газова молекула по какъвто и да е начин и вероятността за събиране на получения йон n - плътност на броя на газовите молекули Ie - ток на йонизиращия електрон.

Вероятността газовата молекула да се йонизира ще зависи от много фактори и следователно йонизационният сензор ще има различни стойности на чувствителност за различните видове газ. Повечето практични вакуумни сензори използват електронно стимулиране за йонизиране на газови молекули и това може да се постигне чрез просто „варене“ на електрони от нишка от гореща жица и привличането им към някакъв вид електронен колектор. След това йоните се привличат към колектора. За съжаление, вероятността за йонизиране на газова молекула от електрон е толкова малка при едно преминаване в уред с нормален размер, че е необходимо да се увеличи дължината на пътя на електрона и по този начин да се увеличи вероятността всеки един електрон да създаде йон.

Широко използвани са два метода. В йонизационен сензор за калибриране с горещ катод електроните, произведени в гореща нишка, се привличат към решетка, направена от много фина тел и при положителен електрически потенциал. Тъй като мрежата е отворена, има много голям шанс електронът да премине през мрежата, без да удари жицата. Ако решетката е заобиколена от екран с отрицателен електрически потенциал, електронът ще бъде отразен от този екран и ще бъде привлечен обратно към решетката. Този процес може да се случи много пъти, преди електронът най-накрая да удари мрежата. В резултат на това могат да се постигнат много дълги електронни траектории в малък обем. Обратно, йоните се привличат директно в колектора.

Йонизационна лампа със студен катод не използва гореща жичка и използва комбинация от електрически и магнитни полета. Всеки електрон ще се върти около магнитните силови линии, преди в крайна сметка да бъде събран в положително заредения анод. Всъщност дължината на пътя ще бъде толкова голяма и вероятността от йонизация е толкова голяма, че след задействане ще се създаде самоподдържащ се газов разряд, при условие че йоните бързо се изтласкват от областта на разреждане от йонния колектор.

Избор на уред за измерване на вакуум

Преди да изберете вакуумен инструмент и да идентифицирате подходящ доставчик, е важно да установите критерии за избор. Те ще включват много фактори и този раздел има за цел да помогне на потенциалния потребител да направи избор.

Дълбочина на измерване на вакуум

Характеристики на околната среда

Външна среда

Физически характеристики на устройството

Вид използване

Безопасност

Монтаж и поддръжка

Преобразуване на сигнала

В края на май миналата година много популярни вестници бяха пълни със заглавия: „Учените са получили енергия от вакуум!“ Собствениците на вакуумни помпи доволно потриваха ръце и в сънищата си вече се виждаха като нови олигарси. Безплатната енергия от вакуум обаче все още не се е появила на пазара.

През 1948 г. холандските физици-теоретици Хендрик Казимир и Дирк Полдер, в търсене на обяснение за свойствата на колоидните филми, изследват взаимодействието на молекули, които се поляризират взаимно от електромагнитни сили. Оказа се, че силата на привличане на поляризуема молекула към метална пластина е обратно пропорционална на четвъртата степен на разстоянието между тях.

Но въпросът не свърши дотук. Казимир обсъди откритията си с Нилс Бор, който отбеляза, че привличането може да се обясни по съвсем различен начин. Тогава вече беше доказано, че виртуалните частици на физическия вакуум влияят на енергийните нива на вътрешноатомните електрони (Lamb shift). Според Бор ефектът, изчислен от Казимир, може да има точно същата природа. Казимир направи съответните изчисления и получи същата формула.

Ефект на Казимир

През същата година Казимир предлага прост и ясен пример за силовия ефект на вакуума. Нека си представим две плоски проводящи плочи, разположени успоредно. Плътността на виртуалните фотони между тях ще бъде по-малка, отколкото навън, тъй като там могат да се възбудят само постоянни електромагнитни вълни със строго определени резонансни честоти. В резултат на това в пространството между плочите налягането на фотонния газ ще бъде по-малко от налягането отвън, поради което те ще се привличат една към друга и отново със сила, обратно пропорционална на четвъртата степен на ширина на процепа (когато плочите се приближават една до друга, наборът от допустими честоти на стоящите вълни намалява, така че разликата в плътността на „вътрешните“ и „външните“ фотони се увеличава). В действителност такова привличане става забележимо на разстояние от няколко микрометра. Това явление се нарича ефект на Казимир.

От съвременна гледна точка
Флуктуациите на вакуума генерират силови взаимодействия между молекулите. Следователно те се проявяват, когато тела с различни форми (не непременно плоски), направени от метали или диелектрици, се съберат заедно. Първите, които установиха това преди половин век, бяха служители на теоретичния отдел на Института по физически проблеми Евгений Лифшиц, Игор Дзялошински и Лев Питаевски. Те също така показаха, че при определени условия привличането на Казимир се заменя с отблъскване. Надеждно експериментално потвърждение за съществуването на такова привличане е получено през 1997 г. от Стив Ламоро, Умар Мохидин и Анушри Рой. Силите на отблъскване на Казимир бяха измерени за първи път експериментално през 2009 г. от екип, ръководен от Джереми Мъндей.

Подвижни огледала

През 1970 г. физикът от американския университет Brandeis Джералд Мур публикува статия, в която теоретично изследва поведението на вакуума в кухина, ограничена от две приближаващи се или разминаващи се плоскопаралелни огледала. Той показа, че такива огледала могат да усилят вакуумните флуктуации... и да ги накарат да произвеждат истински фотони. Въпреки това, според изчисленията на Мур, за да генерират фотони в забележими количества, огледалата трябва да имат релативистична скорост. В края на 80-те години проблемът за „люлеенето“ на вакуумните флуктуации стана интерес за много учени. Неговият теоретичен анализ показа, че вакуумът е способен да произведе реални фотони не само в близост до материални тела с подсветлинна скорост, но и в близост до материали, които бързо променят своите електрически или магнитни свойства. Тази трансформация на виртуални вакуумни флуктуации в реални кванти се нарича динамичен или нестационарен ефект на Казимир.

Виртуално огледало, реални фотони

Обичайният ефект на Казимир включва привличането на две плоски успоредни плочи поради „подбора“ на резонансни стоящи вълни между тях. Динамичният ефект включва "девиртуализация" на фотоните по време на бързото (релативистично) движение на огледалата. Ясно е, че е невъзможно да се повтори такава схема по чисто механичен начин, така че група от университета Чалмърс в Гьотеборг използва "виртуални" огледала - използвайки колебания на магнитното поле, те променят дължината на вълновода, който е подобен на вълновода движение на нейната граница с релативистични скорости.

Доскоро тези изследвания бяха ограничени до чиста теория. Директното възпроизвеждане на схемата на Мур, разбира се, е извън възможностите на съвременните технологии, които не могат да ускорят огледала, изработени от каквито и да е материали, до подсветлинни скорости. В научната литература многократно се обсъждат по-практични устройства за наблюдение на динамичния ефект на Казимир - например пиезоелектрични вибратори и високочестотни електромагнитни резонатори. През последните години физиците, работещи в тази област, се убедиха, че тези експерименти са напълно осъществими.

Тестване на практика

Първи постигат успех Кристофър Уилсън и колегите му от Техническия университет Чалмърс в шведския град Гьотеборг, заедно с колеги от Австралия и Япония. „Реификацията“ на виртуалните фотони се извършва близо до алуминиев вълновод, свързан към свръхпроводящ квантов интерферометър (две тунелни връзки на Джоузефсън, свързани паралелно в затворена верига). Експериментаторите промениха индуктивността на тази верига, като прекараха през нея магнитен поток, осцилиращ с честота около 11 GHz. Флуктуациите в индуктивността се отразяват на електрическата дължина на вълновода, който се колебае с напълно релативистична скорост (около една четвърт от скоростта на разпространение на електромагнитните вълни във вълновода, което е приблизително равно на 40% от скоростта на светлината във вакуум). Вълноводът, както се очакваше, излъчваше фотони, извлечени от вакуумни флуктуации. Спектърът на това лъчение е в съответствие с теоретичните прогнози.

Въпреки това е невъзможно тази инсталация да се използва за получаване на енергия от вакуум: енергията на полученото излъчване е неизмеримо по-слаба от мощността, която трябва да се изпомпва в устройството. Същото важи и за други устройства, които могат да се използват за наблюдение на динамичния ефект на Казимир. По принцип вакуумът изобщо не е маслодаен слой.