Termin " próżnia„, jako zjawisko fizyczne, to ośrodek, w którym ciśnienie gazu jest niższe od ciśnienia atmosferycznego.

Ciśnienie bezwzględne służy jako ilościowa charakterystyka próżni. Główną jednostką miary ciśnienia w Układzie Międzynarodowym (SI) jest paskal (1 Pa = 1 N/m2). Jednak w praktyce istnieją również inne jednostki miary, takie jak milibary (1 mbar = 100 Pa) i Torres lub milimetry rtęci (1 mm Hg = 133,322 Pa). Jednostki te nie są jednostkami SI, ale są dopuszczalne do pomiaru ciśnienia krwi.

Poziomy próżni

W zależności od tego, jak bardzo ciśnienie jest niższe od atmosferycznego (101325 Pa), można zaobserwować różne zjawiska, w wyniku których można zastosować różne środki do uzyskania i pomiaru tego ciśnienia. Obecnie istnieje kilka poziomów próżni, z których każdy ma swoje własne oznaczenie zgodnie z przedziałami ciśnienia poniżej atmosferycznego:

• Niska próżnia (LV): od 10 5 do 10 2 Pa,
• Średnia próżnia (SV): od 10 2 do 10 -1 Pa,
• Wysoka próżnia (HV): od 10 -1 do 10 -5 Pa,
• Ultrawysoka próżnia (UHV): od 10 -5 do 10 -9 Pa,
• Ekstremalnie wysoka próżnia (EHV):

Te poziomy próżni są podzielone na trzy grupy produkcyjne w zależności od obszaru zastosowania.

- Niska próżnia: Stosowany głównie tam, gdzie należy wypompować duże ilości powietrza. Do uzyskania niskiego podciśnienia stosuje się pompy elektromechaniczne typu łopatkowego, odśrodkowe, pompy bocznokanałowe, generatory przepływu itp.

Niską próżnię stosuje się np. w fabrykach sitodruku.

- Próżnia przemysłowa: Termin „próżnia przemysłowa” odnosi się do poziomu próżni od -20 do -99 kPa. Ten zakres jest używany w większości zastosowań. Próżnię przemysłową uzyskuje się za pomocą pomp rotacyjnych, z pierścieniem cieczowym, tłokowych i łopatkowych generatorów podciśnienia działających na zasadzie Venturiego. Przemysłowe zastosowania próżniowe obejmują chwytanie przyssawek, termoformowanie, mocowanie próżniowe, pakowanie próżniowe itp.

- Próżnia techniczna: odpowiada poziomowi podciśnienia od -99 kPa. Ten poziom próżni uzyskuje się za pomocą dwustopniowych pomp rotacyjnych, mimośrodowych pomp rotacyjnych, pomp próżniowych Rootsa, pomp turbomolekularnych, pomp dyfuzyjnych, pomp kriogenicznych itp.

Ten poziom próżni stosowany jest głównie w liofilizacji, metalizacji i obróbce cieplnej. W nauce próżnię techniczną wykorzystuje się do symulacji przestrzeni kosmicznej.

Najwyższa wartość próżni na Ziemi jest znacznie mniejsza od wartości próżni absolutnej, która pozostaje wartością czysto teoretyczną. W rzeczywistości nawet w kosmosie, pomimo braku atmosfery, istnieje niewielka liczba atomów.

Głównym impulsem do rozwoju technologii próżniowej były badania w dziedzinie przemysłu. Obecnie istnieje duża liczba zastosowań w różnych sektorach. Próżnię stosuje się w lampach elektropromieniowych, lampach żarowych, akceleratorach cząstek, metalurgii, żywności i lotnictwie, kontroli syntezy jądrowej, mikroelektronice, szkle i ceramice, nauce, robotyce przemysłowej, systemach chwytania przyssawek itp.

Przykłady zastosowań próżni w przemyśle

Próżniowe systemy chwytakowe „OCTOPUS”

Przyssawki próżniowe – informacje ogólne

Przyssawki próżniowe są niezastąpionym narzędziem do chwytania, podnoszenia i przenoszenia przedmiotów, arkuszy i różnych przedmiotów, które trudno jest przenieść za pomocą konwencjonalnych systemów ze względu na ich kruchość lub ryzyko odkształcenia.

Przy prawidłowym użytkowaniu przyssawki zapewniają wygodną, ​​ekonomiczną i bezpieczną pracę, co jest podstawową zasadą idealnej realizacji projektów automatyzacji w produkcji.

Wieloletnie badania i dbałość o wymagania naszych klientów pozwoliły nam wyprodukować przyssawki, które wytrzymują wysokie i niskie temperatury, zużycie ścierne, wyładowania elektrostatyczne, agresywne środowisko, a także nie pozostawiają plam na powierzchni przenoszonych przedmiotów. Dodatkowo przyssawki odpowiadają normom bezpieczeństwa EEC oraz normom spożywczym FDA, BGA, TSCA.

Wszystkie przyssawki wykonane są z wysokiej jakości komponentów formowanych próżniowo i zostały poddane obróbce antykorozyjnej w celu zapewnienia długiej żywotności. Niezależnie od konfiguracji, wszystkie przyssawki posiadają własne oznaczenia.

System wielokrotnego przechwytywania Octopus

Bardzo często zgłaszają się do nas osoby, które chcą kupić pompę próżniową, ale nie mają zielonego pojęcia, czym jest próżnia.
Spróbujmy dowiedzieć się, co to jest.

Z definicji próżnia to przestrzeń wolna od materii (od łacińskiego słowa „vacuus” - pusta).
Istnieje kilka definicji próżni: próżnia techniczna, próżnia fizyczna, próżnia kosmiczna itp.
Rozważymy próżnię techniczną, którą definiuje się jako gaz wysokorozrzedzony.

Spójrzmy na przykład, czym jest próżnia i jak jest mierzona.
Na naszej planecie ciśnienie atmosferyczne przyjmuje się jako jeden (jedna atmosfera). Zmienia się w zależności od pogody, wysokości i poziomu morza, ale nie będziemy tego brać pod uwagę, ponieważ nie wpłynie to w żaden sposób na zrozumienie pojęcia próżni.
Mamy więc ciśnienie na powierzchni ziemi równe 1 atmosferze. Wszystko poniżej 1 atmosfery (w zamkniętym naczyniu) nazywa się próżnią techniczną.

Weźmy naczynie i zamknij je hermetyczną pokrywką. Ciśnienie w naczyniu wyniesie 1 atmosferę. Jeśli zaczniemy wypompowywać powietrze z naczynia, powstanie w nim próżnia, którą nazywamy próżnią.
Spójrzmy na przykład: w lewym naczyniu znajduje się 10 okręgów. Niech to będzie 1 atmosfera.
„wypompuj” połowę - otrzymujemy 0,5 atm, zostaw jedną - otrzymujemy 0,1 atm.

Ponieważ w naczyniu znajduje się tylko jedna atmosfera, maksymalna możliwa próżnia, jaką możemy uzyskać (teoretycznie) wynosi zero atmosfer.
„Teoretycznie” – bo Wyłapanie wszystkich cząsteczek powietrza z naczynia jest prawie niemożliwe.
Dlatego w każdym naczyniu, z którego wypompowano powietrze (gaz), zawsze pozostaje jego pewna minimalna ilość. Nazywa się to „ciśnieniem resztkowym”, to znaczy ciśnieniem, które pozostaje w naczyniu po wypompowaniu z niego gazów.
Istnieją specjalne pompy, które mogą osiągnąć głęboką próżnię do 0,00001 Pa, ale nadal nie do zera.
W zwykłym życiu rzadko wymagana jest próżnia głębsza niż 0,5–10 Pa (0,00005–0,0001 atm).

Istnieje kilka możliwości pomiaru próżni, w zależności od wyboru punktu odniesienia:
1. Za jednostkę przyjmuje się ciśnienie atmosferyczne. Wszystko poniżej jednego jest próżnią.
Oznacza to, że skala wakuometru wynosi od 1 do 0 atm (1…0,9…0,8…0,7…..0,2…0,1….0).
2. Ciśnienie atmosferyczne przyjmuje się za zero. Oznacza to próżnię - wszystkie liczby ujemne są mniejsze niż 0 i aż do -1.
Oznacza to, że skala wakuometru wynosi od 0 do -1 (0, -0,1...-0,2...,-0,9,...-1).
Ponadto skale mogą być wyrażone w kPa, mBar, ale wszystko to jest podobne do skal w atmosferach.

Na zdjęciu wakuometry z różnymi skalami, które pokazują tę samą próżnię:

Z wszystkiego, co powiedziano powyżej, jasne jest, że wielkość próżni nie może być większa niż ciśnienie atmosferyczne.

Prawie codziennie kontaktują się z nami ludzie, którzy chcą uzyskać próżnię -2, -3 atm. itp.
I bardzo się dziwią, gdy dowiadują się, że to niemożliwe (swoją drogą co drugi z nich mówi, że „sam nic nie wiesz”, „ale tak jest z twoim sąsiadem” itp., itp.)

W rzeczywistości wszyscy ci ludzie chcą formować części w próżni, ale tak, aby nacisk na część był większy niż 1 kg/cm2 (1 atmosfera).
Można to osiągnąć poprzez przykrycie produktu folią, wypompowanie spod niego powietrza (w tym przypadku w zależności od wytworzonego podciśnienia maksymalne ciśnienie wyniesie 1 kg/cm2 (1 atm=1 kg/cm2)), a następnie umieszczenie tego wszystkiego w autoklawie, w którym wytworzy się nadciśnienie. Oznacza to, że aby wytworzyć ciśnienie 2 kg/cm2, wystarczy wytworzyć w autoklawie nadciśnienie 1 atm.

A teraz kilka słów o tym ilu klientów mierzy podciśnienie na wystawie Ampika Pumps LLC w naszym biurze:
włącz pompę, połóż palec (dłoń) na otworze ssącym pompy próżniowej i od razu wyciągnij wniosek na temat wielkości podciśnienia.

Zwykle wszyscy bardzo lubią porównywać radziecką pompę próżniową 2NVR-5DM i jej analog VE-2100, który oferujemy.
Po takim sprawdzeniu zawsze mówią to samo - w 2NVR-5DM podciśnienie jest wyższe (choć tak naprawdę obie pompy wytwarzają te same parametry podciśnienia).

Jaki jest powód tej reakcji? I jak zawsze - w braku wiedzy o prawach fizyki i ogólnie o tym, jakie ciśnienie.

Trochę wiedzy: ciśnienie „P” to siła działająca na pewną powierzchnię, skierowana prostopadle do tej powierzchni (stosunek siły „F” do powierzchni „S”), czyli P = F/ S.
W uproszczeniu jest to siła rozłożona na powierzchni.
Ze wzoru widać, że im większa powierzchnia, tym niższe będzie ciśnienie. Również siła potrzebna do uniesienia dłoni lub palca z wlotu pompy jest wprost proporcjonalna do powierzchni (F=P*S).
Średnica otworu ssącego pompy próżniowej 2NVR-5DM wynosi 25 mm (powierzchnia 78,5 mm2).
Średnica otworu ssącego pompy próżniowej VE-2100 wynosi 6 mm (powierzchnia 18,8 mm2).
Oznacza to, że aby podnieść rękę z otworu o średnicy 25 mm, potrzebna jest siła 4,2 razy większa niż w przypadku otworu o średnicy 6 mm (przy tym samym ciśnieniu).
Dlatego też, gdy podciśnienie mierzy się palcami, powstaje taki paradoks.
Ciśnienie „P” w tym przypadku oblicza się jako różnicę pomiędzy ciśnieniem atmosferycznym a ciśnieniem resztkowym w naczyniu (czyli podciśnieniem w pompie).

Jak obliczyć siłę docisku części do powierzchni?
Bardzo prosta. Można skorzystać ze wzoru podanego powyżej, ale spróbujmy wyjaśnić to prościej.
Załóżmy na przykład, że musisz dowiedzieć się, z jaką siłą można wcisnąć część o wymiarach 10 x 10 cm, gdy wytworzy się pod nią próżnia za pomocą pompy VVN 1-0,75.

Bierzemy pod uwagę ciśnienie resztkowe wytwarzane przez tę pompę próżniową serii BBH.
W szczególności dla tej pompy z pierścieniem wodnym VVN 1-0,75 wynosi to 0,4 atm.
1 atmosfera równa się 1 kg/cm2.
Powierzchnia części wynosi 100 cm2 (10 cm x 10 cm).
Oznacza to, że jeśli wytworzysz maksymalną próżnię (to znaczy nacisk na część wyniesie 1 atm), wówczas część zostanie dociśnięta z siłą 100 kg.
Ponieważ mamy próżnię 0,4 atm, ciśnienie wyniesie 0,4x100 = 40 kg.
Ale tak jest teoretycznie, w idealnych warunkach, jeśli nie ma wycieków powietrza itp.
W rzeczywistości trzeba to wziąć pod uwagę, a ciśnienie będzie o 20...40% mniejsze w zależności od rodzaju powierzchni, prędkości pompowania itp.

Teraz kilka słów o mechanicznych wakuometrach.
Urządzenia te wskazują ciśnienie resztkowe w zakresie 0,05...1 atm.
Oznacza to, że nie pokaże głębszej próżni (zawsze będzie pokazywać „0”). Na przykład w dowolnej rotacyjnej łopatkowej pompie próżniowej, po osiągnięciu maksymalnego podciśnienia, mechaniczny wakuometr zawsze będzie wskazywał „0”. Jeśli wymagane jest wizualne wyświetlanie wartości ciśnienia resztkowego, należy zainstalować elektroniczny wakuometr, na przykład VG-64.

Często zgłaszają się do nas klienci, którzy formują części w próżni (np. części wykonane z materiałów kompozytowych: włókna węglowego, włókna szklanego itp.), jest to konieczne, aby podczas formowania ulatniał się gaz ze spoiwa (żywicy) i przez to poprawiał właściwości gotowy produkt, a także część dociskano do formy za pomocą folii, spod której odpompowywano powietrze.
Powstaje pytanie: jaką pompę próżniową zastosować – jednostopniową czy dwustopniową?
Zwykle myślą, że skoro podciśnienie w dwustopniowym jest wyższe, części będą lepsze.

Podciśnienie dla pompy jednostopniowej wynosi 20 Pa, dla pompy dwustopniowej 2 Pa. Wydaje się, że skoro różnica ciśnień jest 10-krotna, część zostanie dociśnięta znacznie mocniej.
Ale czy tak jest naprawdę?

1 atm = 100 000 Pa = 1 kg/cm2.
Oznacza to, że różnica ciśnień folii przy próżni 20 Pa i 2 Pa wyniesie 0,00018 kg/cm2 (jeśli nie jesteś zbyt leniwy, możesz wykonać obliczenia samodzielnie).

Czyli praktycznie różnicy nie będzie, bo... przyrost siły docisku o 0,18 g nie zmieni pogody.

Jak obliczyć, ile czasu zajmie pompie próżniowej wypompowanie komory próżniowej?
W przeciwieństwie do cieczy, gazy zajmują całą dostępną objętość i jeśli pompa próżniowa wypompuje połowę powietrza z komory próżniowej, pozostałe powietrze ponownie rozszerzy się i zajmie całą objętość.
Poniżej znajduje się wzór na obliczenie tego parametru.

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

t to czas (w godzinach) wymagany do wypompowania objętości próżni od ciśnienia p1 do ciśnienia p2
V - objętość pompowanego zbiornika, m3
S - prędkość robocza pompy próżniowej, m3/godz
p1 - ​​​​ciśnienie początkowe w wypompowanym pojemniku, mbar
p2 - ciśnienie końcowe w wypompowanym zbiorniku, mbar
ln - logarytm naturalny

F - współczynnik korygujący, zależny od ciśnienia końcowego w zbiorniku p2:
- p2 od 1000 do 250 mbar F=1
- p2 od 250 do 100 mbar F=1,5
- p2 od 100 do 50 mbar F=1,75
- p2 od 50 do 20 mbar F=2
- p2 od 20 do 5 mbar F=2,5
- p2 od 5 do 1 mbar F=3

W skrócie to tyle.
Mamy nadzieję, że te informacje pomogą komuś w dokonaniu właściwego wyboru sprzętu próżniowego i pochwaleniu się swoją wiedzą przy kuflu piwa...

Powszechnie przyjmuje się, że próżnia to przestrzeń, w której praktycznie nie ma nic. Aby uzyskać próżnię w dowolnym pojemniku, musisz zastosować prostą metodę: wypompować powietrze. W tym celu stosuje się zwykłe pompy do wypompowywania powietrza z pojemników, tworząc w ten sposób próżnię, która ma szerokie zastosowanie do różnych celów, zarówno w nauce, jak i przemyśle (chemia, żywność, elektronika, kosmetologia i wiele innych). Przykładowo przy produkcji zwykłej żarówki należy wytworzyć w jej wnętrzu próżnię (wypompować powietrze), aby tlen nie spowodował natychmiastowego spalenia żarnika. Lub weź na przykład prosty termos. Tam również występuje próżnia, która znajduje się pomiędzy dwiema ścianami. Dzięki temu każdy gorący napój wlany do termosu pozostanie gorący nawet w najbardziej mroźny dzień, a zimny napój pozostanie zimny nawet w najbardziej intensywny upał.

Nawet w medycynie przy diagnozowaniu chorób i ich leczeniu wykorzystuje się urządzenia wyposażone w sprzęt próżniowy.

Z roku na rok pojawia się coraz więcej nowych zastosowań próżni. W życiu codziennym szeroko stosowane są różne opakowania próżniowe, w których ukryte jest wszystko, w tym żywność i odzież, a także najzwyklejsze zabawki dla dzieci. Ale głównie próżnia służy do przechowywania żywności. W końcu przyczyną szybkiego psucia się żywności jest kontakt z tlenem. Tlen jest idealnym środowiskiem do namnażania się bakterii, w efekcie czego żywność psuje się, pojawia się na niej pleśń i zaczyna gnić. Wcześniej, aby zachować świeżość żywności, umieszczano je w lodówce, ale tam też był tlen. I dopiero w XX wieku pojawił się nowy asystent - próżnia. Wszystko jest bardzo proste: produkty umieszcza się w specjalnych pojemnikach, a nadmiar powietrza wypompowuje się za pomocą pompki. A produkty (warzywa, mięso, ryby, jagody) pozostają świeże przez długi czas w opakowaniach próżniowych. Następnie można je umieścić w lodówce w celu dłuższego przechowywania. Cudowna próżnia całkowicie izoluje produkty od agresji środowiska, wielokrotnie przedłużając ich trwałość, bez utraty smaku!

Obecnie zaczęto je powszechnie stosować do przykrywania wszelkich pojemników z żywnością. Takie pokrywy próżniowe nadają się do wszelkich naczyń wykonanych z dowolnego materiału, pod warunkiem, że krawędzie są równe i gładkie. Używając pokryw próżniowych, na zawsze wyeliminujesz potrzebę stosowania wielu pojemników do przechowywania. Osłona odkurzacza wykonana jest z wytrzymałego materiału, który nie odkształca się pod wpływem nagłych zmian temperatury. Dlatego po wyjęciu naczynia z lodówki można bezpiecznie włożyć je do kuchenki mikrofalowej bez zdejmowania pokrywki. Ultra mocna membrana wytrzymuje wysokie temperatury i jest bardzo trudna do rozerwania lub przekłucia. Te pokrywki posłużą Ci bardzo długo i będziesz ich używać wielokrotnie.

Ciśnienia mierzone na skali, która przyjmuje zero jako punkt odniesienia, nazywane są ciśnieniami bezwzględnymi. Ciśnienie atmosferyczne na powierzchni Ziemi jest zmienne, ale wynosi około 10 5 Pa (1000 mbar). Jest to ciśnienie bezwzględne, ponieważ wyrażane jest w postaci zera.

Czujnik przeznaczony do pomiaru ciśnienia wyrażonego w stosunku do ciśnienia atmosferycznego i tym samym wskazania zera, gdy w jego porcie pomiarowym znajdują się cząsteczki pod ciśnieniem atmosferycznym. Pomiary dokonywane przez taki czujnik nazywane są pomiarami ciśnienia względnego. Zatem różnica między wartością ciśnienia bezwzględnego a wartością nadciśnienia jest zmienną wartością atmosferyczną:

Absolut = nadmiar + atmosferyczny.

Aby uniknąć poważnych błędów, ważne jest, aby wiedzieć, jaki tryb pomiaru próżni jest używany: bezwzględny czy względny. Należy zauważyć, że linia odniesienia dla pomiarów w trybie kalibracji nie jest prosta, co ilustruje zmienność ciśnienia atmosferycznego.

Jednostki próżniowe i ciśnieniowe

Jednostki historyczne

Niestety, istnieje wiele różnych jednostek pomiaru podciśnienia i ciśnienia, co stwarza duże wyzwania zarówno dla początkujących, jak i doświadczonych techników. Na szczęście życie staje się coraz łatwiejsze, ponieważ przestarzałe i słabo zdefiniowane jednostki odchodzą na rzecz jednostki miary SI.

Wiele starszych jednostek ma oczywiste pochodzenie praktyczne i historyczne; Na przykład cal wody był jednostką używaną do pomiaru ciśnienia w słupie wody, którego górna powierzchnia była widoczna w skali calowej. Początkowo dokładność pomiarów próżni wymagana w takich układach odpowiadała raczej prymitywnym metodom pomiaru próżni i nikt nie dbał o to, czy woda jest gorąca, czy zimna. Wraz ze wzrostem potrzeb technologii pojawiła się potrzeba bardziej spójnych pomiarów. Znacząco udoskonalono modele matematyczne przyrządów pomiarowych. Na przykład w jednym z tradycyjnych projektów pomiaru próżni barometru rtęciowego przyjęto różnicowy rozkład rtęci w kolumnie, szkła, z którego wykonano kolumnę, mosiądzu, z którego wykonano skalę, oraz stalowego zbiornika. Jednak nawet przy wyrafinowanych definicjach i powiązanej matematyce wielu tradycyjnych jednostek nie można zastosować w nowoczesnej technologii.

Jednostka SI

Jednostką miary w układzie SI jest paskal, w skrócie Pa, nazwa nadana ciśnieniu jednego niutona na metr kwadratowy (N/m2). O ile metr kwadratowy łatwo sobie wyobrazić, o tyle jeden niuton jest trudniejszy, ale jest w przybliżeniu równy sile wywieranej na dłoń skierowaną w dół, gdy trzyma się małe jabłko (jeśli posiadacz stoi na powierzchni ziemi!). Jak na co dzień. życia, jeden paskal reprezentuje bardzo małą ilość, podczas gdy ciśnienie atmosferyczne wynosi około 100 000 Pa. Na dnie naczynia wypełnionego wodą ciśnienie wynikające z głębokości wody będzie o około 1000 Pa większe niż na powierzchni wody. Aby uniknąć stosowania nieporęcznych liczb, wielokrotności 103 i 0,001 mają przypisane przedrostki, tak że na przykład 100 000 Pa (105 Pa) można zapisać jako 100 kPa lub 0,1 MPa.

Jednostki próżniowe i konwersja

Zależności między paskalem a kilkoma innymi jednostkami pokazano w tabeli, należy jednak pamiętać, że nie wszystkie są lub mogą być wyrażone precyzyjnie. Cyfry rzymskie w indeksie górnym w tabeli odnoszą się do uwag, które po niej następują.

Metody pomiaru próżni

Postanowienia ogólne

Przyrządy do pomiaru próżni wykorzystują wiele bardzo różnych zasad. Niektóre z nich mają charakter fundamentalny, np. pomiar wysokości słupa cieczy o znanej gęstości. Jednym z takich przykładów jest barometr rtęciowy, w którym ciśnienie atmosferyczne można wyrównać słupkiem rtęci. Rozszerzeniem tego pomysłu do stosowania przy wysokich ciśnieniach jest zastosowanie metalowych ciężarków działających na znanym obszarze, aby zapewnić płynowi siłę, a nie ciężar.

Podciśnienie można często określić mierząc odkształcenie mechaniczne elementu czujnikowego, który ulega odkształceniu sprężystemu pod wpływem zmiany różnicy ciśnień na jego powierzchniach. Ugięcie mechaniczne można zrealizować i postrzegać na kilka sposobów. Jednym z najpowszechniejszych rodzajów ruchomych elementów mechanicznych jest membrana elastyczna. Innym przykładem jest rurka Bourdona, w której ciśnienie wewnętrzne wymusza wyprostowanie zakrzywionej rurki.

Takie odkształcenie mechaniczne można wykryć na kilka sposobów: za pomocą szeregu mechanicznych ramion bezpośrednio pokazujących odkształcenie, mierząc rezystancję w tensometrze, mierząc pojemność, zmieniając częstotliwość elementu rezonansowego podczas rozciągania lub ściskania itp.

Gdy próżnia jest głęboka i dlatego odchylenie mechaniczne jest zbyt małe, aby zmierzyć próżnię, stosuje się środki pośrednie, które mierzą właściwości fizyczne, takie jak przewodność cieplna, jonizacja lub lepkość, które zależą od gęstości liczby cząsteczek.

Kolumna cieczy

Jedna z najwcześniejszych metod pomiaru podciśnienia i nadal jedna z najdokładniejszych obecnie polega na tym, że słup cieczy jest w stanie wycisnąć ciecz z rury.

Manometr pokazany na rysunku to zasadniczo wypełniona cieczą rurka w kształcie litery U, w której pionowe oddzielenie powierzchni cieczy umożliwia pomiar różnicy ciśnień. Na poziomie punktu zerowego d; ciśnienie L zapewnia ciecz znajdująca się nad nim plus ciśnienie p 2 na górze rurki. W równowadze kolumnę utrzymuje ciśnienie skierowane ku górze p 1, które jest przenoszone przez płyn z drugiej kończyny.

Ciśnienie p 1 na dolnej powierzchni cieczy definiuje się jako:

Gdzie h to pionowa wysokość słupa cieczy nad poziomem punktu zerowego, P to gęstość cieczy, g to lokalna wartość przyspieszenia ziemskiego. Jeżeli górna rura jest połączona z atmosferą (p2 = ciśnienie atmosferyczne), wówczas p1 jest ciśnieniem kalibracyjnym; Jeśli w górnej rurze zostanie opróżniona próżnia (tj. P2 = zero), wówczas P1 oznacza ciśnienie bezwzględne, a przyrząd staje się barometrem.

W różnych konstrukcjach manometrów wykorzystuje się rtęć, wodę i olej, chociaż rtęć jest zawsze używana do celów barometrycznych; Jego gęstość jest ponad 13 razy większa od wody lub oleju i dlatego wymaga znacznie krótszej kolumny. Około 0,75 m przy pomiarze ciśnienia atmosferycznego. Gęstość rtęci jest również znacznie bardziej stabilna niż gęstość innych cieczy.

Pomiar próżni poprzez odkształcenie elementu sprężystego.

Kiedy na odkształcający się element zostanie przyłożony nacisk, będzie on się poruszał. Aby utworzyć czujnik ciśnienia, przemieszczenie musi być na tyle małe, aby mieścić się w granicy sprężystości materiału, ale wystarczająco duże, aby można je było wykryć z wystarczającą rozdzielczością. Dlatego przy niższych ciśnieniach stosuje się elementy cienkie, elastyczne, a przy wyższych - sztywniejsze. Istnieje kilka metod określania stopnia odchylenia. Obejmują one wzmocnienia mechaniczne, powodujące widoczne odchylenie wskazówki, po elektroniczne metody wykrywania.

Narzędzia wymienione poniżej nie obejmują wszystkich typów, ale te, które są powszechnie stosowane w przemyśle.

Membrany

Membrana przymocowana do sztywnej podstawy będzie poddana działaniu siły, jeśli po obu stronach wystąpi różnica ciśnień. Łatwiej jest wykonać membrany okrągłe, ale możliwe są także inne kształty. Różnica spowoduje ugięcie membrany z maksymalnym odchyleniem w środku, a odchylenie to można zmierzyć za pomocą różnych czujników mechanicznych i elektronicznych. W miarę odchylania się środka powierzchnia membrany również podlega naprężeniom i może wykazywać z jednej strony naprężenia ściskające wokół zewnętrznej krawędzi i naprężenia rozciągające wokół środkowej części membrany. Tę konfigurację naprężeń można wykryć za pomocą tensometrów i na podstawie tych informacji można obliczyć próżnię.

Kapsułki. Zasadniczo kapsułki są wykonane z pary membran połączonych na zewnętrznych krawędziach. Jedna będzie miała centralną złączkę, przez którą przykładane będzie ciśnienie, a ruch środka drugiej membrany względem pierwszej będzie określany przez jakiś rodzaj czujnika. Oczywiste jest, że działanie dwóch membran działających szeregowo powinno podwoić ugięcie.

Miechy. Nie ma wyraźnego rozróżnienia między mieszkiem a kapsułą, ale mieszek ma zwykle kilka sekcji ułożonych szeregowo i generalnie mieszek jest mały w stosunku do średnicy. Mieszki mogą być walcowane z rury, formowane pod ciśnieniem lub formowane z elementów spawanych.

Rurka Bourdona

Istnieją różne konstrukcje, ale typową formą jest zamknięta rura o owalnym przekroju, zakrzywiona na całej długości. Gdy rurka znajduje się pod ciśnieniem, ma tendencję do prostowania się, a czujnik wykrywa ten ruch. Można je zaprojektować do pracy w szerokim zakresie, a także w trybie miernika, bezwzględnym i różnicowym. Dostępne są typy zwykłe w kształcie litery „C”, spiralne i spiralne. Elektroniczne wykrywanie ruchu końcowego jest powszechnie stosowane w spiralnych urządzeniach kwarcowych.

Pomiary próżniowe poprzez pomiary przewodności cieplnej

Do pomiaru próżni można zastosować transfer energii z gorącego drutu przez gaz. Ciepło przekazywane jest w gazie poprzez zderzenia molekularne z drutem, tj. przewodność cieplna, a szybkość wymiany ciepła zależy od przewodności cieplnej gazu. Zatem dokładność tych przyrządów w dużym stopniu zależy od składu gazu. W obszarze głębokiej próżni, gdzie występuje przepływ molekularny (liczba Knudsena większa niż 3, gdzie liczba Knudsena = średnia swobodna droga / charakterystyczny rozmiar układu), wymiana ciepła jest proporcjonalna do próżni. W miarę wzrostu liczby cząsteczek gaz staje się gęstszy, a cząsteczki zaczynają coraz częściej się ze sobą zderzać. W tym tak zwanym obszarze przepływu przejściowego (lub przepływie poślizgowym, 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.

Wakuometry Piraniego

Stratę ciepła przez drut (zwykle od 5 do 20 µm) można określić pośrednio za pomocą obwodu mostka Wheatstone'a, który podgrzewa drut i mierzy jego rezystancję, a tym samym temperaturę. Istnieją dwa główne typy elementów grzejnych. Tradycyjna i znacznie powszechniejsza konfiguracja składa się z cienkiego metalowego drutu zawieszonego w głowicy pomiarowej. Inną konfiguracją jest konstrukcja poddana mikroobróbce, zwykle wykonana z krzemu pokrytego cienką warstwą metalu, takiego jak platyna. W typowej konfiguracji cienki metalowy drut jest zawieszony co najmniej z jednej strony izolowanej elektrycznie w głowicy pomiarowej i stykającej się z gazem. Na drut można zastosować wolfram, nikiel, iryd lub platynę. Drut jest podgrzewany elektrycznie, a przenikanie ciepła mierzone jest elektronicznie. Istnieją trzy ogólne metody działania: metoda stałotemperaturowa, mostek stałonapięciowy i mostek stałoprądowy. Wszystkie te metody pośrednio mierzą temperaturę drutu na podstawie jego rezystancji. Główną wadą stosowania czujników Pirani jest ich silna zależność od składu gazu i ograniczona dokładność. Powtarzalność czujników Pirani jest ogólnie całkiem dobra, o ile nie występuje poważne zanieczyszczenie. Zakres pomiaru próżni czujników Pirani wynosi od około 10-2 Pa do 105 Pa, ale najlepszą wydajność zwykle uzyskuje się w zakresie od około 0,1 Pa do 1000 Pa.

Czujniki jonizacyjne do pomiaru próżni

Gdy podciśnienie w systemie jest niższe niż około 0,1 Pa (10–3 mbar), nie można już łatwo stosować bezpośrednich metod pomiaru podciśnienia za pomocą takich metod, jak ugięcie membrany lub pomiar właściwości gazu, takich jak przewodność cieplna. konieczne jest uciekanie się do metod, które w zasadzie liczą liczbę obecnych cząsteczek gazu, czyli mierzą raczej gęstość niż próżnię. Z kinetycznej teorii gazów dla danego gazu o znanej temperaturze T ciśnienie p jest bezpośrednio powiązane z gęstością liczby n poprzez równanie (w granicy gazu doskonałego):

Gdzie c jest stałą. Jedną z najwygodniejszych metod pomiaru gęstości liczbowej jest zastosowanie techniki jonizacji cząsteczek gazu, a następnie zebrania jonów. Większość praktycznych czujników próżniowych wykorzystuje elektrony o umiarkowanej energii (50 eV do 150 eV) do osiągnięcia jonizacji. Powstały prąd jonowy jest bezpośrednio powiązany z próżnią, dzięki czemu można przeprowadzić kalibrację. To ostatnie stwierdzenie jest prawdziwe tylko dla skończonego zakresu ciśnień, który będzie determinował zakres pracy urządzenia. Górna granica ciśnienia zostanie osiągnięta, gdy gęstość gazu będzie na tyle duża, że ​​powstanie jonu będzie miało duże prawdopodobieństwo interakcji z cząsteczkami gazu obojętnego lub wolnymi elektronami w gazie, tak że sam jon zostanie zneutralizowany i nie będzie mógł dotrzeć do kolektorze, dla celów praktycznych w typowych systemach laboratoryjnych lub instalacjach przemysłowych można to przyjąć jako 0,1 Pa (10 -3 mbar).

Dolna granica podciśnienia miernika zostanie osiągnięta, gdy elektryczny prąd upływowy w głowicy pomiarowej lub elektronice pomiarowej stanie się porównywalny z mierzonym prądem jonowym lub gdy inne zjawisko fizyczne (takie jak wpływ zewnętrznych promieni rentgenowskich) spowoduje powstanie prądów o wartości pojawić się ta wielkość. Dla większości czujników opisanych w tej instrukcji limity te wynoszą poniżej 10 -6 Pa (10 -8 mbar).

Podstawowe równanie kalibracyjne do kalibracji jonizacji to:

Ic - prąd jonowy K - stała zawierająca prawdopodobieństwo zjonizowania cząsteczki gazu w dowolny sposób i prawdopodobieństwo zebrania powstałego jonu n - gęstość liczby cząsteczek gazu Ie - prąd elektronu jonizującego.

Prawdopodobieństwo jonizacji cząsteczki gazu będzie zależeć od wielu czynników, dlatego czujnik jonizacji będzie miał różne wartości czułości dla różnych rodzajów gazu. Większość praktycznych czujników próżniowych wykorzystuje stymulację elektroniczną do jonizacji cząsteczek gazu, co można osiągnąć po prostu „zagotowawszy” elektrony z żarnika gorącego drutu i przyciągając je do pewnego rodzaju kolektora elektronicznego. Jony są następnie przyciągane do kolektora. Niestety, prawdopodobieństwo jonizacji cząsteczki gazu przez elektron jest tak małe podczas jednego przejścia w mierniku o normalnej wielkości, że konieczne jest zwiększenie długości ścieżki elektronu, a tym samym zwiększenie prawdopodobieństwa, że ​​dowolny elektron wytworzy jon.

Powszechnie stosowane są dwie metody. W czujniku jonizacji do kalibracji z gorącą katodą elektrony wytwarzane w gorącym żarniku są przyciągane do siatki wykonanej z bardzo cienkiego drutu i mają dodatni potencjał elektryczny. Ponieważ siatka jest otwarta, istnieje bardzo duże prawdopodobieństwo, że elektron przejdzie przez siatkę, nie uderzając w drut. Jeśli siatka jest otoczona ekranem o ujemnym potencjale elektrycznym, elektron zostanie odbity przez ten ekran i zostanie przyciągnięty z powrotem do siatki. Proces ten może zachodzić wiele razy, zanim elektron w końcu uderzy w siatkę. W rezultacie w małej objętości można uzyskać bardzo długie trajektorie elektronów. Natomiast jony są przyciągane bezpośrednio do kolektora.

Lampa jonizacyjna z zimną katodą rezygnuje z gorącego żarnika i wykorzystuje kombinację pól elektrycznych i magnetycznych. Każdy elektron będzie wirował wokół magnetycznych linii siły, zanim ostatecznie zostanie zebrany na dodatnio naładowanej anodzie. W rzeczywistości długość ścieżki będzie tak długa, a prawdopodobieństwo jonizacji tak duże, że po uruchomieniu nastąpi samopodtrzymujący wyładowanie gazowe, pod warunkiem, że jony zostaną szybko wyparte z obszaru wyładowania przez kolektor jonów.

Wybór urządzenia do pomiaru próżni

Przed wyborem przyrządu próżniowego i zidentyfikowaniem odpowiedniego dostawcy ważne jest ustalenie kryteriów wyboru. Obejmą one wiele czynników, a ta sekcja ma na celu pomóc potencjalnemu użytkownikowi w dokonaniu wyboru.

Głębokość pomiaru próżni

Charakterystyka środowiska

Otoczenie zewnętrzne

Charakterystyka fizyczna urządzenia

Rodzaj zastosowania

Bezpieczeństwo

Instalacja i konserwacja

Konwersja sygnału

Pod koniec maja ubiegłego roku w wielu popularnych gazetach pojawiały się nagłówki: „Naukowcy uzyskali energię z próżni!” Właściciele pomp próżniowych szczęśliwie zacierali ręce i już w snach widzieli siebie jako nowych oligarchów. Jednak darmowa energia z próżni nie pojawiła się jeszcze na rynku.

W 1948 roku holenderscy fizycy teoretyczni Hendrik Casimir i Dirk Polder w poszukiwaniu wyjaśnienia właściwości filmów koloidalnych badali oddziaływanie cząsteczek polaryzujących się wzajemnie siłami elektromagnetycznymi. Okazało się, że siła przyciągania polaryzowalnej cząsteczki do metalowej płytki jest odwrotnie proporcjonalna do czwartej potęgi odległości między nimi.

Ale na tym sprawa się nie zakończyła. Casimir omówił swoje ustalenia z Nielsem Bohrem, który zauważył, że przyciąganie można wytłumaczyć zupełnie inaczej. Wtedy już udowodniono, że wirtualne cząstki próżni fizycznej wpływają na poziomy energii elektronów wewnątrzatomowych (przesunięcie Lamba). Według Bohra efekt obliczony przez Kazimierza mógł mieć dokładnie taki sam charakter. Kazimierz dokonał odpowiednich obliczeń i uzyskał ten sam wzór.

Efekt Kazimierza

W tym samym roku Kazimierz zaproponował prosty i przejrzysty przykład działania siły próżni. Wyobraźmy sobie dwie płaskie przewodzące płyty ustawione równolegle. Gęstość wirtualnych fotonów pomiędzy nimi będzie mniejsza niż na zewnątrz, ponieważ wzbudzone mogą być tam jedynie stojące fale elektromagnetyczne o ściśle określonych częstotliwościach rezonansowych. W efekcie w przestrzeni pomiędzy płytami ciśnienie gazu fotonowego będzie mniejsze niż ciśnienie z zewnątrz, dlatego będą one przyciągane do siebie i to znowu z siłą odwrotnie proporcjonalną do czwartej potęgi siły szerokość szczeliny (w miarę zbliżania się płyt do siebie zmniejsza się zbiór dopuszczalnych częstotliwości fal stojących, przez co zwiększa się różnica w gęstości fotonów „wewnętrznych” i „zewnętrznych”). W rzeczywistości takie przyciąganie staje się zauważalne w odległości kilku mikrometrów. Zjawisko to nazywa się efektem Casimira.

Z nowoczesnego punktu widzenia
To fluktuacje próżni generują oddziaływania siłowe pomiędzy cząsteczkami. Dlatego objawiają się one wtedy, gdy spotykają się ze sobą ciała o różnych kształtach (niekoniecznie płaskie) wykonane z metali lub dielektryków. Pierwszymi, którzy przekonali się o tym pół wieku temu, byli pracownicy wydziału teoretycznego Instytutu Problemów Fizycznych, Jewgienij Lifszits, Igor Dzialoszynski i Lew Pitajewski. Pokazali także, że w pewnych warunkach przyciąganie Kazimierza zastępuje odpychanie. Wiarygodne eksperymentalne potwierdzenie istnienia takiego przyciągania uzyskali w 1997 roku Steve Lamoreaux, Umar Mohideen i Anushree Roy. Siły odpychania Casimira zostały po raz pierwszy zmierzone eksperymentalnie w 2009 roku przez zespół kierowany przez Jeremy'ego Mundaya.

Ruchome lustra

W 1970 roku fizyk z amerykańskiego Uniwersytetu Brandeis Gerald Moore opublikował artykuł, w którym teoretycznie badał zachowanie próżni we wnęce ograniczonej przez dwa zbliżające się lub rozbieżne, płasko-równoległe zwierciadła. Pokazał, że takie zwierciadła mogą wzmacniać wahania próżni... i powodować wytwarzanie przez nie prawdziwych fotonów. Jednak według obliczeń Moore'a, aby wygenerować fotony w jakichkolwiek zauważalnych ilościach, zwierciadła muszą mieć prędkość relatywistyczną. Pod koniec lat 80. problem „huśtania się” wahań próżni stał się przedmiotem zainteresowania wielu naukowców. Jej analiza teoretyczna wykazała, że ​​próżnia jest w stanie wytwarzać prawdziwe fotony nie tylko w pobliżu ciał materialnych z prędkością podświetlną, ale także w pobliżu materiałów, które szybko zmieniają swoje właściwości elektryczne lub magnetyczne. Tę transformację wirtualnych fluktuacji próżni w rzeczywiste kwanty nazwano dynamicznym lub niestacjonarnym efektem Casimira.

Wirtualne lustro, prawdziwe fotony

Typowy efekt Casimira polega na przyciąganiu dwóch płaskich, równoległych płytek w wyniku „wyboru” rezonansowych fal stojących pomiędzy nimi. Efekt dynamiczny polega na „dewirtualizacji” fotonów podczas szybkiego (relatywistycznego) ruchu zwierciadeł. Oczywiste jest, że nie da się powtórzyć takiego schematu w sposób czysto mechaniczny, dlatego grupa z Uniwersytetu Chalmers w Göteborgu zastosowała „wirtualne” zwierciadła - wykorzystując oscylacje pola magnetycznego, zmienili długość falowodu, która jest podobna do przemieszczanie się jego granicy z prędkościami relatywistycznymi.

Do niedawna badania te ograniczały się do czystej teorii. Bezpośrednie odtworzenie schematu Moore'a przekracza oczywiście możliwości nowoczesnych technologii, które nie są w stanie przyspieszyć luster wykonanych z jakichkolwiek materiałów do prędkości podświetlnych. W literaturze naukowej wielokrotnie omawiano bardziej praktyczne urządzenia do obserwacji dynamicznego efektu Casimira - na przykład wibratory piezoelektryczne i rezonatory elektromagnetyczne wysokiej częstotliwości. W ostatnich latach fizycy zajmujący się tą dziedziną nabrali przekonania, że ​​eksperymenty te są w pełni wykonalne.

Testowanie w praktyce

Jako pierwsi odnieśli sukces Christopher Wilson i jego współpracownicy z Chalmers University of Technology w szwedzkim Göteborgu, a także koledzy z Australii i Japonii. „Reifikacja” wirtualnych fotonów odbywała się w pobliżu falowodu aluminiowego połączonego z nadprzewodzącym interferometrem kwantowym (dwa złącza tunelowe Josephsona połączone równolegle w obwodzie zamkniętym). Eksperymentatorzy zmieniali indukcyjność tego obwodu przepuszczając przez niego strumień magnetyczny oscylujący z częstotliwością około 11 GHz. Wahania indukcyjności wpływały na długość elektryczną falowodu, który oscylował z prędkością całkowicie relatywistyczną (około jednej czwartej prędkości propagacji fal elektromagnetycznych w falowodzie, co było w przybliżeniu równe 40% prędkości światła w próżni). Falowód, zgodnie z oczekiwaniami, emitował fotony wyodrębnione z wahań próżni. Widmo tego promieniowania było zgodne z przewidywaniami teoretycznymi.

Nie ma jednak możliwości wykorzystania tej instalacji do pozyskiwania energii z próżni: energia powstałego promieniowania jest nieporównywalnie słabsza od mocy, którą trzeba wpompować do urządzenia. To samo dotyczy innych urządzeń, za pomocą których można obserwować dynamiczny efekt Casimira. Ogólnie rzecz biorąc, próżnia nie jest wcale warstwą olejonośną.