Термін " вакуум", як фізичне явище - середовище, в якому тиск газу нижчий за атмосферний тиск.

Кількісною характеристикою вакууму є абсолютний тиск. Основною одиницею вимірювання тиску у Міжнародній системі (СІ) служить Паскаль (1 Па = 1Н/м 2 ). Проте, практично зустрічаються й інші одиниці виміру, такі як мілібари (1 мбар = 100Па) і Торри чи міліметри ртутного стовпа (1 мм.рт.ст. = 133,322 Па). Ці одиниці не належать до СІ, але допускаються для вимірювання кров'яного тиску.

Рівні вакууму

Залежно від того, наскільки тиск нижче атмосферного (101325 Па), можуть спостерігатися різні явища, внаслідок чого можуть використовуватись різні засоби для отримання та вимірювання такого тиску. В наш час виділяють кілька рівнів вакууму, кожен з яких має своє позначення відповідно до інтервалів тиску нижче атмосферного:

• Низький вакуум (НВ): від 10 5 до 10 2 Па,
• Середній вакуум (СВ): від 10 2 до 10 -1 Па,
• Високий вакуум (ВВ): від 10 -1 до 10 -5 Па,
• Надвисокий вакуум (СВВ): від 10 -5 до 10 -9 Па,
• Надзвичайно високий вакуум (ЧВВ):

Дані рівні вакууму в залежності від сфери застосування поділяють на три виробничі групи.

- Низький вакуум: в основному використовується там де потрібно відкачування великої кількості повітря. Для отримання низького вакууму використовують електромеханічні насоси лопатевого типу, відцентрового, насоси з бічним каналом, генератори потоку і т.д.

Низький вакуум застосовується, наприклад, на фабриках шовкотрафаретного друку.

- Промисловий вакуум: термін "промисловий вакуум" відповідає рівню вакууму від -20 до -99 кПа. Цей діапазон використовується в більшості застосувань. Індустріальний вакуум отримують за допомогою ротаційних, рідинно-кільцевих, поршневих насосів та лопатевих вакуумних генераторів за принципом Вентурі. Область застосування промислового вакууму включає захоплення присосками, термоформування, вакуумний затискач, вакуумна упаковка та ін.

- Технічний вакуум: відповідає рівню вакууму від -99 кПа Такий рівень вакууму одержують за допомогою дворівневих ротаційних насосів, ексцентрикових роторних насосів, вакуумних насосів Рутса, турбомолекулярних насосів, дифузійних насосів, кріогенних насосів тощо

Такий рівень вакууму використовується в основному при ліофілізації, металізації та термообробці. У науці технічний вакуум використовується як симуляція космічного простору.

Найвище значення вакууму землі значно менше значення абсолютного вакууму, що залишається суто теоретичним значенням. Фактично навіть у космосі, незважаючи на відсутність атмосфери, є невелика кількість атомів.

Основним поштовхом до розвитку вакуумних технологій стали дослідження в промисловій галузі. На даний момент існує велика кількість застосувань у різних секторах. Вакуум використовується в електропроменевих трубках, лампах розжарювання, прискорювачах частинок, в металургії, харчовій та аерокосмічній індустрії, в установках для контролю ядерного синтезу, в мікроелектроніці, у скляній та керамічній промисловості, у науці, у промисловій роботехніці, у системах захоплення за допомогою вакуумних присосок і т.д.

Приклади застосування вакууму у промисловості

Вакуумні системи множинного захоплення "ОКТОПУС"

Вакуумні присоски - загальна інформація

Вакуумні присоски є незамінним інструментом для захоплення, підйому та переміщення предметів, листів та різних об'єктів, які важко переміщати звичайними системами, через їх крихкість або ризик деформації.

При правильному застосуванні присоски забезпечують зручність, економічність та безпеку роботи, що є фундаментальним принципом для ідеальної реалізації проектів автоматизації на виробництві.

Тривалі дослідження та увага до вимог наших клієнтів, дозволили нам виробляти присоски, що витримують високі та низькі температури, абразивний знос, електростатичні розряди, агресивні середовища, а також не залишають плям на поверхні предметів, що переносяться. Крім цього, присоски відповідають стандартам безпеки EEC та харчовим стандартам FDA, BGA, TSCA.

Всі присоски виготовляються з високоякісних компонентів методом вакуумного формування та піддаються антикорозійній обробці для тривалого терміну служби. Незалежно від конфігурації, всі присоски мають своє маркування.

Система множинного захоплення Октопус

Дуже часто до нас звертаються люди, які хочуть купити вакуумний насос, але слабо уявляють, що таке вакуум.
Спробуємо розібратися, що це таке.

За визначенням вакуум – це простір, вільний від речовини (від латинського слова «vacuus» - порожній).
Існує кілька визначень вакууму: технічний вакуум, фізичний вакуум, космічний вакуум і т.д.
Ми розглядатимемо технічний вакуум, який визначається як сильно розріджений газ.

Розглянемо з прикладу, що таке вакуум і як його вимірюють.
На нашій планеті існує атмосферний тиск, прийнятий за одиницю (одна атмосфера). Воно змінюється залежно від погоди, висоти на рівні моря, але ми не будемо брати це до уваги, так як це не буде ніяк не впливати на розуміння поняття вакуум.
Отже, ми маємо тиск на поверхні землі, що дорівнює 1 атмосфері. Все, що нижче за 1 атмосферу (у закритій посудині), називається технічним вакуумом.

Візьмемо якийсь посуд і закриємо його герметичною кришкою. Тиск у посудині дорівнюватиме 1 атмосфері. Якщо ми почнемо відкачувати з судини повітря, то в ньому виникне розрядження, яке називається вакуумом.
Розглянемо з прикладу: у лівій посудині 10 кружечків. Нехай це буде одна атмосфера.
"відкачаємо" половину - отримаємо 0,5 атм, залишимо один - отримаємо 0,1 атм.

Так як у посудині лише одна атмосфера, то і максимально можливий вакуум ми можемо отримати (теоретично) нуль атмосфер.
"Теоретично" – т.к. виловити всі молекули повітря із судини практично неможливо.
Тому в будь-якій посудині, з якої відкачали повітря (газ) завжди залишається якась його мінімальна кількість. Це і називають "залишковим тиском", тобто тиск, який залишився в посудині після відкачування з нього газів.
Існують спеціальні насоси, які можуть досягти глибокого вакууму до 0,00001 Па, але не до нуля.
У звичайному житті рідко коли потрібно вакуум глибше 0,5 - 10 Па (0,00005-0,0001 атм).

Є кілька варіантів виміру вакууму, які залежать від вибору точки відліку:
1. За одиницю приймається атмосферний тиск. Все, що нижче одиниці – вакуум.
Тобто шкала вакуумметра від 1 до 0 атм (1…0,9…0,8…0,7…..0,2…0,1….0).
2. За нуль приймається атмосферний тиск. Тобто вакуум - усі негативні числа менше 0 і до -1.
Тобто шкала вакуумметра від 0 до -1 (0, -0,1…-0,2….,-0,9,…-1).
Також шкали можуть бути в кПа, mBar, але все це аналогічно шкалам в атмосферах.

На зображенні показані вакуумметри з різними шкалами, які показують однаковий вакуум:

З усього сказаного вище видно, що величина вакууму не може бути більшою за атмосферний тиск.

До нас майже щодня звертаються люди, які хочуть одержати вакуум -2, -3 атм тощо.
І вони дуже дивуються, коли дізнаються, що це неможливо (до речі, кожен другий з них каже, що "ви самі нічого не знаєте", "а у сусіда так" і т.д. і.т.п.)

Насправді всі ці люди хочуть формувати деталі під вакуумом, але щоб притиск деталі був більше 1 кг/см2 (1 атмосфери).
Цього можна досягти, якщо накрити виріб плівкою, відкачати з-під неї повітря (у цьому випадку, залежно від створеного вакууму, максимальний притиск складе 1 кг/см2 (1 атм=1 кг/см2)), і після цього помістити це все в автоклав, у якому буде створено надлишковий тиск. Тобто для створення притиску в 2 кг/см2 достатньо створити в автоклаві надлишковий тиск в 1 атм.

Тепер кілька слів про те, як багато клієнтів вимірюють вакуум на виставці ТОВ "Насоси Ампіка", у нас в офісі:
включають насос, прикладають палець (долоню) до отвору, що всмоктує вакуумного насоса і відразу роблять висновок про величину вакууму.

Зазвичай всі дуже люблять порівнювати радянський вакуумний насос 2НВР-5ДМ і пропонований нами його аналог VE-2100.
Після такої перевірки, завжди говорять одне й теж – вакуум у 2НВР-5ДМ вище (хоча насправді обидва насоси видають однакові параметри вакууму).

У чому причина такої реакції? А як завжди – без знань законів фізики і що таке тиск взагалі.

Трохи лікнепу: тиск «P» – це сила, яка діє на деяку площу поверхні, спрямована перпендикулярно цій поверхні (відношення сили «F» до площі поверхні «S»), тобто P=F/S.
Просто – це сила, розподілена за площею поверхні.
З цієї формули видно, що чим більша площа поверхні, тим меншим буде тиск. А також сила, яка буде потрібна для відриву руки або пальця від вхідного отвору насоса, прямо пропорційна величині площі поверхні (F=P*S).
Діаметр отвору, що всмоктує, у вакуумного насоса 2НВР-5ДМ – 25 мм (площа поверхні 78,5 мм2).
Діаметр отвору, що всмоктує, у вакуумного насоса VE-2100 – 6 мм (площа поверхні 18,8 мм2).
Тобто для відриву руки від отвору діаметром 25 мм потрібна сила в 4,2 рази більша, ніж для діаметра отвору 6 мм (при однаковому тиску).
Саме тому, коли вакуум вимірюють пальцями, виходить такий парадокс.
Тиск «P» у цьому випадку розраховується як різниця між атмосферним тиском і залишковим тиском у посудині (тобто вакуумом у насосі).

Як порахувати силу притиску будь-якої деталі до поверхні?
Дуже просто. Можна скористатися наведеною вище формулою, але спробуємо пояснити простіше.
Наприклад, нехай потрібно дізнатися, з якою силою може бути притиснута деталь розміром 10х10 см під час створення під нею вакууму насосом ВВН 1-0,75.

Беремо залишковий тиск, який створює цей вакуумний насос серії ВВН.
Саме у цього водокільцевого насоса ВВН 1-0,75 воно становить 0,4 атм.
1 атмосфера дорівнює 1 кг/см2.
Площа поверхні деталі - 100 см2 (10см х10 см).
Тобто якщо створити максимальний вакуум (тобто тиск на деталь буде 1 атм), то деталь притиснеться з силою 100 кг.
Так як у нас вакуум 0,4 атм, то притиск становитиме 0,4 х100 = 40 кг.
Але це в теорії, за ідеальних умов, якщо не буде підсмоктування повітря тощо.
Реально потрібно це враховувати і притиск буде на 20...40% менше залежно від типу поверхні, швидкості відкачування тощо.

Тепер кілька слів про механічні вакуумметри.
Ці пристрої показують залишковий тиск у межах 0,05...1 атм.
Тобто він не покаже глибшого вакууму (завжди показуватиме «0»). Наприклад, у будь-якому пластинчато-роторному вакуумному насосі, після досягнення максимального вакууму, механічний вакуумметр завжди буде показувати «0». Якщо потрібно візуальне відображення значень залишкового тиску, потрібно ставити електронний вакуумметр, наприклад VG-64 .

Часто до нас приходять клієнти, які формують деталі під вакуумом (наприклад, деталі з композиційних матеріалів: вуглепластику, склопластику тощо), це потрібно для того, щоб під час формування зі сполучної речовини (смоли) виходив газ і тим самим покращувалися властивості готового продукту, а також деталь притискалася до форми плівкою, з-під якої відкачують повітря.
Постає питання: яким вакуумним насосом користуватися – одноступеневим чи двоступінчастим?
Зазвичай думають, що якщо вакуум у двоступінчастого вище, то й деталі виходити краще.

Вакуум у одноступінчастого насоса 20 Па, двоступеневий 2 Па. Здається, що якщо різниця в тиску в 10 разів, то й притискатися деталь буде набагато сильнішою.
Але чи це так насправді?

1 атм = 100 000 Па = 1 кг/см2.
Значить різниця в притиску плівки при вакуумі 20 Па і 2 Па складе 0,00018 кг/см2 (кому не ліньки - порахує сам).

Тобто практично ніякої різниці не буде, т.к. виграш у 0,18 г у силі притиску погоди не зробить.

Як розрахувати, за який час вакуумний насос відкачає вакуумну камеру?
На відміну від рідин, гази займають весь наявний об'єм і якщо вакуумний насос відкачав половину повітря, що знаходиться у вакуумній камері, частина повітря, що залишилася, знову розшириться і займе весь об'єм.
Нижче наведено формулу для обчислення цього параметра.

t = (V/S)*ln(p1/p2)*F, де

t - час (у годиннику) необхідний для відкачування вакуумного об'єму від тиску p1 до тиску p2
V - об'єм ємності, що відкачується, м3
S - швидкість дії вакуумного насоса, м3/год.
p1 - ​​початковий тиск у ємності, що відкачується, мбар
p2 - кінцевий тиск в ємності, що відкачується, мбар
ln - натуральний логарифм

F - коефіцієнт поправки, залежить від кінцевого тиску в ємності p2:
- p2 від 1000 до 250 мбар F=1
- p2 від 250 до 100 мбар F = 1,5
- p2 від 100 до 50 мбар F = 1,75
- p2 від 50 до 20 мбар F=2
- p2 від 20 до 5 мбар F = 2,5
- p2 від 5 до 1 мбар F=3

Двома словами, це все.
Сподіваємося, що комусь ця інформація допоможе зробити правильний вибір вакуумного обладнання та блиснути знаннями за кухлем пива.

Вважають, що вакуум - це такий простір, всередині якого практично нічого немає. Щоб отримати вакуум у якійсь ємності, необхідно використати простий спосіб: відкачати повітря. Для цього застосовують звичайні насоси, що відкачують повітря з ємностей, тим самим створюючи вакуум, який широко застосовують у різних цілях, як у науці, так і в промисловості (хімічної, харчової, електронної, косметології та багатьох інших). Наприклад, при виробництві звичайної електричної лампочки потрібно обов'язково всередині створити вакуум (відкачати повітря), щоб кисень не став причиною миттєвого перегорання нитки розжарювання. Або взяти, наприклад, простий термос. Там також задіяний вакуум, що знаходиться між двома стінками. Тому будь-який гарячий напій, налитий у термос, так і залишиться гарячим, навіть у найсильніший морозний день, а холодний напій так і залишиться холодним, при найсильнішій спеці.

Навіть у медицині, при діагностиці захворювань та лікуванні, застосовують апарати з вакуумним обладнанням.

З кожним роком знаходиться все нове та нове застосування вакууму. У побуті широко використовують різні вакуумні упаковки, в які ховають усі, і продукти харчування та одяг, і звичайнісінькі дитячі іграшки. Але в основному вакуум використовують для зберігання харчових продуктів. Адже причиною швидкого псування продуктів є контакт з киснем. Ідеальним середовищем для розмноження бактерій є кисень, в результаті продукти псуються, на них з'являється пліснява, і вони починають гнити. Раніше щоб продукти залишалися свіжими, їх поміщали в холодильник, але і там є кисень. І лише у 20 столітті з'явився новий помічник – вакуум. Все дуже легко і просто: продукти поміщаються у спеціальні ємності, і за допомогою насоса викачується зайве повітря. І продукти (зелень, м'ясо, риба, ягоди) надовго залишаються свіжими у вакуумній упаковці. Потім їх можна помістити в холодильну камеру для більш тривалого зберігання. Чудо - вакуум повністю ізолює продукти від агресії довкілля, багаторазово продовжуючи термін їхньої придатності, без втрати смаку!

Зараз стали широко застосовувати, якими накривають будь-які ємності з продуктами. Такі вакуумні кришки підходять для будь-якого посуду, з будь-якого матеріалу, головне щоб краї були рівними і гладкими. Використовуючи вакуумні кришки, ви назавжди відмовитеся від численних контейнерів для зберігання. Вакуумна кришка виготовлена ​​з міцного матеріалу, який при різкому перепаді температури не деформується. І тому, діставши страву з холодильника, можна сміливо ставити у мікрохвильову піч, не знімаючи кришку. Надміцна мембрана витримує високу температуру і розірвати або проколоти її дуже складно. Такі кришки будуть служити вам дуже довго, і ви використовуватимете їх знову і знову.

Тиск, виміряний на шкалі, яка використовує нульове значення як опорну точку, називаються абсолютними тисками. Атмосферний тиск на Землі змінюється, але становить приблизно 10 5 Па (1000 мбар). Це абсолютний тиск, тому що він виражається щодо нульового.

Датчик призначений для вимірювання тиску, вираженого щодо атмосферного тиску, і, таким чином, що показує нуль, коли вимірювальний порт містить молекули при атмосферному тиску. Вимірювання проведені таким датчиком відомі як вимірювання тиску у відносному режимі. Таким чином, різниця між значенням абсолютного тиску та значенням надлишкового є змінним значенням атмосферного:

Абсолютне = надлишкове + атмосферне.

Щоб уникнути серйозних помилок, важливо знати, який режим вимірювання вакууму використовується: абсолютний або відносний. Зверніть увагу, що еталонна лінія для вимірювання калібрувальної моди не є прямою, що ілюструє мінливість атмосферного тиску.

Одиниці вимірювання вакууму та тиску

Історичні одиниці

На жаль, у вимірах вакууму та тиску існує безліч одиниць, що створює значні проблеми як для новачків, так і для досвідчених фахівців. На щастя, життя стає легшим, оскільки застарілі та погано певні одиниці зникають на користь одиниці виміру СІ.

Багато старих одиниць мають очевидне практичне та історичне походження; Наприклад, дюйм води був одиницею, що використовується, коли тиск вимірювався водяним стовпом, верхня поверхня якого була видна на дюймовій шкалі. Спочатку точність вимірювань вакууму, потрібна для таких систем, відповідала досить грубим методам вимірювання вакууму, і ніхто не турбувався, чи була вода гарячою чи холодною. У міру зростання технологічних потреб виникла потреба у послідовніших вимірах. Математичні моделі вимірювальних приладів значно вдосконалилися. Наприклад, в одній традиційній схемі вимірювання вакууму ртутного барометра було прийнято для диференціальних розкладів між ртуттю в колоні, склом, з якого виготовлена ​​колона, латунню, з якої виготовлена ​​шкала, та сталевим резервуаром. Однак навіть з уточненими визначеннями та пов'язаною з ними математикою багато традиційних одиниць не можуть використовуватися в рамках сучасних технологій.

Одиниця виміру СІ

Одиниця виміру СІ - це паскаль, що скорочено позначається Па, ім'я дано тиску одного ньютона на квадратний метр (Н/м 2). У той час як легко візуалізувати один квадратний метр, один ньютон складніше, але він приблизно дорівнює низхідній силі, що діє на руку, коли тримає маленьке яблуко (якщо власник стоїть на поверхні землі!) Що стосується повсякденного життя, один паскаль є дуже невеликою величиною , При цьому атмосферне становить приблизно 100 000 Па. На дні каструлі, наповненої водою, тиск із-за глибини води буде приблизно на 1000 Па більше, ніж на поверхні води. Щоб уникнути використання громіздких чисел, кратним 103 і 0,001 призначаються префікси, тому, наприклад, 100 000 Па (105 Па) можуть бути записані як 100 кПа або 0,1 МПа.

Одиниці вимірювання вакууму та конвертація

Взаємини між паскалем та деякими іншими одиницями показані в таблиці, але зверніть увагу, що не всі можуть бути або можуть бути точно виражені. Надрядкові римські цифри в таблиці відносяться до приміток, які йдуть за нею.

Методи вимірювання вакууму

загальні положення

У приладах для вимірювання вакууму використовується низка абсолютно різних принципів. Деякі з них мають фундаментальний характер, наприклад вимір висоти стовпа рідини з відомою щільністю. Одним із таких прикладів є ртутний барометр, у якому атмосферний тиск може бути врівноважений стовпом ртуті. Розширення цієї ідеї для використання при високому тиску - використання металевих гир, що діють над відомою площею, щоб забезпечити силу, а не вагу рідини.

Часто вакуум може бути визначено шляхом вимірювання механічної деформації чутливого елемента, який піддається пружній деформації, коли змінюється різниця тисків на поверхнях. Механічний прогин може бути реалізований та сприйнятий кількома способами. Одним з найбільш поширених типів механічних елементів, що рухаються, є еластична діафрагма. Іншим прикладом є труба Бурдона, де внутрішній тиск змушує випрямляти вигнуту трубку.

Така механічна деформація може бути виявлена ​​декількома способами: серією механічних важелів для безпосереднього відображення деформації, вимірювання опору в тензодатчику, вимірювання ємності, зміни частоти резонуючого елемента при розтягуванні або стисненні і т.д.

Коли глибокий вакуум і тому механічне відхилення занадто мало для вимірювання вакууму, використовуються непрямі засоби, які вимірюють фізичні властивості, такі як теплопровідність, іонізація або в'язкість, які залежать від щільності числа молекул.

Стовп рідини

Один з ранніх методів вимірювання вакууму, і все ще один з найточніших сьогодні, полягає в тому, що стовп рідини здатний витісняти рідину з труби.

Манометр, показаний малюнку, є, сутнісно, ​​заповнену рідиною U-образную трубку, де вертикальне поділ поверхонь рідини дає вимір різниці тисків. На рівні нульової точки d; тиск L забезпечується рідиною над нею плюс тиск p 2 у верхній частині трубки. У рівновазі колонка підтримується висхідним тиском p 1 яке передається через рідину з іншої кінцівки.

Тиск p 1 на нижній поверхні рідини визначається як:

Де h - вертикальна висота стовпця рідини вище за рівень нульової точки, Щільність рідини, g - локальне значення прискорення сили тяжіння. Якщо верхня труба з'єднана з атмосферою (р2 = атмосферний тиск), то р1 є калібрувальним тиском; Якщо верхня труба вакуумована (тобто Р2 = нуль), то р1 є абсолютним тиском і прилад стає барометром.

Ртуть, вода та олія використовуються в різних конструкціях манометра, хоча для барометричних цілей завжди використовується ртуть; Його щільність більш ніж у 13 разів перевищує щільність води або олії, і тому потрібна набагато коротша колона. Близько 0,75 м-коду при вимірюванні атмосферного тиску. Щільність ртуті також значно стабільніша, ніж щільність інших рідин.

Вимірювання вакууму шляхом деформації пружного елемента.

Коли тиск прикладено до деформуючого елемента, він рухатиметься. Для створення датчика тиску переміщення має бути досить маленьким, щоб залишатися в межі пружності матеріалу, але досить великим, щоб бути виявленим з достатньою роздільною здатністю. Тому при нижчому тиску використовуються тонкі гнучкі компоненти, а при більш високих тисках більш жорсткі. Існує кілька методів, які використовуються визначення ступеня відхилення. Вони варіюються від механічного посилення, роблячи видиме відхилення покажчика до електронних методів виявлення.

Наведені нижче інструменти включають не всі типи, а ті, які зазвичай широко використовуються в промисловості.

Діафрагми

Мембрана, прикріплена до жорсткої основи, піддаватиметься впливу сили, якщо між кожною стороною існує різниця тиску. Діафрагми простіше робити круглими, але можливі й інші форми. Різниця викликає відхилення діафрагми з максимальним відхиленням у центрі, і це відхилення можна виміряти за допомогою різних механічних та електронних датчиків. Оскільки центр відхиляється, поверхня діафрагми також напружена і може показати, з одного боку, стискаючі напруги навколо зовнішньої кромки і напруги, що розтягують навколо центральної частини діафрагми. Ця конфігурація напруги може бути виявлена ​​за допомогою тензодатчиків, і з цієї інформації можна розрахувати вакуум.

Капсули. По суті, капсули виготовляються з пари діафрагм, з'єднаних за їх зовнішніми краями. В одного буде центральна арматура, якою надходить тиск, а переміщення центру інший діафрагми щодо першого визначається датчиком деякого типу. Зрозуміло, що дію двох діафрагм, що діють послідовно, має подвоїти відхилення.

Сільфони. Немає чіткої різниці між сильфоном і капсулами, але сильфони зазвичай мають кілька секцій, послідовно покладених друг в друга, і, зазвичай, гофри малі проти діаметром. Сильфони можуть бути згорнуті з труби, утворені під тиском або утворені зі зварених елементів.

Трубка Бурдона

Існують різні конструкції, але типовою формою є закрита труба з овальним поперечним перерізом, вигнута вздовж її довжини. Коли трубка знаходиться під тиском, вона прагне випрямитися, і датчик виявляє цей рух. Вони можуть бути сконструйовані для роботи в широкому діапазоні, а також у манометричному, абсолютному та диференційному режимах. Доступні прості "C" - образні, спіральні та спіральні типи. Електронне виявлення руху кінця зазвичай використовується з спіральними кварцовими пристроями.

Вимірювання вакууму шляхом вимірювання теплопровідності

Для вимірювання вакууму можна використовувати передачу енергії гарячого дроту через газ. Тепло переноситься у газі шляхом молекулярних зіткнень із дротом, тобто. теплопровідністю, а швидкість передачі тепла залежить від теплопровідності газу. Таким чином, точність цих пристроїв має сильну залежність від складу газу. В області глибокого вакууму, де є молекулярний потік (число Кнудсена більше 3, де число Кнудсена = довжина вільного пробігу/характерний розмір системи), теплопередача пропорційна вакууму. Коли число молекул збільшується, газ стає щільнішим, і молекули починають стикатися один з одним частіше. У цій так званій перехідній області потоку (або потоку ковзання, 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.

Вакуумметри Пірані

Теплові втрати від проводу (зазвичай від 5 до 20 мкм) можуть бути визначені опосередковано за допомогою бруківки Уітстона, яка нагріває провід і вимірює його опір і, отже, його температуру. Існує два основних типи елементів, що нагріваються. Традиційна і більш поширена конфігурація складається з тонкого металевого дроту, підвішеного у вимірювальній головці. Інша конфігурація - мікрооброблена структура, зазвичай виготовлена ​​з кремнію, покритого тонкою металевою плівкою, як платина. У звичайній конфігурації тонкий металевий дріт підвішений, щонайменше, з одного боку, електрично ізольованої у вимірювальній головці і контакті з газом. Вольфрам, нікель, іридій або платина можуть бути використані для дроту. Провід електрично нагрівається і теплопередача вимірюється електронним способом. Існує три загальні методи роботи: метод постійної температури, міст із постійною напругою та міст із постійним струмом. Всі ці методи опосередковано вимірюють температуру дроту з його опору. Основним недоліком використання датчиків Пірані є їхня сильна залежність від складу газу та їх обмежена точність. Відтворюваність датчиків Пірані, як правило, досить хороша доти, доки не станеться сильне забруднення. Діапазон вимірювання вакууму датчиків Пірані становить приблизно від 10-2 Па до 105 Па, але найкращі характеристики зазвичай отримують між приблизно 0,1 Па і 1000 Па.

Іонізаційні датчики вимірювання вакууму

Коли вакуум у системі нижче приблизно 0,1 Па (10 -3 мбар), прямі методи вимірювання вакууму за допомогою таких засобів, як відхилення діафрагми або вимірювання властивостей газу, таких як теплопровідність, вже не можуть бути легко застосовні, Тому необхідно вдатися до методів , які переважно підраховують кількість присутніх молекул газу, тобто вимірює щільність, а не вакуум. З кінетичної теорії газів для даного газу з відомою температурою Т тиск р безпосередньо пов'язаний із щільністю числа n через рівняння (у межі ідеального газу):

Де з – постійна. Одним з найбільш зручних методів вимірювання густини числа є використання деякої методики іонізації молекул газу та подальшого збору іонів. У більшості практичних вакуумних датчиків для здійснення іонізації використовуються електрони з помірною енергією (50 еВ до 150 еВ). Результуючий іонний струм безпосередньо пов'язаний з вакуумом і, таким чином, може бути калібрування. Останнє твердження правильне лише щодо кінцевого діапазону тиску, який визначить робочий діапазон приладу. Верхня межа тиску буде досягнута, коли щільність газу буде досить великою, що при створенні іона має значну ймовірність взаємодії з молекулами нейтрального газу або вільними електронами в газі, так що іон сам нейтралізується і не може досягти колектора для практичних цілей у типових лабораторних системах або Промислові установки це можна прийняти за 0,1 Па (10 -3 мбар).

Нижню межу вакууму манометра буде досягнуто, коли електричний струм витоку у вимірювальній головці або вимірювальній електроніці стане порівнянним з вимірюваним іонним струмом або коли інший фізичний ефект (наприклад, вплив сторонніх рентгенівських променів) викликає появу струмів цього величина. Більшість датчиків, описаних у Посібнику, ці межі лежать нижче 10 -6 Па (10 -8 мбар).

Основним калібрувальним рівнянням для іонізаційного калібрування є:

Ic - іонний струм K - постійна, що містить ймовірність іонізації молекули газу будь-якими засобами та ймовірність збору результуючого іона n - щільність числа молекул газу Ie - струм іонізуючого електрона.

Імовірність іонізації молекули газу залежатиме від багатьох факторів, і тому іонізаційний датчик матиме різні значення чутливості для різних видів газу. Більшість практичних вакуумних датчиків використовують електронну дію для іонізації молекул газу, і це може бути досягнуто просто «киплячими» електронами від нитки розжареного дроту і притягує їх до якогось електронного колектора. Потім іони притягуються до колектора. На жаль, ймовірність іонізації молекули газу електроном настільки мала за один прохід у калібруванні нормальних розмірів, що необхідно збільшити довжину пробігу електронів і тим самим збільшити ймовірність того, що один електрон створює іон.

Широко використовуються два методи. У калібрувальному іонізаційному датчику гарячого катода електрони, отримані в гарячій нитці розжарювання, притягуються до сітки, виготовленої з дуже тонкого дроту та при позитивному електричному потенціалі. Оскільки сітка відкрита, є дуже велика ймовірність, що електрон пройде через сітку і не вдарить провід. Якщо сітка оточена екраном з негативним електричним потенціалом, електрон буде відображений цим екраном і притягуватиметься назад до сітки. Цей процес може відбуватися багато разів, перш ніж електрон остаточно потрапляє у сітку. В результаті дуже довгі траєкторії електронів можуть бути досягнуті у невеликому обсязі. На противагу цьому, іони притягуються безпосередньо в колектор.

Іонізаційна лампа з холодним катодом обходиться без гарячої нитки та використовує комбінацію електричних та магнітних полів. Будь-який електрон обертатиметься навколо магнітних силових ліній до того, як він, зрештою, буде зібраний на позитивно зарядженому аноді. Фактично, довжина шляху буде такою великою, а ймовірність іонізації настільки велика, що після запуску буде створено газовий розряд, що самопідтримується, за умови, що іони будуть швидко витіснятися з області розряду іонним колектором.

Вибір пристрою для вимірювання вакууму

Перш ніж вибрати прилад для вимірювання вакууму та визначити відповідного постачальника, важливо встановити критерії відбору. Вони включатимуть безліч факторів, і цей розділ покликаний допомогти потенційному користувачеві зробити вибір.

Глибина вимірювання вакууму

Характеристики середовища

Зовнішнє середовище

Фізичні характеристики приладу

Тип використання

Безпека

Встановлення та обслуговування

Перетворення сигналу

Наприкінці травня минулого року багато популярних газет рясніли заголовками: «Вчені отримали енергію з вакууму!». Власники вакуумних насосів радісно потирали руки та в мріях уже бачили себе новими олігархами. Однак дарової енергії з вакууму на ринку поки що не з'явилося.

У 1948 році голландські фізики-теоретики Хендрік Казімір і Дірк Полдер у пошуках пояснення властивостей колоїдних плівок розглянули взаємодію молекул, що поляризують одна одну електромагнітними силами. Виявилося, що сила тяжіння поляризованої молекули до металевої пластинки обернено пропорційна четвертого ступеня відстані між ними.

Але це справа не закінчилася. Казимир обговорював свої висновки з Нільсом Бором, і той помітив, що тяжіння можна пояснити зовсім інакше. Тоді було доведено, що віртуальні частки фізичного вакууму впливають на енергетичні рівні внутрішньоатомних електронів (лембівський зсув). На думку Бора, обчислений Казимиром ефект міг мати таку саму природу. Казимир зробив відповідні розрахунки і отримав ту саму формулу.

Ефект Казимира

У тому ж році Казимир запропонував простий та наочний приклад силового впливу вакууму. Уявімо дві плоскі провідні пластини, розташовані паралельно. Щільність віртуальних фотонів між ними буде меншою, ніж зовні, оскільки там зможуть збуджуватися лише електромагнітні хвилі, що стоять, суворо певних резонансних частот. В результаті в просторі між пластинами тиск фотонного газу виявиться меншим від тиску ззовні, через що вони будуть притягуватися один до одного, причому знову-таки з силою, назад пропорційного четвертого ступеня ширини щілини (при зближенні пластин набір допустимих частот стоячих хвиль скорочується, так що відмінність щільності "внутрішніх" і "зовнішніх" фотонів зростає). Реально таке тяжіння стає помітним з відривом кількох мікрометрів. Це і отримало назву ефекту Казимира.

З сучасного погляду
саме вакуумні флуктуації породжують силові взаємодії між молекулами. Тому вони виявляють себе при зближенні тіл різної форми (не обов'язково плоских), виготовлених із металів або діелектриків. Першими це півстоліття тому з'ясували співробітники теоротділу Інституту фізичних проблем Євген Ліфшиць, Ігор Дзялошинський та Лев Пітаєвський. Вони ж показали, що за певних умов зміну казимірівському тяжінню приходить відштовхування. Достовірне експериментальне підтвердження існування такого тяжіння було отримано 1997 року Стівом Ламоро, Умаром Мохідіном та Анушрі Роєм. Казімірівські сили відштовхування вперше експериментально виміряла у 2009 році група під керівництвом Джеремі Мандея.

Дзеркала, що рухаються

У 1970 році фізик з американського Університету Брандейса Джеральд Мур опублікував статтю, де теоретично розглянув поведінку вакууму в порожнині, обмеженій двома плоскопаралельними дзеркалами, що зближуються або розходяться. Він показав, що такі дзеркала можуть посилити вакуумні флуктуації і змусити їх породити реальні фотони. Однак, згідно з розрахунками Мура, для генерації фотонів у помітних кількостях дзеркала повинні мати релятивістську швидкість. Наприкінці 1980-х проблема «розгойдування» вакуумних флуктуацій зацікавила багатьох учених. Її теоретичний аналіз показав, що вакуум здатний народжувати реальні фотони не тільки біля матеріальних тіл, що мають субсвітлову швидкість, а й поблизу матеріалів, що швидко змінюють свої електричні або магнітні властивості. Таке перетворення віртуальних вакуумних флуктуацій на реальні кванти назвали динамічним, чи нестаціонарним, ефектом Казимира.

Віртуальне дзеркало, реальні фотони

Звичайний ефект Казимира полягає у тяжінні двох плоских паралельних пластин за рахунок «селекції» резонансних стоячих хвиль між ними. Динамічний ефект передбачає "розвіртуалізацію" фотонів при швидкому (релятивістському) русі дзеркал. Зрозуміло, що чисто механічним способом повторити таку схему неможливо, тому група з Університету Чалмерса в Гетеборзі використовувала «віртуальні» дзеркала – за допомогою коливань магнітного поля вони змінювали довжину хвилеводу, що аналогічно до руху його кордону з релятивістськими швидкостями.

Донедавна ці дослідження обмежувалися чистою теорією. Пряме відтворення схеми Мура, зрозуміло, не під силу сучасним технологіям, які не вміють розганяти дзеркала з матеріалів до субсвітлових швидкостей. У науковій літературі неодноразово обговорювалися практичніші пристрої для спостереження динамічного ефекту Казимира – наприклад, п'єзоелектричні вібратори та високочастотні електромагнітні резонатори. В останні роки фізики, які працюють у цій галузі, утвердилися на думці, що ці експерименти цілком здійсненні.

Перевірка на практиці

Першими успіху досягли Крістофер Вілсон і його колеги з Технологічного університету Чалмерса в шведському місті Гетеборг разом з колегами з Австралії та Японії. «Оречевлення» віртуальних фотонів відбувалося біля хвилеводу з алюмінію, підключеного до надпровідного квантового інтерферометра (два джозефсонівські тунельні переходи, паралельно з'єднані в замкнутий контур). Експериментатори змінювали індуктивність цього контуру, пропускаючи через нього магнітний потік, що осцилює з частотою близько 11 ГГц. Коливання індуктивності позначалися на електричній довжині хвилеводу, яка осцилювала з цілком релятивістською швидкістю (близько чверті швидкості поширення електромагнітних хвиль у хвилеводі, що приблизно дорівнювала 40% швидкості світла у вакуумі). Хвиляр, як і очікувалося, випромінював фотони, витягнуті з вакуумних флуктуацій. Спектр цього випромінювання відповідав теоретичним прогнозам.

Однак використовувати цю установку для отримання енергії з вакууму неможливо: енергія отриманого випромінювання набагато слабкіше потужності, яку доводиться закачувати в прилад. Це справедливо й інших пристроїв, якими можна скористатися спостереження динамічного ефекту Казимира. Загалом вакуум - це зовсім не нафтоносний шар.