Termín " vákuum“, ako fyzikálny jav, je médium, v ktorom je tlak plynu nižší ako atmosférický tlak.

Absolútny tlak slúži ako kvantitatívna charakteristika vákua. Hlavnou jednotkou merania tlaku v medzinárodnom systéme (SI) je Pascal (1 Pa = 1N/m2). V praxi však existujú aj iné merné jednotky, ako sú milibary (1 mbar = 100 Pa) a Torres alebo milimetre ortuti (1 mm Hg = 133,322 Pa). Tieto jednotky nie sú jednotkami SI, ale sú prijateľné na meranie krvného tlaku.

Úrovne vákua

V závislosti od toho, o koľko je tlak pod atmosférickým tlakom (101325 Pa), možno pozorovať rôzne javy, v dôsledku čoho je možné použiť rôzne prostriedky na získanie a meranie takéhoto tlaku. V súčasnosti existuje niekoľko úrovní vákua, z ktorých každá má svoje vlastné označenie v súlade s intervalmi tlaku pod atmosférou:

• Nízke vákuum (LV): od 105 do 102 Pa,
• Stredné vákuum (SV): od 102 do 10-1 Pa,
• Vysoké vákuum (HV): od 10 -1 do 10 -5 Pa,
• Ultra vysoké vákuum (UHV): od 10 -5 do 10 -9 Pa,
• Extrémne vysoké vákuum (EHV):

Tieto úrovne vákua sú rozdelené do troch výrobných skupín v závislosti od oblasti použitia.

- Nízke vákuum: Používa sa hlavne tam, kde je potrebné odčerpať veľké množstvo vzduchu. Na získanie nízkeho vákua sa používajú elektromechanické čerpadlá lopatkového typu, odstredivé čerpadlá, čerpadlá s bočným kanálom, generátory prúdenia atď.

Nízke vákuum sa používa napríklad v továrňach na sieťotlač.

- Priemyselný vysávač: Pojem „priemyselné vákuum“ zodpovedá úrovni vákua od -20 do -99 kPa. Tento rozsah sa používa vo väčšine aplikácií. Priemyselné vákuum sa získava pomocou rotačných, kvapalinokruhových, piestových čerpadiel a lopatkových vákuových generátorov podľa Venturiho princípu. Priemyselné vákuové aplikácie zahŕňajú uchopenie prísavky, tvarovanie za tepla, vákuové upínanie, vákuové balenie atď.

- Technické vákuum: zodpovedá úrovni vákua od -99 kPa. Táto úroveň vákua sa získava pomocou dvojstupňových rotačných čerpadiel, excentrických rotačných čerpadiel, Rootsových vákuových čerpadiel, turbomolekulárnych čerpadiel, difúznych čerpadiel, kryogénnych čerpadiel atď.

Táto úroveň vákua sa používa hlavne pri lyofilizácii, metalizácii a tepelnom spracovaní. Vo vede sa technické vákuum používa ako simulácia vesmíru.

Najvyššia hodnota vákua na Zemi je výrazne nižšia ako hodnota absolútneho vákua, ktorá zostáva čisto teoretickou hodnotou. V skutočnosti aj vo vesmíre, napriek absencii atmosféry, je malý počet atómov.

Hlavným impulzom pre rozvoj vákuovej technológie bol výskum v priemyselnej oblasti. V súčasnosti existuje veľké množstvo aplikácií v rôznych odvetviach. Vákuum sa používa v elektroniciach, žiarovkách, urýchľovačoch častíc, metalurgii, potravinárstve a leteckom priemysle, riadení jadrovej fúzie, mikroelektronike, skle a keramike, vede, priemyselnej robotike, systémoch uchopenia prísaviek atď.

Príklady vákuových aplikácií v priemysle

Vákuové viacnásobné uchopovacie systémy "OCTOPUS"

Vákuové prísavky – všeobecné informácie

Vákuové prísavky sú nepostrádateľnou pomôckou na uchopenie, zdvíhanie a presúvanie predmetov, plechov a rôznych predmetov, ktoré sa bežnými systémami ťažko pohybujú pre ich krehkosť alebo riziko deformácie.

Pri správnom používaní poskytujú prísavky pohodlnú, ekonomickú a bezpečnú prevádzku, čo je základný princíp pre ideálnu realizáciu projektov automatizácie vo výrobe.

Dlhoročný výskum a pozornosť k požiadavkám našich zákazníkov nám umožnili vyrábať prísavky, ktoré odolajú vysokým aj nízkym teplotám, abrazívnemu opotrebovaniu, elektrostatickým výbojom, agresívnemu prostrediu a taktiež nezanechávajú škvrny na povrchu prenášaných predmetov. Okrem toho prísavky spĺňajú bezpečnostné normy EHS a potravinové normy FDA, BGA, TSCA.

Všetky prísavky sú vyrobené z vysoko kvalitných vákuovo tvarovaných komponentov a sú ošetrené antikoróznou úpravou pre dlhú životnosť. Bez ohľadu na konfiguráciu majú všetky prísavky svoje vlastné označenia.

Systém viacnásobného zachytávania chobotníc

Veľmi často k nám prichádzajú ľudia, ktorí si chcú kúpiť vákuovú pumpu, no len málo tušia, čo je to vákuum.
Skúsme prísť na to, čo to je.

Podľa definície je vákuum priestor bez hmoty (z latinského slova „vacuus“ - prázdny).
Existuje niekoľko definícií vákua: technické vákuum, fyzikálne vákuum, kozmické vákuum atď.
Budeme uvažovať o technickom vákuu, ktoré je definované ako vysoko riedky plyn.

Pozrime sa na príklad, čo je vákuum a ako sa meria.
Na našej planéte je atmosférický tlak braný ako jedna (jedna atmosféra). Mení sa v závislosti od počasia, nadmorskej výšky a hladiny mora, ale to nebudeme brať do úvahy, pretože to nijako neovplyvní chápanie pojmu vákuum.
Takže tlak na zemskom povrchu je rovný 1 atmosfére. Všetko pod 1 atmosférou (v uzavretej nádobe) sa nazýva technické vákuum.

Vezmeme nádobu a uzavrieme ju vzduchotesným vekom. Tlak v nádobe bude 1 atmosféra. Ak začneme z nádoby odčerpávať vzduch, vznikne v nej vákuum, ktoré sa nazýva vákuum.
Pozrime sa na príklad: v ľavej nádobe je 10 kruhov. Nech je to 1 atmosféra.
„odčerpať“ polovicu - dostaneme 0,5 atm, necháme jednu - dostaneme 0,1 atm.

Keďže v nádobe je len jedna atmosféra, potom maximálne možné vákuum, ktoré môžeme získať (teoreticky), je nula atmosfér.
"Teoreticky" - pretože Je takmer nemožné zachytiť všetky molekuly vzduchu z nádoby.
Preto v každej nádobe, z ktorej bol odčerpaný vzduch (plyn), vždy zostáva nejaké jeho minimálne množstvo. Toto sa nazýva „zvyškový tlak“, to znamená tlak, ktorý zostáva v nádobe po odčerpaní plynov z nádoby.
Existujú špeciálne pumpy, ktoré dokážu dosiahnuť hlboké vákuum až 0,00001 Pa, no stále nie na nulu.
V bežnom živote je zriedkavo potrebné vákuum hlbšie ako 0,5 - 10 Pa (0,00005 - 0,0001 atm).

Existuje niekoľko možností merania vákua v závislosti od výberu referenčného bodu:
1. Jednotka sa považuje za atmosférický tlak. Všetko pod jedným je vákuum.
To znamená, že stupnica vákua je od 1 do 0 atm (1…0,9…0,8…0,7…..0,2…0,1….0).
2. Atmosférický tlak sa považuje za nulový. To znamená vákuum - všetky záporné čísla sú menšie ako 0 až do -1.
To znamená, že stupnica vákuového manometra je od 0 do -1 (0, -0,1...-0,2....,-0,9,...-1).
Tiež váhy môžu byť v kPa, mBar, ale to všetko je podobné ako v atmosfére.

Na obrázku sú vákuomery s rôznymi stupnicami, ktoré ukazujú rovnaké vákuum:

Zo všetkého, čo bolo povedané vyššie, je jasné, že veľkosť vákua nemôže byť väčšia ako atmosférický tlak.

Takmer každý deň nás kontaktujú ľudia, ktorí chcú získať vákuum -2, -3 atm atď.
A sú veľmi prekvapení, keď zistia, že to nie je možné (mimochodom, každá sekunda hovorí, že „vy sám nič neviete“, „ale je to tak s vaším susedom“ atď., atď.)

V skutočnosti všetci títo ľudia chcú tvarovať diely vo vákuu, ale tak, aby tlak na diel bol väčší ako 1 kg/cm2 (1 atmosféra).
To sa dá dosiahnuť zakrytím produktu fóliou, odčerpaním vzduchu spod nej (v tomto prípade bude maximálny tlak v závislosti od vytvoreného vákua 1 kg/cm2 (1 atm=1 kg/cm2)), a potom to všetko umiestniť do autoklávu, v ktorom sa vytvorí pretlak. To znamená, že na vytvorenie tlaku 2 kg/cm2 stačí v autokláve vytvoriť pretlak 1 atm.

Teraz pár slov o tom, koľko klientov meria vákuum na výstave Ampika Pumps LLC v našej kancelárii:
zapnite pumpu, položte prst (dlaň) na sací otvor vákuovej pumpy a ihneď urobte záver o veľkosti vákua.

Zvyčajne každý naozaj rád porovnáva sovietsku vákuovú pumpu 2NVR-5DM a jej analóg VE-2100, ktorý ponúkame.
Po takejto kontrole vždy povedia to isté – vákuum 2NVR-5DM je vyššie (hoci v skutočnosti obe pumpy produkujú rovnaké parametre vákua).

Aký je dôvod tejto reakcie? A ako vždy - v nedostatku vedomostí o fyzikálnych zákonoch a o tom, aký tlak je všeobecne.

Malé vzdelávacie pozadie: tlak „P“ je sila, ktorá pôsobí na určitú plochu, smerujúcu kolmo na túto plochu (pomer sily „F“ k ploche „S“), to znamená P = F/ S.
Zjednodušene povedané, je to sila rozložená na ploche.
Z tohto vzorca je zrejmé, že čím väčší je povrch, tým nižší bude tlak. A tiež sila, ktorá je potrebná na zdvihnutie ruky alebo prsta zo vstupu čerpadla, je priamo úmerná ploche povrchu (F=P*S).
Priemer sacieho otvoru vákuovej pumpy 2NVR-5DM je 25 mm (plocha povrchu 78,5 mm2).
Priemer sacieho otvoru vákuovej pumpy VE-2100 je 6 mm (plocha povrchu 18,8 mm2).
To znamená, že na zdvihnutie ruky z otvoru s priemerom 25 mm je potrebná sila 4,2-krát väčšia ako pre otvor s priemerom 6 mm (pri rovnakom tlaku).
To je dôvod, prečo, keď sa vákuum meria prstami, vzniká takýto paradox.
Tlak "P" sa v tomto prípade vypočíta ako rozdiel medzi atmosférickým tlakom a zvyškovým tlakom v nádobe (t. j. vákuom v čerpadle).

Ako vypočítať silu pritlačenia dielu na povrch?
Veľmi jednoduché. Môžete použiť vzorec uvedený vyššie, ale skúsme to vysvetliť jednoduchšie.
Povedzme napríklad, že potrebujete zistiť, akou silou je možné stlačiť diel s rozmermi 10x10 cm, keď sa pod ním vytvorí vákuum pomocou pumpy VVN 1-0,75.

Odoberáme zvyškový tlak, ktorý vytvára táto vákuová pumpa série BBH.
Konkrétne pre toto vodnokruhové čerpadlo VVN 1-0,75 je to 0,4 atm.
1 atmosféra sa rovná 1 kg/cm2.
Plocha dielu je 100 cm2 (10 cm x 10 cm).
To znamená, že ak vytvoríte maximálne vákuum (to znamená, že tlak na časť bude 1 atm), potom bude časť stlačená silou 100 kg.
Keďže máme vákuum 0,4 atm, tlak bude 0,4x100 = 40 kg.
Ale to je teoreticky, za ideálnych podmienok, ak nedochádza k úniku vzduchu atď.
Reálne s tým treba počítať a tlak bude o 20...40% menší v závislosti od typu povrchu, rýchlosti čerpania atď.

Teraz pár slov o mechanických vákuomeroch.
Tieto zariadenia indikujú zvyškový tlak v rozsahu 0,05...1 atm.
To znamená, že nebude vykazovať hlbšie vákuum (vždy bude ukazovať „0“). Napríklad v akomkoľvek rotačnom lopatkovom vákuovom čerpadle, keď sa dosiahne maximálne vákuum, mechanický manometer vždy zobrazí „0“. Ak je potrebné vizuálne zobrazenie hodnôt zvyškového tlaku, musíte nainštalovať elektronický vákuomer, napríklad VG-64.

Často k nám prichádzajú klienti, ktorí tvarujú diely vo vákuu (napríklad diely z kompozitných materiálov: uhlíkové vlákno, sklolaminát a pod.), je to potrebné, aby pri lisovaní unikal plyn zo spojiva (živice) a tým sa zlepšovali vlastnosti hotový výrobok, ako aj diel bol pritlačený do formy fóliou, spod ktorej sa odčerpával vzduch.
Vzniká otázka: aké vákuové čerpadlo použiť - jednostupňové alebo dvojstupňové?
Väčšinou si myslia, že keďže podtlak dvojstupňového je vyšší, diely budú lepšie.

Vákuum pre jednostupňové čerpadlo je 20 Pa, pre dvojstupňové čerpadlo je 2 Pa. Zdá sa, že keďže rozdiel v tlaku je 10-násobný, časť bude stlačená oveľa silnejšie.
Ale je to naozaj tak?

1 atm = 100 000 Pa = 1 kg/cm2.
To znamená, že rozdiel v tlaku filmu pri vákuu 20 Pa a 2 Pa bude 0,00018 kg/cm2 (ak nie ste príliš leniví, môžete si urobiť výpočty sami).

To znamená, že v tom prakticky nebude žiadny rozdiel, pretože... prírastok upínacej sily 0,18 g nezmení počasie.

Ako vypočítať, ako dlho bude trvať, kým vákuová pumpa odčerpá vákuovú komoru?
Na rozdiel od kvapalín plyny zaberajú celý dostupný objem a ak vákuová pumpa odčerpala polovicu vzduchu vo vákuovej komore, zvyšný vzduch sa opäť roztiahne a zaberie celý objem.
Nižšie je uvedený vzorec na výpočet tohto parametra.

t = (V/S)*ln(pl/p2)*F, Kde

t je čas (v hodinách) potrebný na odčerpanie objemu vákua z tlaku p1 na tlak p2
V - objem čerpanej nádrže, m3
S - prevádzková rýchlosť vákuového čerpadla, m3/hod
p1 - ​​počiatočný tlak v odčerpanej nádobe, mbar
p2 - konečný tlak v čerpanej nádobe, mbar
ln - prirodzený logaritmus

F - korekčný faktor, závisí od konečného tlaku v nádrži 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

Stručne povedané, to je všetko.
Dúfame, že tieto informácie niekomu pomôžu správne si vybrať vákuové zariadenie a pochváliť sa svojimi znalosťami pri pohári piva...

Všeobecne sa uznáva, že vákuum je priestor, v ktorom sa vo vnútri prakticky nič nenachádza. Ak chcete získať vákuum v akejkoľvek nádobe, musíte použiť jednoduchú metódu: odčerpať vzduch. Na to sa používajú obyčajné čerpadlá na odčerpávanie vzduchu z nádob, čím sa vytvára vákuum, ktoré sa široko používa na rôzne účely vo vede aj v priemysle (chemický, potravinársky, elektronika, kozmetológia a mnoho ďalších). Napríklad pri výrobe obyčajnej žiarovky je potrebné vo vnútri vytvoriť vákuum (odčerpať vzduch), aby kyslík nespôsobil okamžité vyhorenie vlákna. Alebo si vezmite napríklad jednoduchú termosku. Aj tam sa podieľa podtlak, ktorý sa nachádza medzi dvoma stenami. Preto akýkoľvek horúci nápoj naliaty do termosky zostane horúci aj v najmrazivejší deň a studený nápoj zostane studený aj v tom najintenzívnejšom teple.

Aj v medicíne pri diagnostike chorôb a ich liečbe využívajú prístroje s vákuovým zariadením.

Každý rok pribúdajú nové aplikácie pre vákuum. V bežnom živote sa hojne využívajú rôzne vákuové obaly, v ktorých sa skrýva všetko, vrátane jedla a oblečenia, aj tie najobyčajnejšie detské hračky. Vákuum sa však používa hlavne na skladovanie potravín. Koniec koncov, dôvodom rýchleho kazenia potravín je kontakt s kyslíkom. Kyslík je ideálnym prostredím pre množenie baktérií, v dôsledku toho sa potraviny kazia, objavuje sa na nich pleseň a začína hniť. Predtým, aby potraviny zostali čerstvé, boli umiestnené v chladničke, ale aj tam je kyslík. A až v 20. storočí sa objavil nový asistent - vákuum. Všetko je veľmi jednoduché a jednoduché: výrobky sú umiestnené v špeciálnych nádobách a prebytočný vzduch sa odčerpáva pomocou čerpadla. A výrobky (zelená, mäso, ryby, bobule) zostávajú čerstvé vo vákuovom balení po dlhú dobu. Potom ich možno vložiť do chladničky na dlhšie skladovanie. Zázračné vákuum úplne izoluje produkty od agresie životného prostredia, čím opakovane predlžuje ich trvanlivosť, bez straty chuti!

V súčasnosti sa široko používajú na zakrytie akýchkoľvek nádob s jedlom. Takéto vákuové pokrievky sú vhodné pre akýkoľvek riad, vyrobený z akéhokoľvek materiálu, pokiaľ sú okraje rovné a hladké. Použitím vákuových vrchnákov navždy eliminujete potrebu viacerých skladovacích nádob. Vákuový kryt je vyrobený z odolného materiálu, ktorý sa nedeformuje v dôsledku náhlych zmien teploty. A preto po vybratí misky z chladničky ju môžete bezpečne vložiť do mikrovlnnej rúry bez odstránenia veka. Ultra pevná membrána odolá vysokým teplotám a je veľmi ťažké ju roztrhnúť alebo prepichnúť. Tieto viečka vám vydržia veľmi dlho a budete ich používať znova a znova.

Tlaky merané na stupnici, ktorá používa nulu ako referenčný bod, sa nazývajú absolútne tlaky. Atmosférický tlak na zemskom povrchu sa mení, ale je približne 105 Pa (1000 mbar). Toto je absolútny tlak, pretože je vyjadrený nulou.

Senzor určený na meranie tlaku vyjadreného vo vzťahu k atmosférickému tlaku, a teda indikujúci nulu, keď jeho merací port obsahuje molekuly pri atmosférickom tlaku. Merania uskutočnené takýmto snímačom sú známe ako merania relatívneho tlaku. Rozdiel medzi absolútnou hodnotou tlaku a hodnotou pretlaku je teda premenlivá atmosférická hodnota:

Absolútna = nadbytok + atmosférický.

Aby ste sa vyhli vážnym chybám, je dôležité vedieť, ktorý režim merania vákua sa používa: absolútny alebo relatívny. Všimnite si, že referenčná čiara pre merania v režime kalibrácie nie je rovná, čo ilustruje variabilitu atmosférického tlaku.

Vákuové a tlakové jednotky

Historické jednotky

Bohužiaľ, existuje množstvo jednotiek na meranie vákua a tlaku, čo predstavuje značné výzvy pre začiatočníkov aj skúsených technikov. Našťastie, život je stále jednoduchší, pretože zastarané a zle definované jednotky miznú v prospech jednotky merania SI.

Mnohé staršie jednotky majú zjavný praktický a historický pôvod; Napríklad palec vody bol jednotkou použitou pri meraní tlaku pomocou stĺpca vody, ktorého horný povrch bol viditeľný na palcovej stupnici. Spočiatku presnosť meraní vákua potrebná pre takéto systémy zodpovedala dosť hrubým metódam merania vákua a nikoho nezaujímalo, či je voda horúca alebo studená. S rastom technologických potrieb vyvstala potreba konzistentnejších meraní. Výrazne sa zlepšili matematické modely meracích prístrojov. Napríklad v jednom tradičnom dizajne na meranie vákua ortuťového barometra boli prijaté diferenciálne rozklady medzi ortuťou v kolóne, sklom, z ktorého bola kolóna vyrobená, mosadzou, z ktorej bola vyrobená stupnica, a oceľovou nádržou. Avšak ani s prepracovanými definíciami a súvisiacou matematikou nemožno v rámci moderných technológií použiť mnohé tradičné jednotky.

jednotka SI

Jednotkou merania SI je pascal, skrátene Pa, názov pre tlak jeden newton na meter štvorcový (N/m2). Zatiaľ čo jeden meter štvorcový je ľahko vizualizovateľný, jeden newton je zložitejší, ale približne sa rovná sile, ktorá pôsobí na ruku pri držaní malého jablka (ak držiak stojí na povrchu zeme!) jeden pascal predstavuje veľmi malé množstvo, pričom atmosférický tlak je približne 100 000 Pa. Na dne nádoby naplnenej vodou bude tlak spôsobený hĺbkou vody približne o 1000 Pa väčší ako na povrchu vody. Aby sa predišlo použitiu nepraktických čísel, predpony sú priradené násobkom 103 a 0,001, takže napríklad 100 000 Pa (105 Pa) možno zapísať ako 100 kPa alebo 0,1 MPa.

Vákuové jednotky a konverzia

Vzťahy medzi pascalom a niekoľkými ďalšími jednotkami sú uvedené v tabuľke, ale všimnite si, že nie všetky sú alebo môžu byť vyjadrené presne. Horný index rímske číslice v tabuľke odkazujú na poznámky, ktoré za ňou nasledujú.

Metódy merania vákua

Všeobecné ustanovenia

Vákuové meracie prístroje využívajú množstvo veľmi odlišných princípov. Niektoré z nich majú zásadný charakter, napríklad meranie výšky stĺpca kvapaliny so známou hustotou. Jedným z takýchto príkladov je ortuťový barometer, v ktorom môže byť atmosférický tlak vyvážený stĺpcom ortuti. Rozšírením tejto myšlienky na použitie pri vysokých tlakoch je použitie kovových závaží pôsobiacich cez známu oblasť na poskytnutie sily, a nie hmotnosti.

Vákuum možno často určiť meraním mechanickej deformácie snímacieho prvku, ktorý podlieha elastickej deformácii, keď sa zmení tlakový rozdiel na jeho povrchoch. Mechanickú deformáciu je možné realizovať a vnímať niekoľkými spôsobmi. Jedným z najbežnejších typov pohyblivých mechanických prvkov je elastická membrána. Ďalším príkladom je Bourdonova trubica, kde vnútorný tlak núti zakrivenú trubicu, aby sa narovnala.

Takáto mechanická deformácia sa dá zistiť niekoľkými spôsobmi: sériou mechanických ramien na priame zobrazenie deformácie, meraním odporu v tenzometri, meraním kapacity, zmenou frekvencie rezonančného prvku pri naťahovaní alebo stláčaní atď.

Keď je vákuum hlboké a preto je mechanická výchylka príliš malá na meranie vákua, používajú sa nepriame prostriedky, ktoré merajú fyzikálne vlastnosti, ako je tepelná vodivosť, ionizácia alebo viskozita, ktoré závisia od hustoty počtu molekúl.

Stĺpec kvapaliny

Jednou z prvých metód merania vákua a dnes stále jednou z najpresnejších je, že stĺpec kvapaliny je schopný vytlačiť kvapalinu z potrubia.

Tlakomer zobrazený na obrázku je v podstate kvapalinou naplnená U-trubica, kde vertikálne oddelenie povrchov kvapaliny poskytuje meranie tlakového rozdielu. Na úrovni nulového bodu d; tlak L zabezpečuje kvapalina nad ním plus tlak p 2 v hornej časti trubice. V rovnováhe je stĺpec udržiavaný tlakom nahor p 1, ktorý sa prenáša cez tekutinu z druhej končatiny.

Tlak p 1 na spodnom povrchu kvapaliny je definovaný ako:

Kde h je vertikálna výška stĺpca kvapaliny nad úrovňou nulového bodu, P je hustota kvapaliny, g je lokálna hodnota tiažového zrýchlenia. Ak je horná trubica pripojená k atmosfére (p2 = atmosférický tlak), potom p1 je kalibračný tlak; Ak je horná trubica evakuovaná (t.j. P2 = nula), potom P1 je absolútny tlak a prístroj sa stáva barometrom.

Ortuť, voda a olej sa používajú v rôznych dizajnoch tlakomerov, hoci ortuť sa vždy používa na barometrické účely; Jeho hustota je viac ako 13-krát väčšia ako hustota vody alebo oleja, a preto vyžaduje oveľa kratší stĺpec. Asi 0,75 m pri meraní atmosférického tlaku. Hustota ortuti je tiež oveľa stabilnejšia ako hustota iných kvapalín.

Meranie vákua deformáciou elastického prvku.

Keď sa na deformujúci prvok pôsobí tlakom, bude sa pohybovať. Na vytvorenie tlakového snímača musí byť posunutie dostatočne malé, aby zostalo v medziach pružnosti materiálu, ale dostatočne veľké na to, aby bolo detekované s dostatočným rozlíšením. Preto sa pri nižších tlakoch používajú tenké ohybné komponenty a pri vyššom tlaku tuhšie. Na určenie stupňa odchýlky sa používa niekoľko metód. Tie siahajú od mechanického vystuženia, produkujúceho viditeľné vychýlenie ukazovateľa, až po elektronické metódy detekcie.

Nižšie uvedené nástroje nezahŕňajú všetky typy, ale tie, ktoré sa bežne používajú v priemysle.

Bránice

Membrána pripevnená k tuhej základni bude vystavená sile, ak je medzi každou stranou rozdiel tlaku. Jednoduchšie je vyrábať membrány okrúhle, ale sú možné aj iné tvary. Rozdiel spôsobí vychýlenie membrány s maximálnym vychýlením v strede a toto vychýlenie možno merať pomocou rôznych mechanických a elektronických snímačov. Pri vychýlení stredu je namáhaný aj povrch membrány a môže vykazovať na jednej strane tlakové napätia okolo vonkajšieho okraja a ťahové napätia okolo centrálnej časti membrány. Táto konfigurácia napätia sa dá zistiť pomocou tenzometrov a z tejto informácie sa dá vypočítať vákuum.

Kapsuly. Kapsuly sú v podstate vyrobené z páru membrán spojených na ich vonkajších okrajoch. Jedna bude mať centrálnu armatúru, cez ktorú sa aplikuje tlak, a pohyb stredu druhej membrány vzhľadom k prvej je určený nejakým typom snímača. Je jasné, že pôsobenie dvoch membrán pôsobiacich v sérii by malo zdvojnásobiť výchylku.

Mechy. Neexistuje jasný rozdiel medzi vlnovcom a kapsulami, ale vlnovce majú zvyčajne niekoľko sekcií naskladaných v sérii a vo všeobecnosti sú vlnovce vzhľadom na priemer malé. Vlnovce môžu byť valcované z rúry, tvarované pod tlakom alebo tvarované zo zváraných prvkov.

Bourdonova trubica

Existujú rôzne prevedenia, ale typickou formou je uzavretá rúrka s oválnym prierezom, zakrivená po dĺžke. Keď je trubica pod tlakom, má tendenciu sa narovnávať a snímač tento pohyb zaznamená. Môžu byť navrhnuté tak, aby fungovali v širokom rozsahu, ako aj v meracom, absolútnom a diferenciálnom režime. K dispozícii sú obyčajné typy v tvare "C", špirálové a špirálové. Elektronická detekcia pohybu konca sa bežne používa s kremennými špirálovými zariadeniami.

Vákuové merania meraním tepelnej vodivosti

Na meranie vákua možno použiť prenos energie z horúceho drôtu cez plyn. Teplo sa v plyne prenáša molekulárnymi zrážkami s drôtom, t.j. tepelná vodivosť a rýchlosť prenosu tepla závisí od tepelnej vodivosti plynu. Presnosť týchto prístrojov teda veľmi závisí od zloženia plynu. V oblasti hlbokého vákua, kde je molekulárny tok (Knudsenovo číslo väčšie ako 3, kde Knudsenovo číslo = stredná voľná dráha / charakteristická veľkosť systému), je prenos tepla úmerný vákuu. Keď sa počet molekúl zvyšuje, plyn sa stáva hustejším a molekuly sa začínajú častejšie navzájom zrážať. V tejto takzvanej oblasti prechodového toku (alebo sklzového toku, 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.

Vákuomery Pirani

Tepelnú stratu z drôtu (zvyčajne 5 až 20 µm) možno určiť nepriamo pomocou obvodu Wheatstoneovho mostíka, ktorý ohrieva drôt a meria jeho odpor a tým aj teplotu. Existujú dva hlavné typy vyhrievaných prvkov. Tradičná a oveľa bežnejšia konfigurácia pozostáva z tenkého kovového drôtu zaveseného v meracej hlave. Ďalšou konfiguráciou je mikroobrobená štruktúra, zvyčajne vyrobená z kremíka potiahnutého tenkým kovovým filmom, ako je platina. V typickom usporiadaní je tenký kovový drôt zavesený aspoň na jednej strane elektricky izolovanej v meracej hlave a v kontakte s plynom. Na drôt je možné použiť volfrám, nikel, irídium alebo platinu. Drôt je elektricky vyhrievaný a prenos tepla sa meria elektronicky. Existujú tri všeobecné prevádzkové metódy: metóda konštantnej teploty, most s konštantným napätím a most s konštantným prúdom. Všetky tieto metódy nepriamo merajú teplotu drôtu jeho odporom. Hlavnou nevýhodou použitia snímačov Pirani je ich silná závislosť od zloženia plynu a ich obmedzená presnosť. Opakovateľnosť snímačov Pirani je vo všeobecnosti celkom dobrá, pokiaľ nedôjde k závažnej kontaminácii. Rozsah merania vákua snímačov Pirani je od približne 10-2 Pa do 105 Pa, ale najlepší výkon sa zvyčajne dosiahne medzi približne 0,1 Pa a 1000 Pa.

Ionizačné senzory na meranie vákua

Keď je vákuum v systéme nižšie ako približne 0,1 Pa (10 -3 mbar), priame metódy merania vákua pomocou vychýlenia membrány alebo merania vlastností plynu, ako je tepelná vodivosť, už nie je možné jednoducho použiť. je potrebné uchýliť sa k metódam, ktoré v podstate počítajú počet prítomných molekúl plynu, t. j. merajú skôr hustotu ako vákuum. Z kinetickej teórie plynov vyplýva, že pre daný plyn so známou teplotou T tlak p priamo súvisí s hustotou čísla n prostredníctvom rovnice (v hranici ideálneho plynu):

Kde c je konštanta. Jednou z najpohodlnejších metód na meranie hustoty je použitie niektorej techniky ionizácie molekúl plynu a následného zberu iónov. Väčšina praktických vákuových senzorov využíva na dosiahnutie ionizácie elektróny so strednou energiou (50 eV až 150 eV). Výsledný iónový prúd priamo súvisí s vákuom, a preto je možné vykonať kalibráciu. Posledné tvrdenie platí len pre konečný tlakový rozsah, ktorý určí prevádzkový rozsah zariadenia. Horná hranica tlaku sa dosiahne, keď je hustota plynu dostatočne veľká na to, aby vytvorenie iónu malo významnú pravdepodobnosť interakcie s neutrálnymi molekulami plynu alebo voľnými elektrónmi v plyne, takže samotný ión je neutralizovaný a nemôže dosiahnuť kolektor, pre praktické účely v typických laboratórnych systémoch alebo v priemyselných inštaláciách to môže byť 0,1 Pa (10 -3 mbar).

Dolná hranica vákua meracieho prístroja sa dosiahne vtedy, keď sa elektrický zvodový prúd v meracej hlavici alebo meracej elektronike stane porovnateľným s meraným iónovým prúdom, alebo keď iný fyzikálny efekt (napríklad vplyv vonkajších röntgenových lúčov) spôsobí prúdy aby sa objavila táto veľkosť. Pre väčšinu snímačov opísaných v tejto príručke sú tieto limity nižšie ako 10 -6 Pa (10 -8 mbar).

Základná kalibračná rovnica pre ionizačnú kalibráciu je:

Ic - iónový prúd K - konštanta obsahujúca pravdepodobnosť ionizácie molekuly plynu akýmikoľvek prostriedkami a pravdepodobnosť zberu výsledného iónu n - hustota počtu molekúl plynu Ie - prúd ionizujúceho elektrónu.

Pravdepodobnosť ionizácie molekuly plynu bude závisieť od mnohých faktorov, a preto bude mať ionizačný senzor rôzne hodnoty citlivosti pre rôzne druhy plynu. Väčšina praktických vákuových senzorov využíva elektronickú stimuláciu na ionizáciu molekúl plynu, a to sa dá dosiahnuť jednoduchým „varením“ elektrónov z vlákna horúceho drôtu a ich priťahovaním k nejakému druhu elektronického kolektora. Ióny sú potom priťahované do kolektora. Nanešťastie, pravdepodobnosť ionizácie molekuly plynu elektrónom je taká malá pri jedinom prechode meradlom normálnej veľkosti, že je potrebné zväčšiť dĺžku dráhy elektrónu a tým zvýšiť pravdepodobnosť, že ktorýkoľvek jeden elektrón vytvorí ión.

Široko používané sú dve metódy. V ionizačnom kalibračnom senzore s horúcou katódou sú elektróny vytvorené v horúcom vlákne priťahované k mriežke vyrobenej z veľmi jemného drôtu a pri kladnom elektrickom potenciáli. Keďže je sieťka otvorená, je veľmi veľká šanca, že elektrón prejde sieťkou bez toho, aby zasiahol drôt. Ak je mriežka obklopená clonou so záporným elektrickým potenciálom, elektrón sa touto clonou odrazí a bude priťahovaný späť do mriežky. Tento proces sa môže stať mnohokrát, kým elektrón konečne zasiahne mriežku. V dôsledku toho je možné dosiahnuť veľmi dlhé dráhy elektrónov v malom objeme. Naproti tomu ióny sú priťahované priamo do kolektora.

Ionizačná lampa so studenou katódou sa zaobíde bez horúceho vlákna a využíva kombináciu elektrického a magnetického poľa. Akýkoľvek elektrón sa bude otáčať okolo magnetických siločiar predtým, ako sa nakoniec zhromaždí na kladne nabitej anóde. V skutočnosti bude dĺžka dráhy taká dlhá a pravdepodobnosť ionizácie taká veľká, že po spustení sa vytvorí autonómny výboj plynu za predpokladu, že ióny budú rýchlo vytlačené z oblasti výboja iónovým kolektorom.

Výber zariadenia na meranie vákua

Pred výberom vákuového prístroja a identifikáciou vhodného dodávateľa je dôležité stanoviť kritériá výberu. Tieto budú zahŕňať mnoho faktorov a táto časť má pomôcť potenciálnemu používateľovi pri výbere.

Hĺbka merania vákua

Charakteristika prostredia

Vonkajšie prostredie

Fyzikálne vlastnosti zariadenia

Typ použitia

Bezpečnosť

Inštalácia a údržba

Konverzia signálu

Koncom mája minulého roka boli mnohé populárne noviny plné titulkov: „Vedci získali energiu z vákua!“ Majitelia vákuových púmp si veselo mädlili ruky a vo svojich snoch sa už videli ako noví oligarchovia. Voľná ​​energia z vákua sa však zatiaľ na trhu neobjavila.

V roku 1948 holandskí teoretickí fyzici Hendrik Casimir a Dirk Polder pri hľadaní vysvetlenia vlastností koloidných filmov skúmali interakciu molekúl, ktoré sa navzájom polarizujú elektromagnetickými silami. Ukázalo sa, že sila príťažlivosti polarizovateľnej molekuly ku kovovej platni je nepriamo úmerná štvrtej mocnine vzdialenosti medzi nimi.

Tým sa však celá záležitosť neskončila. Casimir diskutoval o svojich zisteniach s Nielsom Bohrom, ktorý poznamenal, že príťažlivosť sa dá vysvetliť úplne iným spôsobom. Potom už bolo dokázané, že virtuálne častice fyzického vákua ovplyvňujú energetické hladiny vnútroatómových elektrónov (Lambov posun). Podľa Bohra by efekt vypočítaný Casimirom mohol mať presne rovnakú povahu. Kazimír urobil zodpovedajúce výpočty a získal rovnaký vzorec.

Kazimírov efekt

V tom istom roku Kazimír navrhol jednoduchý a jasný príklad silového účinku vákua. Predstavme si dve ploché vodivé dosky usporiadané paralelne. Hustota virtuálnych fotónov medzi nimi bude menšia ako vonku, keďže tam môžu byť vybudené iba stojaté elektromagnetické vlny presne definovaných rezonančných frekvencií. Výsledkom je, že v priestore medzi doskami bude tlak fotónového plynu menší ako tlak zvonku, preto sa budú navzájom priťahovať a opäť silou nepriamo úmernou štvrtej mocnine mocniny. šírka štrbiny (ako sa dosky približujú k sebe, množina prípustných frekvencií stojatých vĺn sa znižuje, takže rozdiel v hustote „vnútorných“ a „vonkajších“ fotónov sa zväčšuje). V skutočnosti sa takáto príťažlivosť prejaví vo vzdialenosti niekoľkých mikrometrov. Tento jav sa nazýva Casimirov efekt.

Z moderného pohľadu
Práve fluktuácie vákua generujú silové interakcie medzi molekulami. Preto sa prejavujú, keď sa spájajú telesá rôznych tvarov (nie nevyhnutne ploché) vyrobené z kovov alebo dielektrika. Prví to zistili pred polstoročím pracovníci teoretického oddelenia Ústavu fyzikálnych problémov Evgeniy Lifshits, Igor Dzyaloshinsky a Lev Pitaevsky. Ukázali tiež, že za určitých podmienok je príťažlivosť Kazimír nahradená odpudzovaním. Spoľahlivé experimentálne potvrdenie existencie takejto príťažlivosti získali v roku 1997 Steve Lamoreaux, Umar Mohideen a Anushree Roy. Casimirovo odpudivé sily prvýkrát experimentálne zmeral v roku 2009 tím vedený Jeremym Mundayom.

Pohyblivé zrkadlá

V roku 1970 fyzik z americkej Brandeis University Gerald Moore publikoval článok, v ktorom teoreticky skúmal správanie sa vákua v dutine ohraničenej dvoma približujúcimi sa alebo rozbiehajúcimi sa rovinnoparalelnými zrkadlami. Ukázal, že takéto zrkadlá môžu zosilniť fluktuácie vákua... a spôsobiť, že budú produkovať skutočné fotóny. Podľa Moorových výpočtov však zrkadlá musia mať relativistickú rýchlosť, aby mohli generovať fotóny v akýchkoľvek viditeľných množstvách. Koncom osemdesiatych rokov sa problém „hojdania“ fluktuácií vákua stal predmetom záujmu mnohých vedcov. Jeho teoretická analýza ukázala, že vákuum je schopné produkovať skutočné fotóny nielen v blízkosti hmotných telies podsvetelnou rýchlosťou, ale aj v blízkosti materiálov, ktoré rýchlo menia svoje elektrické alebo magnetické vlastnosti. Táto transformácia virtuálnych vákuových fluktuácií na skutočné kvantá sa nazývala dynamický alebo nestacionárny Casimirov efekt.

Virtuálne zrkadlo, skutočné fotóny

Zvyčajný Casimirov efekt zahŕňa priťahovanie dvoch plochých paralelných dosiek v dôsledku „výberu“ rezonančných stojatých vĺn medzi nimi. Dynamický efekt zahŕňa „devirtualizáciu“ fotónov počas rýchleho (relativistického) pohybu zrkadiel. Je jasné, že nie je možné zopakovať takúto schému čisto mechanickým spôsobom, preto skupina z Chalmers University v Göteborgu použila „virtuálne“ zrkadlá – pomocou oscilácií magnetického poľa zmenili dĺžku vlnovodu, ktorá je podobná ako napr. pohyb jeho hranice relativistickými rýchlosťami.

Až donedávna boli tieto štúdie obmedzené na čistú teóriu. Priama reprodukcia Moorovej schémy je samozrejme nad možnosti moderných technológií, ktoré nedokážu zrýchliť zrkadlá z akýchkoľvek materiálov na podsvetelné rýchlosti. Vo vedeckej literatúre boli opakovane diskutované praktickejšie zariadenia na pozorovanie dynamického Casimirovho javu – napríklad piezoelektrické vibrátory a vysokofrekvenčné elektromagnetické rezonátory. V posledných rokoch sa fyzici pracujúci v tejto oblasti presvedčili, že tieto experimenty sú úplne realizovateľné.

Testovanie v praxi

Ako prví dosiahli úspech Christopher Wilson a jeho kolegovia z Chalmers University of Technology vo švédskom meste Göteborg spolu s kolegami z Austrálie a Japonska. „Reifikácia“ virtuálnych fotónov prebiehala v blízkosti hliníkového vlnovodu pripojeného k supravodivému kvantovému interferometru (dva spoje Josephsonovho tunela zapojené paralelne v uzavretom okruhu). Experimentátori zmenili indukčnosť tohto obvodu tak, že ním prechádzal magnetický tok oscilujúci s frekvenciou asi 11 GHz. Kolísanie indukčnosti ovplyvňovalo elektrickú dĺžku vlnovodu, ktorý osciloval úplne relativistickou rýchlosťou (asi štvrtinou rýchlosti šírenia elektromagnetických vĺn vo vlnovode, čo sa približne rovnalo 40 % rýchlosti svetla vo vákuu). Vlnovod, ako sa očakávalo, emitoval fotóny extrahované z fluktuácií vákua. Spektrum tohto žiarenia bolo v súlade s teoretickými predpoveďami.

Toto zariadenie však nie je možné použiť na získavanie energie z vákua: energia výsledného žiarenia je nemerateľne slabšia ako energia, ktorú treba do zariadenia načerpať. To isté platí aj pre iné zariadenia, pomocou ktorých je možné pozorovať dynamický Casimirov efekt. Vo všeobecnosti vákuum vôbec nie je vrstva obsahujúca olej.