De voorwaarde " vacuüm"is als fysisch fenomeen een medium waarin de gasdruk lager is dan de atmosferische druk.

Absolute druk dient als een kwantitatief kenmerk van vacuüm. De belangrijkste meeteenheid voor druk in het Internationale Systeem (SI) is Pascal (1 Pa = 1N/m2). In de praktijk bestaan ​​er echter ook andere meeteenheden, zoals millibar (1 mbar = 100 Pa) en Torres of millimeter kwik (1 mm Hg = 133,322 Pa). Deze eenheden zijn geen SI-eenheden, maar zijn acceptabel voor het meten van de bloeddruk.

Vacuümniveaus

Afhankelijk van hoeveel de druk onder de atmosferische druk (101325 Pa) ligt, kunnen verschillende verschijnselen worden waargenomen, waardoor verschillende middelen kunnen worden gebruikt om een ​​dergelijke druk te verkrijgen en te meten. Tegenwoordig zijn er verschillende vacuümniveaus, die elk hun eigen aanduiding hebben in overeenstemming met de drukintervallen onder de atmosferische druk:

• Laag vacuüm (LV): van 10 5 tot 10 2 Pa,
• Middenvacuüm (SV): van 10 2 tot 10 -1 Pa,
• Hoogvacuüm (HV): van 10 -1 tot 10 -5 Pa,
• Ultrahoogvacuüm (UHV): van 10 -5 tot 10 -9 Pa,
• Extreem hoog vacuüm (EHV):

Deze vacuümniveaus zijn afhankelijk van het toepassingsgebied onderverdeeld in drie productiegroepen.

- Laag vacuüm: Wordt voornamelijk gebruikt waar grote hoeveelheden lucht moeten worden weggepompt. Om een ​​laag vacuüm te verkrijgen, worden elektromechanische pompen van het schoepentype, centrifugaalpompen, zijkanaalpompen, stromingsgeneratoren, enz. gebruikt.

Laagvacuüm wordt bijvoorbeeld gebruikt in zeefdrukfabrieken.

- Industrieel vacuüm: De term “industrieel vacuüm” komt overeen met een vacuümniveau van -20 tot -99 kPa. Dit bereik wordt in de meeste toepassingen gebruikt. Industrieel vacuüm wordt verkregen met behulp van draai-, vloeistofring-, zuigerpompen en schottenvacuümgeneratoren volgens het Venturi-principe. Industriële vacuümtoepassingen omvatten het grijpen van zuignappen, thermovormen, vacuümklemmen, vacuümverpakkingen, enz.

- Technisch vacuüm: komt overeen met een vacuümniveau vanaf -99 kPa. Dit vacuümniveau wordt verkregen met behulp van tweetraps rotatiepompen, excentrische rotatiepompen, Roots vacuümpompen, turbomoleculaire pompen, diffusiepompen, cryogene pompen, enz.

Dit vacuümniveau wordt voornamelijk gebruikt bij lyofilisatie, metallisatie en warmtebehandeling. In de wetenschap wordt technisch vacuüm gebruikt als simulatie van de ruimte.

De hoogste waarde van vacuüm op aarde is aanzienlijk lager dan de waarde van absoluut vacuüm, dat een puur theoretische waarde blijft. Zelfs in de ruimte zijn er, ondanks de afwezigheid van een atmosfeer, een klein aantal atomen.

De belangrijkste impuls voor de ontwikkeling van vacuümtechnologie kwam van onderzoek op industrieel gebied. Momenteel zijn er een groot aantal toepassingen in diverse sectoren. Vacuüm wordt gebruikt in elektrostraalbuizen, gloeilampen, deeltjesversnellers, metallurgie, voedsel en ruimtevaart, kernfusiecontrole, micro-elektronica, glas en keramiek, wetenschap, industriële robotica, zuignapgrijpsystemen enz.

Voorbeelden van vacuümtoepassingen in de industrie

Meervoudige grijpsystemen "OCTOPUS" vacuümzuigen

Vacuümzuignappen - algemene informatie

Vacuümzuignappen zijn een onmisbaar hulpmiddel voor het grijpen, optillen en verplaatsen van objecten, platen en diverse objecten die met conventionele systemen moeilijk te verplaatsen zijn vanwege hun kwetsbaarheid of risico op vervorming.

Bij correct gebruik zorgen zuignappen voor een gemakkelijke, economische en veilige werking, wat een fundamenteel principe is voor de ideale implementatie van automatiseringsprojecten in de productie.

Langdurig onderzoek en aandacht voor de eisen van onze klanten hebben ons in staat gesteld zuignappen te produceren die bestand zijn tegen hoge en lage temperaturen, schurende slijtage, elektrostatische ontladingen en agressieve omgevingen, en ook geen vlekken achterlaten op het oppervlak van gedragen voorwerpen. Bovendien voldoen de zuignappen aan de EEG-veiligheidsnormen en de FDA-, BGA- en TSCA-voedselnormen.

Alle zuignappen zijn gemaakt van hoogwaardige vacuümgevormde componenten en zijn behandeld met een anticorrosiebehandeling voor een lange levensduur. Ongeacht de configuratie hebben alle zuignappen hun eigen markeringen.

Octopus meervoudig opnamesysteem

Heel vaak komen mensen bij ons die een vacuümpomp willen kopen, maar weinig idee hebben wat een vacuüm is.
Laten we proberen erachter te komen wat het is.

Per definitie is een vacuüm een ​​ruimte vrij van materie (van het Latijnse woord “vacuus” – leeg).
Er zijn verschillende definities van vacuüm: technisch vacuüm, fysiek vacuüm, kosmisch vacuüm, enz.
We zullen technisch vacuüm beschouwen, dat wordt gedefinieerd als een zeer ijl gas.

Laten we eens kijken naar een voorbeeld van wat vacuüm is en hoe het wordt gemeten.
Op onze planeet wordt de atmosferische druk als één (één atmosfeer) beschouwd. Het verandert afhankelijk van het weer, de hoogte en het zeeniveau, maar we zullen hier geen rekening mee houden, omdat dit op geen enkele manier het begrip van het concept vacuüm zal beïnvloeden.
We hebben dus een druk op het aardoppervlak gelijk aan 1 atmosfeer. Alles onder de 1 atmosfeer (in een gesloten vat) wordt technisch vacuüm genoemd.

Laten we een vat nemen en het luchtdicht sluiten. De druk in het vat zal 1 atmosfeer zijn. Als we lucht uit een vat beginnen te pompen, ontstaat er een vacuüm, dat vacuüm wordt genoemd.
Laten we naar een voorbeeld kijken: er zijn 10 cirkels in het linkervat. Laat het 1 atmosfeer zijn.
"pomp de helft eruit" - we krijgen 0,5 atm, laat er één achter - we krijgen 0,1 atm.

Omdat er maar één atmosfeer in het vat zit, is het maximaal mogelijke vacuüm dat we (theoretisch) kunnen bereiken nul atmosfeer.
"Theoretisch" - omdat Het is bijna onmogelijk om alle luchtmoleculen uit het vat op te vangen.
Daarom blijft er in elk vat waaruit lucht (gas) is weggepompt altijd een minimale hoeveelheid ervan achter. Dit wordt ‘restdruk’ genoemd, dat wil zeggen de druk die in het vat overblijft nadat er gassen uit zijn gepompt.
Er zijn speciale pompen die een diep vacuüm tot wel 0,00001 Pa kunnen bereiken, maar nog steeds niet tot nul.
In het gewone leven is een vacuüm dieper dan 0,5 - 10 Pa (0,00005-0,0001 atm) zelden nodig.

Er zijn verschillende opties voor het meten van vacuüm, afhankelijk van de keuze van het referentiepunt:
1. Er wordt aangenomen dat de eenheid atmosferische druk is. Alles onder één is een vacuüm.
Dat wil zeggen, de schaal van de vacuümmeter loopt van 1 tot 0 atm (1…0,9…0,8…0,7…..0,2…0,1….0).
2. De atmosferische druk wordt als nul beschouwd. Dat wil zeggen, een vacuüm - alle negatieve getallen zijn kleiner dan 0 en maximaal -1.
Dat wil zeggen, de schaal van de vacuümmeter loopt van 0 tot -1 (0, -0,1...-0,2...,-0,9,...-1).
Schalen kunnen ook in kPa, mBar zijn, maar dit is allemaal vergelijkbaar met schalen in atmosferen.

De afbeelding toont vacuümmeters met verschillende schalen die hetzelfde vacuüm weergeven:

Uit alles wat hierboven is gezegd, is het duidelijk dat de omvang van het vacuüm niet groter kan zijn dan de atmosferische druk.

Bijna dagelijks contacteren mensen ons die een vacuüm willen van -2, -3 atm, enz.
En ze zijn erg verrast als ze ontdekken dat dit onmogelijk is (trouwens, elke seconde zegt ze: "je weet zelf niets", "maar zo is het met je buurman", enz., enz.)

In feite willen al deze mensen onderdelen onder vacuüm vormen, maar wel zo dat de druk op het onderdeel meer dan 1 kg/cm2 (1 atmosfeer) bedraagt.
Dit kan worden bereikt door het product met folie te bedekken en de lucht eronder weg te pompen (in dit geval zal de maximale druk, afhankelijk van het gecreëerde vacuüm, 1 kg/cm2 zijn (1 atm=1 kg/cm2)), en het vervolgens allemaal in een autoclaaf plaatsen waarin overdruk ontstaat. Dat wil zeggen, om een ​​druk van 2 kg/cm2 te creëren, is het voldoende om in de autoclaaf een overdruk van 1 atm te creëren.

Nu een paar woorden over hoeveel klanten vacuüm meten op de Ampika Pumps LLC-tentoonstelling in ons kantoor:
zet de pomp aan, plaats uw vinger (palm) op het aanzuiggat van de vacuümpomp en trek onmiddellijk een conclusie over de grootte van het vacuüm.

Meestal vergelijkt iedereen graag de Sovjet-vacuümpomp 2NVR-5DM met zijn analoge VE-2100, die wij aanbieden.
Na zo'n controle zeggen ze altijd hetzelfde: het vacuüm van de 2NVR-5DM is hoger (hoewel beide pompen in feite dezelfde vacuümparameters produceren).

Wat is de reden voor deze reactie? En zoals altijd - in het gebrek aan kennis van de wetten van de natuurkunde en wat druk in het algemeen is.

Een beetje educatieve achtergrond: druk “P” is een kracht die inwerkt op een bepaald oppervlak, loodrecht gericht op dit oppervlak (de verhouding van de kracht “F” tot het oppervlak “S”), dat wil zeggen P = F/ S.
Simpel gezegd is het een kracht die over een oppervlak wordt verdeeld.
Uit deze formule blijkt dat hoe groter het oppervlak, hoe lager de druk zal zijn. En ook de kracht die nodig is om een ​​hand of vinger van de pompinlaat te tillen is recht evenredig met het oppervlak (F=P*S).
De diameter van het aanzuiggat van de 2NVR-5DM vacuümpomp is 25 mm (oppervlakte 78,5 mm2).
De diameter van het aanzuiggat van de VE-2100 vacuümpomp is 6 mm (oppervlakte 18,8 mm2).
Dat wil zeggen, om een ​​hand uit een gat met een diameter van 25 mm te tillen, is een kracht nodig die 4,2 keer groter is dan voor een gat met een diameter van 6 mm (bij dezelfde druk).
Dit is de reden waarom, wanneer het vacuüm met de vingers wordt gemeten, een dergelijke paradox ontstaat.
Druk "P" wordt in dit geval berekend als het verschil tussen de atmosferische druk en de restdruk in het vat (dat wil zeggen het vacuüm in de pomp).

Hoe bereken je de kracht waarmee een onderdeel tegen een oppervlak wordt gedrukt?
Erg makkelijk. U kunt de hierboven gegeven formule gebruiken, maar laten we proberen het eenvoudiger uit te leggen.
Stel dat u bijvoorbeeld moet uitzoeken met welke kracht een onderdeel van 10x10 cm kan worden ingedrukt als er een vacuüm onder wordt gecreëerd met een VVN 1-0,75-pomp.

We nemen de restdruk die deze vacuümpomp uit de BBH-serie creëert.
Concreet is het voor deze waterringpomp VVN 1-0,75 0,4 atm.
1 atmosfeer is gelijk aan 1 kg/cm2.
De oppervlakte van het onderdeel bedraagt ​​100 cm2 (10 cm x 10 cm).
Dat wil zeggen, als u een maximaal vacuüm creëert (dat wil zeggen dat de druk op het onderdeel 1 atm zal zijn), dan wordt het onderdeel met een kracht van 100 kg ingedrukt.
Omdat we een vacuüm van 0,4 atm hebben, zal de druk 0,4x100 = 40 kg zijn.
Maar dit is in theorie onder ideale omstandigheden, als er geen luchtlekkage is, enz.
In werkelijkheid moet u hier rekening mee houden en zal de druk 20...40% minder zijn, afhankelijk van het type ondergrond, de pompsnelheid, enz.

Nu een paar woorden over mechanische vacuümmeters.
Deze apparaten geven de restdruk aan in het bereik van 0,05...1 atm.
Dat wil zeggen dat er geen dieper vacuüm wordt weergegeven (er wordt altijd “0” weergegeven). Bij elke draaischuifvacuümpomp zal de mechanische vacuümmeter bijvoorbeeld altijd “0” aangeven zodra het maximale vacuüm is bereikt. Als een visuele weergave van restdrukwaarden vereist is, moet u een elektronische vacuümmeter installeren, bijvoorbeeld VG-64.

Vaak komen er klanten bij ons die onderdelen onder vacuüm gieten (bijvoorbeeld onderdelen gemaakt van composietmaterialen: koolstofvezel, glasvezel etc.), dit is nodig zodat tijdens het gieten gas uit het bindmiddel (hars) ontsnapt en daardoor de eigenschappen van het gietstuk verbetert. eindproduct, evenals het onderdeel werd met een film tegen de mal gedrukt, waaronder lucht werd weggepompt.
De vraag rijst: welke vacuümpomp moet worden gebruikt: eentraps of tweetraps?
Ze denken meestal dat, omdat het vacuüm van een tweetraps hoger is, de onderdelen beter zullen zijn.

Het vacuüm voor een eentrapspomp is 20 Pa, voor een tweetrapspomp 2 Pa. Het lijkt erop dat, aangezien het drukverschil 10 keer bedraagt, het onderdeel veel sterker zal worden aangedrukt.
Maar is dit echt zo?

1 atm = 100.000 Pa = 1 kg/cm2.
Dit betekent dat het verschil in filmdruk bij een vacuüm van 20 Pa en 2 Pa 0,00018 kg/cm2 zal zijn (als je niet te lui bent, kun je de berekeningen ook zelf uitvoeren).

Dat wil zeggen dat er praktisch geen verschil zal zijn, omdat... een winst van 0,18 g in klemkracht zal het weer niet veranderen.

Hoe bereken je hoe lang het duurt voordat een vacuümpomp een vacuümkamer leegpompt?
In tegenstelling tot vloeistoffen nemen gassen het gehele beschikbare volume in beslag, en als een vacuümpomp de helft van de lucht uit de vacuümkamer heeft weggepompt, zal de resterende lucht weer uitzetten en het gehele volume in beslag nemen.
Hieronder vindt u de formule om deze parameter te berekenen.

t = (V/S)*ln(p1/p2)*F, Waar

t is de tijd (in uren) die nodig is om het vacuümvolume van druk p1 naar druk p2 te pompen
V - volume van de gepompte tank, m3
S - bedrijfssnelheid van de vacuümpomp, m3/uur
p1 - ​​begindruk in de leeggepompte container, mbar
p2 - einddruk in de leeggepompte container, mbar
ln - natuurlijke logaritme

F - correctiefactor, afhankelijk van de einddruk in de tank p2:
- p2 van 1000 tot 250 mbar F=1
- p2 van 250 tot 100 mbar F=1,5
- p2 van 100 tot 50 mbar F=1,75
- p2 van 50 tot 20 mbar F=2
- p2 van 20 tot 5 mbar F=2,5
- p2 van 5 tot 1 mbar F=3

In een notendop: dat is het.
Wij hopen dat deze informatie iemand helpt bij het maken van de juiste keuze voor vacuümapparatuur en bij het pronken met zijn kennis onder het genot van een glas bier...

Het is algemeen aanvaard dat een vacuüm een ​​ruimte is waarin zich vrijwel niets bevindt. Om een ​​vacuüm in een container te verkrijgen, moet u een eenvoudige methode gebruiken: de lucht eruit pompen. Hiervoor worden gewone pompen gebruikt om lucht uit containers te pompen, waardoor een vacuüm ontstaat, dat op grote schaal wordt gebruikt voor verschillende doeleinden, zowel in de wetenschap als in de industrie (chemie, voeding, elektronica, cosmetologie en vele andere). Bij de productie van een gewone gloeilamp is het bijvoorbeeld noodzakelijk om binnenin een vacuüm te creëren (de lucht eruit te pompen), zodat zuurstof er niet voor zorgt dat de gloeidraad onmiddellijk doorbrandt. Of neem bijvoorbeeld een eenvoudige thermoskan. Ook daar is sprake van een vacuüm, dat zich tussen de twee wanden bevindt. Daarom blijft elke warme drank die in een thermoskan wordt gegoten heet, zelfs op de meest ijzige dag, en een koude drank blijft koud, zelfs bij de meest intense hitte.

Zelfs in de geneeskunde gebruiken ze bij het diagnosticeren en behandelen van ziekten apparaten met vacuümapparatuur.

Jaarlijks komen er steeds meer nieuwe toepassingen voor vacuüm bij. In het dagelijks leven worden veel verschillende vacuümverpakkingen gebruikt, waarin alles verborgen is, inclusief voedsel en kleding, en het meest gewone kinderspeelgoed. Maar vooral wordt vacuüm gebruikt voor het bewaren van voedsel. De reden voor snel bederf van voedsel is immers contact met zuurstof. Zuurstof is de ideale omgeving voor bacteriën om zich te vermenigvuldigen; als gevolg daarvan bederft voedsel, ontstaat er schimmel en begint het te rotten. Vroeger werden ze om voedsel vers te houden in de koelkast geplaatst, maar daar is ook zuurstof. En pas in de 20e eeuw verscheen er een nieuwe assistent: een vacuüm. Alles is heel gemakkelijk en eenvoudig: de producten worden in speciale containers geplaatst en overtollige lucht wordt met een pomp weggepompt. En producten (groenten, vlees, vis, bessen) blijven lang vers in vacuümverpakking. Ze kunnen vervolgens in de koelkast worden geplaatst voor langere opslag. Het wondervacuüm isoleert producten volledig van omgevingsinvloeden, waardoor de houdbaarheid herhaaldelijk wordt verlengd, zonder smaakverlies!

Tegenwoordig worden ze op grote schaal gebruikt om containers met voedsel te bedekken. Dergelijke vacuümdeksels zijn geschikt voor elk serviesgoed, gemaakt van elk materiaal, zolang de randen maar effen en glad zijn. Door vacuümdeksels te gebruiken, elimineert u voor altijd de noodzaak van meerdere opslagcontainers. De vacuümafdekking is gemaakt van duurzaam materiaal dat niet vervormt door plotselinge temperatuurschommelingen. En daarom kunt u, nadat u het gerecht uit de koelkast heeft gehaald, het veilig in de magnetron plaatsen zonder het deksel te verwijderen. Het ultrasterke membraan is bestand tegen hoge temperaturen en is zeer moeilijk te scheuren of te doorboren. Deze deksels gaan heel lang mee en je zult ze keer op keer gebruiken.

Drukken gemeten op een schaal die nul als referentiepunt gebruikt, worden absolute drukken genoemd. De atmosferische druk aan het aardoppervlak varieert, maar bedraagt ​​ongeveer 10,5 Pa (1000 mbar). Dit is absolute druk omdat deze wordt uitgedrukt in termen van nul.

Een sensor die is ontworpen om de druk te meten, uitgedrukt in verhouding tot de atmosferische druk, en dus nul aangeeft wanneer de meetpoort moleculen bij atmosferische druk bevat. De metingen die door een dergelijke sensor worden uitgevoerd, staan ​​bekend als relatieve drukmetingen. Het verschil tussen de absolute drukwaarde en de overdrukwaarde is dus een variabele atmosferische waarde:

Absoluut = overtollig + atmosferisch.

Om ernstige fouten te voorkomen, is het belangrijk om te weten welke vacuümmeetmodus wordt gebruikt: absoluut of relatief. Merk op dat de referentielijn voor de metingen in de kalibratiemodus niet recht is, wat de variabiliteit van de atmosferische druk illustreert.

Vacuüm- en drukeenheden

Historische eenheden

Helaas zijn er verschillende eenheden voor vacuüm- en drukmeting, wat aanzienlijke uitdagingen met zich meebrengt voor zowel beginners als ervaren technici. Gelukkig wordt het leven gemakkelijker omdat verouderde en slecht gedefinieerde eenheden verdwijnen ten gunste van de SI-meeteenheid.

Veel oudere eenheden hebben een duidelijke praktische en historische oorsprong; De inch water was bijvoorbeeld de eenheid die werd gebruikt wanneer de druk werd gemeten door een waterkolom waarvan het bovenoppervlak zichtbaar was op de inch-schaal. Aanvankelijk kwam de nauwkeurigheid van de vacuümmetingen die voor dergelijke systemen nodig waren overeen met nogal ruwe methoden voor het meten van vacuüm, en het kon niemand iets schelen of het water warm of koud was. Naarmate de technologische behoeften zijn toegenomen, is de behoefte aan consistentere metingen ontstaan. Wiskundige modellen van meetinstrumenten zijn aanzienlijk verbeterd. In een traditioneel ontwerp voor het meten van het vacuüm van een kwikbarometer werden bijvoorbeeld verschillende ontledingen toegepast tussen het kwik in de kolom, het glas waarvan de kolom was gemaakt, het messing waarvan de schaal was gemaakt en het stalen reservoir. Maar zelfs met verfijnde definities en bijbehorende wiskunde kunnen veel traditionele eenheden niet binnen de moderne technologie worden gebruikt.

SI-eenheid

De SI-meeteenheid is de pascal, afgekort Pa, de naam die wordt gegeven aan de druk van één newton per vierkante meter (N/m2). Hoewel één vierkante meter gemakkelijk te visualiseren is, is één newton moeilijker, maar deze is ongeveer gelijk aan de neerwaartse kracht die op de hand wordt uitgeoefend wanneer je een kleine appel vasthoudt (als de houder op het aardoppervlak staat!) Wat betreft het alledaagse leven vertegenwoordigt één pascal een zeer kleine hoeveelheid, terwijl de atmosferische druk ongeveer 100.000 Pa bedraagt. Op de bodem van een met water gevulde pan zal de druk als gevolg van de waterdiepte ongeveer 1000 Pa groter zijn dan aan de oppervlakte van het water. Om het gebruik van logge getallen te vermijden, krijgen veelvouden van 103 en 0,001 voorvoegsels toegewezen, zodat bijvoorbeeld 100.000 Pa (105 Pa) kan worden geschreven als 100 kPa of 0,1 MPa.

Vacuümunits en conversie

De relaties tussen Pascal en verschillende andere eenheden worden weergegeven in de tabel, maar houd er rekening mee dat ze niet allemaal precies zijn of kunnen worden uitgedrukt. Romeinse cijfers in superscript in een tabel verwijzen naar de noten die erop volgen.

Vacuüm meetmethoden

Algemene bepalingen

Vacuümmeetinstrumenten gebruiken een aantal zeer verschillende principes. Sommige daarvan zijn van fundamentele aard, bijvoorbeeld het meten van de hoogte van een vloeistofkolom met een bekende dichtheid. Een voorbeeld hiervan is de kwikbarometer, waarbij de atmosferische druk in evenwicht kan worden gebracht door een kolom kwik. Een uitbreiding van dit idee voor gebruik bij hoge drukken is het gebruik van metalen gewichten die over een bekend gebied werken om kracht in plaats van gewicht aan de vloeistof te geven.

Vacuüm kan vaak worden bepaald door de mechanische vervorming van een sensorelement te meten, dat elastische vervorming ondergaat wanneer het drukverschil over zijn oppervlakken verandert. Mechanische doorbuiging kan op verschillende manieren worden gerealiseerd en waargenomen. Een van de meest voorkomende soorten bewegende mechanische elementen is het elastische diafragma. Een ander voorbeeld is een Bourdonbuis, waarbij interne druk een gebogen buis dwingt recht te trekken.

Dergelijke mechanische vervorming kan op verschillende manieren worden gedetecteerd: door een reeks mechanische armen die de vervorming direct weergeven, door de weerstand te meten in een rekstrookje, door de capaciteit te meten, door de frequentie van het resonerende element te veranderen wanneer het wordt uitgerekt of samengedrukt, enz.

Wanneer het vacuüm diep is en daardoor de mechanische doorbuiging te klein is om het vacuüm te meten, worden indirecte middelen gebruikt die fysische eigenschappen meten zoals thermische geleidbaarheid, ionisatie of viscositeit, die afhankelijk zijn van de dichtheid van het aantal moleculen.

Kolom vloeistof

Een van de vroegste methoden om vacuüm te meten, en nog steeds een van de meest nauwkeurige vandaag de dag, is dat een vloeistofkolom vloeistof uit een pijp kan persen.

De in de figuur getoonde manometer is in wezen een met vloeistof gevulde U-buis waarbij de verticale scheiding van de vloeistofoppervlakken een drukverschilmeting verschaft. Ter hoogte van het nulpunt d; de druk L wordt geleverd door de vloeistof erboven, plus de druk p 2 aan de bovenkant van de buis. In evenwicht wordt de kolom in stand gehouden door een opwaartse druk p 1, die wordt overgebracht door de vloeistof van het andere lidmaat.

De druk p 1 op het onderoppervlak van de vloeistof wordt gedefinieerd als:

Waar h de verticale hoogte is van de vloeistofkolom boven het nulpuntniveau, is P de dichtheid van de vloeistof en g de lokale waarde van de zwaartekrachtversnelling. Indien de bovenbuis verbonden is met de atmosfeer (p2 = atmosferische druk), dan is p1 de kalibratiedruk; Als de bovenbuis wordt geëvacueerd (d.w.z. P2 = nul), dan is P1 de absolute druk en wordt het instrument een barometer.

Kwik, water en olie worden gebruikt in verschillende manometerontwerpen, hoewel kwik altijd wordt gebruikt voor barometrische doeleinden; De dichtheid is meer dan 13 keer die van water of olie en vereist daarom een ​​veel kortere kolom. Ongeveer 0,75 m bij het meten van de atmosferische druk. De dichtheid van kwik is ook veel stabieler dan die van andere vloeistoffen.

Vacuümmeting door vervorming van een elastisch element.

Wanneer er druk wordt uitgeoefend op een vervormend element, zal het bewegen. Om een ​​druksensor te maken moet de verplaatsing klein genoeg zijn om binnen de elastische grens van het materiaal te blijven, maar groot genoeg om met voldoende resolutie te worden gedetecteerd. Daarom worden bij lagere drukken dunne, flexibele componenten gebruikt en bij hogere drukken stijvere componenten. Er zijn verschillende methoden om de mate van afwijking te bepalen. Deze variëren van mechanische versterking, die zichtbare afbuiging van de wijzer produceert, tot elektronische detectiemethoden.

De hieronder genoemde tools omvatten niet alle typen, maar wel de tools die vaak in de industrie worden gebruikt.

Diafragma's

Een membraan dat op een stijve basis is bevestigd, zal onderhevig zijn aan kracht als er een drukverschil is tussen elke zijde. Het is makkelijker om diafragma’s rond te maken, maar ook andere vormen zijn mogelijk. Het verschil zorgt ervoor dat het diafragma afbuigt met maximale afbuiging in het midden, en deze afbuiging kan worden gemeten met behulp van een verscheidenheid aan mechanische en elektronische sensoren. Terwijl het midden afbuigt, wordt het oppervlak van het diafragma ook belast en kan het enerzijds drukspanningen vertonen rond de buitenrand en trekspanningen rond het centrale deel van het diafragma. Deze spanningsconfiguratie kan worden gedetecteerd met behulp van rekstrookjes en op basis van deze informatie kan het vacuüm worden berekend.

Capsules. In wezen zijn de capsules gemaakt van een paar diafragma's die aan hun buitenranden zijn verbonden. De ene heeft een centrale fitting waardoor druk wordt uitgeoefend, en de beweging van het midden van het andere diafragma ten opzichte van de eerste wordt bepaald door een soort sensor. Het is duidelijk dat de werking van twee in serie werkende diafragma's de doorbuiging zou moeten verdubbelen.

Balg. Er is geen duidelijk onderscheid tussen balgen en capsules, maar balgen hebben meestal meerdere secties die in serie zijn gestapeld, en over het algemeen zijn de balgen klein in verhouding tot de diameter. Balgen kunnen uit een buis worden gerold, onder druk worden gevormd of uit gelaste elementen worden gevormd.

Bourdon-buis

Er bestaan ​​verschillende ontwerpen, maar de typische vorm is een gesloten buis met een ovale doorsnede, gebogen over de lengte. Wanneer de buis onder druk staat, heeft deze de neiging zich recht te trekken en de sensor detecteert deze beweging. Ze kunnen worden ontworpen om over een breed bereik te werken, evenals voor gauge-, absolute en differentiële modi. Er zijn gewone "C"-vormige, spiraalvormige en spiraalvormige typen beschikbaar. Elektronische eindbewegingsdetectie wordt vaak gebruikt bij kwartsspiraalvormige apparaten.

Vacuümmetingen door thermische geleidbaarheidsmetingen

Om vacuüm te meten, kan energieoverdracht van een hete draad door een gas worden gebruikt. Warmte wordt in het gas overgedragen door moleculaire botsingen met de draad, d.w.z. thermische geleidbaarheid, en de snelheid van warmteoverdracht hangt af van de thermische geleidbaarheid van het gas. De nauwkeurigheid van deze instrumenten is dus sterk afhankelijk van de gassamenstelling. In het diepe vacuümgebied, waar sprake is van moleculaire stroming (Knudsengetal groter dan 3, waarbij Knudsengetal = gemiddeld vrij pad / karakteristieke grootte van het systeem), is de warmteoverdracht evenredig met het vacuüm. Naarmate het aantal moleculen toeneemt, wordt het gas dichter en beginnen de moleculen vaker met elkaar te botsen. In dit zogenaamde transitiestromingsgebied (of slipstroming, 0,01<число Кнудсена <3) простая пропорция теплоотдачи к давлению не действительна. При еще более высоких давлениях (число Кнудсена <0,01) теплопроводность практически не зависит от него. Здесь конвекционное охлаждение горячих поверхностей обычно является основным источником теплообмена.

Pirani vacuümmeters

Het warmteverlies van een draad (doorgaans 5 tot 20 µm) kan indirect worden bepaald door gebruik te maken van een Wheatstone-brugcircuit, dat de draad verwarmt en de weerstand en daarmee de temperatuur meet. Er zijn twee hoofdtypen verwarmde elementen. De traditionele en veel vaker voorkomende configuratie bestaat uit een dunne metalen draad opgehangen in een meetkop. Een andere configuratie is een microbewerkte structuur, meestal gemaakt van silicium bedekt met een dunne metaalfilm zoals platina. In een typische configuratie wordt aan ten minste één zijde elektrisch geïsoleerd in de meetkop een dunne metaaldraad opgehangen die in contact staat met het gas. Voor de draad kunnen wolfraam, nikkel, iridium of platina worden gebruikt. De draad wordt elektrisch verwarmd en de warmteoverdracht wordt elektronisch gemeten. Er zijn drie algemene bedieningsmethoden: constante temperatuurmethode, constante spanningsbrug en constante stroombrug. Al deze methoden meten indirect de temperatuur van de draad aan de hand van zijn weerstand. Het grootste nadeel van het gebruik van Pirani-sensoren is hun sterke afhankelijkheid van de gassamenstelling en hun beperkte nauwkeurigheid. De herhaalbaarheid van Pirani-sensoren is over het algemeen vrij goed, zolang er geen ernstige verontreiniging optreedt. Het vacuümmeetbereik van Pirani-sensoren loopt van ongeveer 10-2 Pa tot 105 Pa, maar de beste prestaties worden doorgaans verkregen tussen ongeveer 0,1 Pa en 1000 Pa.

Ionisatiesensoren voor vacuümmeting

Wanneer het vacuüm in het systeem lager is dan ongeveer 0,1 Pa (10-3 mbar), zijn directe methoden voor het meten van het vacuüm door middel van bijvoorbeeld doorbuiging van het diafragma of het meten van gaseigenschappen zoals thermische geleidbaarheid niet langer eenvoudig toe te passen. Het is noodzakelijk om toevlucht te nemen tot methoden die feitelijk het aantal aanwezige gasmoleculen tellen, d.w.z. ze meten de dichtheid in plaats van het vacuüm. Vanuit de kinetische theorie van gassen is voor een bepaald gas met een bekende temperatuur T de druk p rechtstreeks gerelateerd aan de dichtheid van het getal n via de vergelijking (in de limiet van een ideaal gas):

Waar c een constante is. Een van de handigste methoden voor het meten van de getalsdichtheid is het gebruik van een techniek waarbij gasmoleculen worden geïoniseerd en vervolgens de ionen worden verzameld. De meeste praktische vacuümsensoren gebruiken elektronen met matige energie (50 eV tot 150 eV) om ionisatie te bereiken. De resulterende ionenstroom is direct gerelateerd aan het vacuüm en dus kan een kalibratie worden uitgevoerd. De laatste bewering geldt alleen voor een eindig drukbereik, dat het werkbereik van het apparaat zal bepalen. De bovengrens van de druk zal worden bereikt wanneer de dichtheid van het gas zo groot is dat de vorming van een ion een aanzienlijke kans heeft op interactie met neutrale gasmoleculen of vrije elektronen in het gas, zodat het ion zelf wordt geneutraliseerd en de druk niet kan bereiken. collector, voor praktische doeleinden in typische laboratoriumsystemen of in industriële installaties kan dit worden aangenomen als 0,1 Pa (10 -3 mbar).

De ondergrens van het vacuüm van een meter wordt bereikt wanneer de elektrische lekstroom in de meetkop of meetelektronica vergelijkbaar wordt met de ionenstroom die wordt gemeten, of wanneer een ander fysiek effect (zoals de invloed van externe röntgenstraling) stromen veroorzaakt van deze omvang te verschijnen. Voor de meeste sensoren die in deze handleiding worden beschreven, liggen deze limieten onder 10 -6 Pa (10 -8 mbar).

De basiskalibratievergelijking voor ionisatiekalibratie is:

Ic - ionenstroom K - constante die de waarschijnlijkheid bevat van het op welke manier dan ook ioniseren van een gasmolecuul en de waarschijnlijkheid van het verzamelen van het resulterende ion n - dichtheid van het aantal gasmoleculen Ie - stroom van het ioniserende elektron.

De waarschijnlijkheid dat een gasmolecuul ioniseert zal van veel factoren afhangen, en daarom zal een ionisatiesensor verschillende gevoeligheidswaarden hebben voor verschillende soorten gas. De meeste praktische vacuümsensoren maken gebruik van elektronische stimulatie om gasmoleculen te ioniseren, en dit kan worden bereikt door simpelweg elektronen uit een gloeidraad van hete draad te "koken" en ze naar een soort elektronische collector te trekken. De ionen worden vervolgens door de collector aangetrokken. Helaas is de kans op het ioniseren van een gasmolecuul door een elektron zo klein in een enkele doorgang in een meter van normale grootte dat het noodzakelijk is om de elektronenpadlengte te vergroten en daardoor de waarschijnlijkheid te vergroten dat een elektron een ion creëert.

Twee methoden worden veel gebruikt. In een ionisatiesensor met kalibratie met hete kathode worden elektronen die in een hete gloeidraad worden geproduceerd, aangetrokken door een rooster gemaakt van zeer fijne draad en met een positieve elektrische potentiaal. Omdat het gaas open is, is de kans zeer groot dat het elektron door het gaas gaat zonder de draad te raken. Als het rooster omgeven is door een scherm met een negatieve elektrische potentiaal, zal het elektron door dit scherm worden gereflecteerd en terug naar het rooster worden aangetrokken. Dit proces kan vele malen plaatsvinden voordat het elektron uiteindelijk het rooster raakt. Als gevolg hiervan kunnen zeer lange elektronenbanen in een klein volume worden bereikt. Ionen worden daarentegen rechtstreeks in de collector aangetrokken.

Een koude-kathode-ionisatielamp maakt gebruik van een hete gloeidraad en maakt gebruik van een combinatie van elektrische en magnetische velden. Elk elektron zal rond de magnetische krachtlijnen draaien voordat het uiteindelijk wordt verzameld bij de positief geladen anode. In feite zal de weglengte zo lang zijn en de kans op ionisatie zo groot dat na het op gang brengen van een zichzelf in stand houdende gasontlading ontstaat, op voorwaarde dat de ionen snel door de ionencollector uit het ontladingsgebied worden verdreven.

Een vacuümmeetapparaat kiezen

Voordat u een vacuüminstrument selecteert en een geschikte leverancier identificeert, is het belangrijk om selectiecriteria vast te stellen. Deze omvatten vele factoren en dit gedeelte is bedoeld om de potentiële gebruiker te helpen een keuze te maken.

Diepte van vacuümmeting

Omgevingskenmerken

Externe omgeving

Fysieke kenmerken van het apparaat

Soort gebruik

Veiligheid

Installatie en onderhoud

Signaalconversie

Eind mei vorig jaar stonden veel populaire kranten vol met koppen: “Wetenschappers hebben energie uit een vacuüm gehaald!” De eigenaren van vacuümpompen wreven vrolijk in hun handen en zagen zichzelf in hun dromen al als nieuwe oligarchen. Gratis energie uit een vacuüm is echter nog niet op de markt verschenen.

In 1948 onderzochten de Nederlandse theoretisch natuurkundigen Hendrik Casimir en Dirk Polder, op zoek naar een verklaring voor de eigenschappen van colloïdale films, de interactie van moleculen die elkaar polariseren door elektromagnetische krachten. Het bleek dat de aantrekkingskracht van een polariseerbaar molecuul op een metalen plaat omgekeerd evenredig is met de vierde macht van de afstand daartussen.

Maar daarmee eindigde de zaak niet. Casimir besprak zijn bevindingen met Niels Bohr, die opmerkte dat aantrekking op een heel andere manier verklaard kon worden. Toen was al bewezen dat virtuele deeltjes van het fysieke vacuüm de energieniveaus van intra-atomaire elektronen beïnvloeden (Lamb shift). Volgens Bohr zou het door Casimir berekende effect precies dezelfde aard kunnen hebben. Casimir maakte de overeenkomstige berekeningen en kreeg dezelfde formule.

Casimir-effect

In hetzelfde jaar stelde Casimir een eenvoudig en duidelijk voorbeeld voor van het krachteffect van een vacuüm. Laten we ons twee parallelle geleidende platen voorstellen. De dichtheid van virtuele fotonen daartussen zal kleiner zijn dan daarbuiten, omdat daar alleen staande elektromagnetische golven met strikt gedefinieerde resonantiefrequenties kunnen worden geëxciteerd. Als gevolg hiervan zal in de ruimte tussen de platen de druk van het fotongas lager zijn dan de druk van buitenaf, waardoor ze tot elkaar aangetrokken zullen worden, en opnieuw met een kracht die omgekeerd evenredig is met de vierde macht van de platen. breedte van de spleet (naarmate de platen dichter bij elkaar komen, wordt de reeks toegestane frequenties van staande golven verminderd, zodat het verschil in de dichtheid van “interne” en “externe” fotonen toeneemt). In werkelijkheid wordt een dergelijke aantrekkingskracht merkbaar op een afstand van enkele micrometers. Dit fenomeen wordt het Casimir-effect genoemd.

Vanuit een modern oogpunt
Het zijn vacuümfluctuaties die krachtinteracties tussen moleculen genereren. Daarom manifesteren ze zich wanneer lichamen met verschillende vormen (niet noodzakelijk plat) gemaakt van metalen of diëlektrica samenkomen. De eersten die dit een halve eeuw geleden ontdekten, waren medewerkers van de theoretische afdeling van het Instituut voor Fysieke Problemen, Evgeniy Lifshits, Igor Dzyaloshinsky en Lev Pitaevsky. Ze toonden ook aan dat onder bepaalde omstandigheden de aantrekking van Casimir wordt vervangen door afstoting. Betrouwbare experimentele bevestiging van het bestaan ​​van een dergelijke aantrekkingskracht werd in 1997 verkregen door Steve Lamoreaux, Umar Mohideen en Anushree Roy. De afstotende krachten van Casimir werden voor het eerst experimenteel gemeten in 2009 door een team onder leiding van Jeremy Munday.

Bewegende spiegels

In 1970 publiceerde natuurkundige van de Amerikaanse Brandeis Universiteit Gerald Moore een artikel waarin hij theoretisch het gedrag van vacuüm onderzocht in een holte die wordt begrensd door twee naderende of divergerende vlak-parallelle spiegels. Hij toonde aan dat dergelijke spiegels vacuümfluctuaties kunnen versterken... en ervoor kunnen zorgen dat ze echte fotonen produceren. Volgens de berekeningen van Moore moeten de spiegels echter een relativistische snelheid hebben om fotonen in merkbare hoeveelheden te kunnen genereren. Eind jaren tachtig werd het probleem van de ‘swing’ van vacuümfluctuaties voor veel wetenschappers interessant. Uit de theoretische analyse bleek dat vacuüm in staat is echte fotonen te produceren, niet alleen in de buurt van materiële lichamen met een snelheid onder het licht, maar ook in de buurt van materialen die snel hun elektrische of magnetische eigenschappen veranderen. Deze transformatie van virtuele vacuümfluctuaties in echte kwanta werd het dynamische of niet-stationaire Casimir-effect genoemd.

Virtuele spiegel, echte fotonen

Het gebruikelijke Casimir-effect omvat de aantrekking van twee vlakke parallelle platen als gevolg van de "selectie" van resonante staande golven daartussen. Het dynamische effect omvat de “devirtualisatie” van fotonen tijdens de snelle (relativistische) beweging van de spiegels. Het is duidelijk dat het onmogelijk is om zo'n schema op een puur mechanische manier te herhalen, dus gebruikte een groep van de Chalmers Universiteit in Göteborg 'virtuele' spiegels - met behulp van magnetische veldoscillaties veranderden ze de lengte van de golfgeleider, die vergelijkbaar is met de lengte van de golfgeleider. beweging van zijn grens met relativistische snelheden.

Tot voor kort beperkten deze onderzoeken zich tot pure theorie. Directe reproductie van Moore's schema valt uiteraard buiten de mogelijkheden van moderne technologieën, die spiegels gemaakt van welk materiaal dan ook niet kunnen versnellen tot sublichtsnelheden. Meer praktische apparaten voor het observeren van het dynamische Casimir-effect zijn herhaaldelijk besproken in de wetenschappelijke literatuur, bijvoorbeeld piëzo-elektrische vibrators en hoogfrequente elektromagnetische resonatoren. De afgelopen jaren zijn natuurkundigen die op dit gebied werkzaam zijn ervan overtuigd geraakt dat deze experimenten volkomen haalbaar zijn.

Testen in de praktijk

De eersten die succes boekten waren Christopher Wilson en zijn collega's aan de Chalmers University of Technology in de Zweedse stad Göteborg, samen met collega's uit Australië en Japan. De ‘reïficatie’ van virtuele fotonen vond plaats nabij een aluminium golfgeleider die was verbonden met een supergeleidende kwantuminterferometer (twee Josephson-tunnelovergangen die parallel zijn verbonden in een gesloten circuit). De onderzoekers veranderden de inductie van dit circuit door er een magnetische flux doorheen te laten gaan die oscilleert met een frequentie van ongeveer 11 GHz. Fluctuaties in de inductie beïnvloedden de elektrische lengte van de golfgeleider, die oscilleerde met een volledig relativistische snelheid (ongeveer een kwart van de voortplantingssnelheid van elektromagnetische golven in de golfgeleider, wat ongeveer gelijk was aan 40% van de lichtsnelheid in vacuüm). De golfgeleider zond, zoals verwacht, fotonen uit die uit vacuümfluctuaties waren gehaald. Het spectrum van deze straling kwam overeen met theoretische voorspellingen.

Het is echter onmogelijk om met deze installatie energie uit een vacuüm te halen: de energie van de resulterende straling is onmetelijk zwakker dan het vermogen dat in het apparaat moet worden gepompt. Hetzelfde geldt voor andere apparaten die kunnen worden gebruikt om het dynamische Casimir-effect waar te nemen. Over het algemeen is het vacuüm helemaal geen oliehoudende laag.