Thuật ngữ " máy hút bụi", như một hiện tượng vật lý, là một môi trường trong đó áp suất khí thấp hơn áp suất khí quyển.

Áp suất tuyệt đối đóng vai trò là một đặc tính định lượng của chân không. Đơn vị đo áp suất chính trong Hệ thống quốc tế (SI) là Pascal (1 Pa = 1N/m2). Tuy nhiên, trên thực tế cũng có những đơn vị đo khác như milibar (1 mbar = 100 Pa) và Torres hay milimet thủy ngân (1 mmHg = 133,322 Pa). Các đơn vị này không phải là đơn vị SI nhưng được chấp nhận để đo huyết áp.

Mức độ chân không

Tùy thuộc vào mức độ áp suất dưới áp suất khí quyển (101325 Pa), có thể quan sát được nhiều hiện tượng khác nhau, do đó có thể sử dụng các phương tiện khác nhau để thu được và đo áp suất đó. Ngày nay, có một số cấp độ chân không, mỗi cấp độ có chỉ định riêng phù hợp với các khoảng áp suất dưới khí quyển:

• Độ chân không thấp (LV): từ 10 5 đến 10 2 Pa,
• Độ chân không trung bình (SV): từ 10 2 đến 10 -1 Pa,
• Độ chân không cao (HV): từ 10 -1 đến 10 -5 Pa,
• Độ chân không siêu cao (UHV): từ 10 -5 đến 10 -9 Pa,
• Độ chân không cực cao (EHV):

Các mức chân không này được chia thành ba nhóm sản xuất tùy thuộc vào khu vực ứng dụng.

- Độ chân không thấp: Chủ yếu được sử dụng khi cần bơm một lượng lớn không khí. Để đạt được độ chân không thấp, người ta sử dụng máy bơm cơ điện kiểu cánh gạt, máy bơm ly tâm, máy bơm kênh bên, máy tạo dòng chảy, v.v.

Ví dụ, độ chân không thấp được sử dụng trong các nhà máy in lụa.

- Máy hút bụi công nghiệp: Thuật ngữ “chân không công nghiệp” tương ứng với mức chân không từ -20 đến -99 kPa. Phạm vi này được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng. Chân không công nghiệp thu được bằng cách sử dụng bơm quay, vòng chất lỏng, bơm piston và máy tạo chân không cánh gạt theo nguyên lý Venturi. Các ứng dụng chân không công nghiệp bao gồm kẹp cốc hút, ép nóng, kẹp chân không, đóng gói chân không, v.v.

- Chân không kỹ thuật: tương ứng với mức chân không từ -99 kPa. Mức chân không này đạt được bằng cách sử dụng bơm quay hai giai đoạn, bơm quay lệch tâm, bơm chân không Roots, bơm turbo phân tử, bơm khuếch tán, bơm đông lạnh, v.v.

Mức chân không này được sử dụng chủ yếu trong quá trình đông khô, luyện kim và xử lý nhiệt. Trong khoa học, chân không kỹ thuật được sử dụng như một mô phỏng của không gian bên ngoài.

Giá trị cao nhất của chân không trên trái đất nhỏ hơn đáng kể so với giá trị chân không tuyệt đối, giá trị này vẫn chỉ là giá trị lý thuyết thuần túy. Trên thực tế, ngay cả trong không gian, mặc dù không có bầu khí quyển nhưng vẫn có một số lượng nhỏ nguyên tử.

Động lực chính cho sự phát triển của công nghệ chân không đến từ nghiên cứu trong lĩnh vực công nghiệp. Hiện tại có một số lượng lớn các ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Chân không được sử dụng trong ống tia điện, đèn sợi đốt, máy gia tốc hạt, luyện kim, thực phẩm và hàng không vũ trụ, điều khiển phản ứng tổng hợp hạt nhân, vi điện tử, thủy tinh và gốm sứ, khoa học, robot công nghiệp, hệ thống kẹp cốc hút, v.v.

Ví dụ về ứng dụng chân không trong công nghiệp

Hệ thống kẹp chân không đa năng "OCTOPUS"

Cốc hút chân không - thông tin chung

Cốc hút chân không là một công cụ không thể thiếu để kẹp, nâng và di chuyển các vật thể, tấm trải và các vật thể khác khó di chuyển bằng các hệ thống thông thường do tính dễ vỡ hoặc có nguy cơ biến dạng của chúng.

Khi được sử dụng đúng cách, cốc hút sẽ mang lại khả năng vận hành thuận tiện, tiết kiệm và an toàn, đây là nguyên tắc cơ bản để thực hiện lý tưởng các dự án tự động hóa trong sản xuất.

Nghiên cứu lâu dài và chú ý đến yêu cầu của khách hàng đã cho phép chúng tôi sản xuất những chiếc cốc hút có thể chịu được nhiệt độ cao và thấp, mài mòn, phóng tĩnh điện, môi trường khắc nghiệt và cũng không để lại vết bẩn trên bề mặt của vật thể mang theo. Ngoài ra, cốc hút còn tuân thủ tiêu chuẩn an toàn EEC và tiêu chuẩn thực phẩm FDA, BGA, TSCA.

Tất cả các cốc hút đều được làm từ các bộ phận hình thành chân không chất lượng cao và được xử lý bằng chất chống ăn mòn để có tuổi thọ lâu dài. Bất kể cấu hình nào, tất cả các ống hút đều có dấu hiệu riêng.

Hệ thống bắt bạch tuộc

Rất thường xuyên có những người đến với chúng tôi để mua máy bơm chân không nhưng lại không biết máy hút bụi là gì.
Chúng ta hãy cố gắng tìm ra nó là gì.

Theo định nghĩa, chân không là một không gian không có vật chất (từ tiếng Latin “chân không” - trống rỗng).
Có nhiều định nghĩa về chân không: chân không kỹ thuật, chân không vật lý, chân không vũ trụ, v.v..
Chúng ta sẽ xem xét chân không kỹ thuật, được định nghĩa là một loại khí có độ hiếm cao.

Chúng ta hãy xem một ví dụ về chân không là gì và cách đo nó.
Trên hành tinh của chúng ta có áp suất khí quyển được coi là một (một bầu khí quyển). Nó thay đổi tùy thuộc vào thời tiết, độ cao và mực nước biển, nhưng chúng tôi sẽ không tính đến điều này, vì điều này sẽ không ảnh hưởng đến sự hiểu biết về khái niệm chân không.
Vì vậy, chúng ta có áp suất trên bề mặt trái đất bằng 1 bầu khí quyển. Mọi thứ dưới 1 atm (trong bình kín) được gọi là chân không kỹ thuật.

Chúng ta hãy lấy một cái bình và đóng nó lại bằng nắp đậy kín. Áp suất trong bình sẽ là 1 atm. Nếu chúng ta bắt đầu bơm không khí ra khỏi bình, một chân không sẽ xuất hiện trong đó, gọi là chân không.
Hãy xem một ví dụ: có 10 vòng tròn ở bình bên trái. Hãy để nó là 1 bầu không khí.
"Bơm ra" một nửa - chúng ta nhận được 0,5 atm, để lại một - chúng ta nhận được 0,1 atm.

Vì chỉ có một bầu khí quyển trong bình nên độ chân không tối đa mà chúng ta có thể đạt được (về mặt lý thuyết) là bằng không khí quyển.
"Về mặt lý thuyết" - bởi vì Hầu như không thể bắt được tất cả các phân tử không khí từ tàu.
Do đó, trong bất kỳ bình nào mà không khí (khí) đã được bơm ra ngoài, luôn luôn còn lại một lượng tối thiểu. Đây được gọi là “áp suất dư”, tức là áp suất còn lại trong bình sau khi bơm khí ra khỏi bình.
Có những máy bơm đặc biệt có thể đạt tới độ chân không sâu lên tới 0,00001 Pa, nhưng vẫn không bằng 0.
Trong cuộc sống bình thường, hiếm khi cần đến chân không sâu hơn 0,5 - 10 Pa (0,00005-0,0001 atm).

Có một số tùy chọn để đo chân không, tùy thuộc vào việc lựa chọn điểm tham chiếu:
1. Đơn vị được lấy là áp suất khí quyển. Mọi thứ bên dưới đều là chân không.
Nghĩa là, thang đo chân không là từ 1 đến 0 atm (1…0.9…0.8…0.7…..0.2…0.1….0).
2. Áp suất khí quyển được lấy bằng không. Nghĩa là chân không - tất cả các số âm đều nhỏ hơn 0 và lớn hơn -1.
Tức là thang đo chân không có thang đo từ 0 đến -1 (0, -0,1...-0,2...,-0,9,...-1).
Ngoài ra, thang đo có thể tính bằng kPa, mBar, nhưng tất cả đều tương tự như thang đo trong khí quyển.

Hình ảnh cho thấy các máy đo chân không có thang đo khác nhau cho thấy cùng một độ chân không:

Từ tất cả những điều đã nói ở trên, rõ ràng độ lớn của chân không không thể lớn hơn áp suất khí quyển.

Hầu như ngày nào mọi người cũng liên hệ với chúng tôi nếu muốn có được máy hút chân không -2, -3 atm, v.v.
Và họ rất ngạc nhiên khi biết rằng điều này là không thể (nhân tiện, mỗi giây trong số họ đều nói rằng “bản thân bạn không biết gì cả”, “nhưng với hàng xóm của bạn thì như vậy”, v.v.)

Trên thực tế, tất cả những người này đều muốn đúc các bộ phận trong điều kiện chân không, nhưng do đó áp suất lên bộ phận đó lớn hơn 1 kg/cm2 (1 atm).
Điều này có thể đạt được bằng cách bọc sản phẩm bằng một lớp màng, bơm không khí ra ngoài (trong trường hợp này, tùy thuộc vào chân không được tạo ra, áp suất tối đa sẽ là 1 kg/cm2 (1 atm=1 kg/cm2)), và sau đó đặt tất cả vào nồi hấp để tạo ra áp suất dư thừa. Nghĩa là, để tạo ra áp suất 2 kg/cm2 thì chỉ cần tạo ra áp suất dư 1 atm trong nồi hấp là đủ.

Bây giờ là vài lời về số lượng khách hàng đo chân không tại triển lãm Ampika Pumps LLC tại văn phòng của chúng tôi:
Bật máy bơm, đặt ngón tay (lòng bàn tay) lên lỗ hút của bơm chân không và rút ra ngay kết luận về độ lớn của chân không.

Thông thường, mọi người đều thích so sánh máy bơm chân không 2NVR-5DM của Liên Xô và loại tương tự VE-2100 mà chúng tôi cung cấp.
Sau khi kiểm tra như vậy, họ luôn nói điều tương tự - độ chân không của 2NVR-5DM cao hơn (mặc dù trên thực tế, cả hai máy bơm đều tạo ra các thông số chân không giống nhau).

Lý do cho phản ứng này là gì? Và như mọi khi - thiếu kiến ​​thức về các định luật vật lý và áp suất nói chung là gì.

Một chút kiến ​​thức cơ bản: áp lực “P” là lực tác dụng lên một diện tích bề mặt nhất định, có hướng vuông góc với bề mặt này (tỷ lệ giữa lực “F” và diện tích bề mặt “S”), tức là P = F/ S.
Nói một cách đơn giản, nó là một lực phân bố trên một diện tích bề mặt.
Từ công thức này có thể thấy rằng diện tích bề mặt càng lớn thì áp suất sẽ càng thấp. Và lực cần thiết để nhấc bàn tay hoặc ngón tay lên khỏi đầu vào máy bơm cũng tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt (F=P*S).
Đường kính lỗ hút của bơm chân không 2NVR-5DM là 25 mm (diện tích bề mặt 78,5 mm2).
Đường kính lỗ hút của bơm chân không VE-2100 là 6 mm (diện tích bề mặt 18,8 mm2).
Nghĩa là, để nhấc một bàn tay lên khỏi lỗ có đường kính 25 mm thì cần một lực lớn gấp 4,2 lần so với lực có đường kính 6 mm (ở cùng một áp suất).
Đây là lý do tại sao khi đo chân không bằng ngón tay lại xảy ra nghịch lý như vậy.
Áp suất "P", trong trường hợp này, được tính bằng chênh lệch giữa áp suất khí quyển và áp suất dư trong bình (nghĩa là chân không trong máy bơm).

Làm thế nào để tính lực ép một bộ phận lên bề mặt?
Rất đơn giản. Bạn có thể sử dụng công thức nêu trên, nhưng hãy thử giải thích nó đơn giản hơn.
Ví dụ: giả sử bạn cần tìm hiểu lực ép lên một bộ phận có kích thước 10 x 10 cm khi chân không được tạo ra bên dưới nó bằng máy bơm VVN 1-0,75.

Chúng tôi lấy áp suất dư mà máy bơm chân không dòng BBH này tạo ra.
Cụ thể đối với máy bơm vòng nước VVN 1-0,75 này là 0,4 atm.
1 atm bằng 1 kg/cm2.
Diện tích bề mặt của bộ phận là 100 cm2 (10 cm x 10 cm).
Tức là nếu bạn tạo ra một chân không tối đa (tức là áp suất lên bộ phận sẽ là 1 atm) thì bộ phận đó sẽ bị ép với một lực 100 kg.
Vì chúng ta có chân không 0,4 atm nên áp suất sẽ là 0,4x100 = 40 kg.
Nhưng đây là về mặt lý thuyết, trong điều kiện lý tưởng, nếu không có rò rỉ không khí, v.v.
Trên thực tế, bạn cần tính đến điều này và áp suất sẽ giảm 20...40% tùy thuộc vào loại bề mặt, tốc độ bơm, v.v.

Bây giờ là một vài lời về máy đo chân không cơ học.
Các thiết bị này cho biết áp suất dư trong khoảng 0,05...1 atm.
Nghĩa là, nó sẽ không hiển thị chân không sâu hơn (nó sẽ luôn hiển thị “0”). Ví dụ, trong bất kỳ máy bơm chân không cánh quạt quay nào, khi đạt được độ chân không tối đa, máy đo chân không cơ học sẽ luôn ghi “0”. Nếu cần hiển thị trực quan các giá trị áp suất dư thì bạn cần lắp đặt máy đo chân không điện tử, ví dụ VG-64.

Thông thường, khách hàng đến với chúng tôi để đúc các bộ phận trong chân không (ví dụ: các bộ phận làm bằng vật liệu composite: sợi carbon, sợi thủy tinh, v.v.), điều này là cần thiết để trong quá trình đúc, khí thoát ra khỏi chất kết dính (nhựa) và do đó cải thiện các đặc tính của sản phẩm. thành phẩm, cũng như bộ phận được ép vào khuôn bằng một lớp màng, từ đó không khí được bơm ra ngoài.
Câu hỏi đặt ra: nên sử dụng máy bơm chân không nào - một cấp hay hai cấp?
Họ thường nghĩ rằng vì chân không của hai giai đoạn cao hơn nên các bộ phận sẽ tốt hơn.

Độ chân không của máy bơm một cấp là 20 Pa, đối với máy bơm hai cấp là 2 Pa. Có vẻ như vì chênh lệch áp suất là 10 lần nên bộ phận đó sẽ bị ép mạnh hơn rất nhiều.
Nhưng điều này có thực sự như vậy?

1 atm = 100000 Pa = 1 kg/cm2.
Điều này có nghĩa là chênh lệch áp suất màng ở chân không 20 Pa và 2 Pa sẽ là 0,00018 kg/cm2 (nếu không lười quá, bạn có thể tự tính toán).

Nghĩa là, trên thực tế, sẽ không có sự khác biệt, bởi vì... lực kẹp tăng thêm 0,18 g sẽ không làm thay đổi thời tiết.

Làm thế nào để tính toán cần bao lâu để bơm chân không bơm ra khỏi buồng chân không?
Không giống như chất lỏng, chất khí chiếm toàn bộ thể tích sẵn có và nếu bơm chân không đã bơm ra một nửa lượng không khí trong buồng chân không thì phần không khí còn lại sẽ giãn nở trở lại và chiếm toàn bộ thể tích.
Dưới đây là công thức để tính tham số này.

t = (V/S)*ln(p1/p2)*F, Ở đâu

t là thời gian (tính bằng giờ) cần thiết để bơm thể tích chân không từ áp suất p1 đến áp suất p2
V - thể tích bể bơm, m3
S - tốc độ vận hành của bơm chân không, m3/giờ
p1 - ​​​​áp suất ban đầu trong bình bơm ra, mbar
p2 - áp suất cuối cùng trong bình bơm ra, mbar
ln - logarit tự nhiên

F - hệ số hiệu chỉnh, phụ thuộc vào áp suất cuối cùng trong bể p2:
- p2 từ 1000 đến 250 mbar F=1
- p2 từ 250 đến 100 mbar F=1,5
- p2 từ 100 đến 50 mbar F=1,75
- p2 từ 50 đến 20 mbar F=2
- p2 từ 20 đến 5 mbar F=2,5
- p2 từ 5 đến 1 mbar F=3

Tóm lại thì thế thôi.
Chúng tôi hy vọng rằng thông tin này sẽ giúp ai đó lựa chọn đúng thiết bị chân không và thể hiện kiến ​​​​thức của mình qua ly bia...

Người ta thường chấp nhận rằng chân không là một không gian trong đó thực tế không có gì bên trong. Để có được chân không trong bất kỳ vật chứa nào, bạn cần sử dụng một phương pháp đơn giản: bơm không khí ra ngoài. Để làm điều này, máy bơm thông thường được sử dụng để bơm không khí ra khỏi thùng chứa, từ đó tạo ra chân không, được sử dụng rộng rãi cho nhiều mục đích khác nhau, cả trong khoa học và công nghiệp (hóa chất, thực phẩm, điện tử, thẩm mỹ và nhiều mục đích khác). Ví dụ, khi sản xuất bóng đèn thông thường, cần tạo chân không bên trong (bơm không khí ra ngoài) để oxy không làm dây tóc bị cháy ngay. Hoặc lấy ví dụ một chiếc phích nước đơn giản. Ở đó cũng có một khoảng chân không nằm giữa hai bức tường. Vì vậy, bất kỳ đồ uống nóng nào đổ vào phích sẽ vẫn nóng ngay cả trong ngày băng giá nhất, và đồ uống lạnh sẽ vẫn lạnh ngay cả khi nắng nóng gay gắt nhất.

Ngay cả trong y học, khi chẩn đoán bệnh và điều trị người ta cũng sử dụng các thiết bị có thiết bị chân không.

Mỗi năm ngày càng có nhiều ứng dụng mới cho chân không. Trong cuộc sống hàng ngày, nhiều loại bao bì chân không khác nhau được sử dụng rộng rãi, trong đó mọi thứ đều được giấu kín, bao gồm thực phẩm, quần áo và những đồ chơi trẻ em thông thường nhất. Nhưng chủ yếu, chân không được sử dụng để bảo quản thực phẩm. Suy cho cùng, nguyên nhân khiến thực phẩm nhanh hỏng là do tiếp xúc với oxy. Oxy là môi trường lý tưởng để vi khuẩn sinh sôi, kết quả là thực phẩm bị hư hỏng, nấm mốc xuất hiện trên đó và bắt đầu thối rữa. Trước đây, để giữ thực phẩm tươi ngon, người ta cho vào tủ lạnh nhưng ở đó cũng có oxy. Và chỉ đến thế kỷ 20, một trợ lý mới mới xuất hiện - máy hút bụi. Mọi thứ đều rất dễ dàng và đơn giản: các sản phẩm được đặt trong các thùng chứa đặc biệt và không khí dư thừa được bơm ra ngoài bằng máy bơm. Và các sản phẩm (rau xanh, thịt, cá, quả mọng) vẫn tươi lâu trong bao bì chân không. Sau đó, chúng có thể được đặt trong tủ lạnh để bảo quản lâu hơn. Máy hút chân không thần kỳ cách ly hoàn toàn sản phẩm khỏi sự xâm hại của môi trường, liên tục kéo dài thời hạn sử dụng mà không làm mất đi hương vị!

Ngày nay, chúng đã được sử dụng rộng rãi để đậy bất kỳ hộp đựng thực phẩm nào. Những nắp chân không như vậy phù hợp với mọi món ăn, được làm bằng bất kỳ chất liệu nào, miễn là các cạnh đều và nhẵn. Bằng cách sử dụng nắp chân không, bạn sẽ vĩnh viễn loại bỏ nhu cầu sử dụng nhiều hộp đựng. Vỏ chân không được làm bằng vật liệu bền, không bị biến dạng do thay đổi nhiệt độ đột ngột. Và do đó, sau khi lấy đĩa ra khỏi tủ lạnh, bạn có thể yên tâm cho vào lò vi sóng mà không cần tháo nắp. Lớp màng siêu bền có thể chịu được nhiệt độ cao và rất khó bị rách hay thủng. Những chiếc nắp này sẽ tồn tại trong một thời gian rất dài và bạn sẽ sử dụng chúng nhiều lần.

Áp suất được đo trên thang đo sử dụng số 0 làm điểm tham chiếu được gọi là áp suất tuyệt đối. Áp suất khí quyển trên bề mặt Trái đất thay đổi nhưng xấp xỉ 10 5 Pa (1000 mbar). Đây là áp suất tuyệt đối vì nó được biểu thị bằng số không.

Một cảm biến được thiết kế để đo áp suất biểu thị liên quan đến áp suất khí quyển và do đó chỉ báo số 0 khi cổng đo của nó chứa các phân tử ở áp suất khí quyển. Các phép đo được thực hiện bởi cảm biến như vậy được gọi là phép đo áp suất tương đối. Do đó, chênh lệch giữa giá trị áp suất tuyệt đối và giá trị áp suất vượt quá là giá trị khí quyển thay đổi:

Tuyệt đối = dư thừa + khí quyển.

Để tránh những sai lầm nghiêm trọng, điều quan trọng là phải biết chế độ đo chân không nào được sử dụng: tuyệt đối hay tương đối. Lưu ý rằng đường tham chiếu cho các phép đo chế độ hiệu chuẩn không thẳng, minh họa sự biến đổi của áp suất khí quyển.

Đơn vị chân không và áp suất

Đơn vị lịch sử

Thật không may, có nhiều loại thiết bị đo chân không và áp suất, điều này tạo ra những thách thức đáng kể cho cả người mới bắt đầu và kỹ thuật viên giàu kinh nghiệm. May mắn thay, cuộc sống trở nên dễ dàng hơn khi các đơn vị lỗi thời và được xác định kém đang dần thay thế cho đơn vị đo SI.

Nhiều đơn vị cũ có nguồn gốc lịch sử và thực tiễn rõ ràng; Ví dụ, inch nước là đơn vị được sử dụng khi áp suất được đo bằng cột nước có bề mặt trên cùng có thể nhìn thấy được trên thang đo inch. Ban đầu, độ chính xác của phép đo chân không cần thiết cho các hệ thống như vậy tương ứng với các phương pháp đo chân không khá thô sơ và không ai quan tâm đến nước nóng hay lạnh. Khi nhu cầu công nghệ tăng lên, nhu cầu về các phép đo nhất quán hơn cũng nảy sinh. Các mô hình toán học của dụng cụ đo đã được cải thiện đáng kể. Ví dụ, trong một thiết kế truyền thống để đo chân không của phong vũ biểu thủy ngân, sự phân hủy vi sai được áp dụng giữa thủy ngân trong cột, thủy tinh làm cột, đồng thau làm cân và bình chứa bằng thép. Tuy nhiên, ngay cả với các định nghĩa tinh tế và toán học liên quan, nhiều đơn vị truyền thống không thể được sử dụng trong công nghệ hiện đại.

Đơn vị SI

Đơn vị đo SI là pascal, viết tắt Pa, tên được đặt cho áp suất một newton trên mét vuông (N/m2). Trong khi một mét vuông thì dễ hình dung, thì một newton thì khó hình dung hơn, nhưng nó gần bằng lực hướng xuống tác dụng lên bàn tay khi cầm một quả táo nhỏ (nếu người cầm đứng trên bề mặt trái đất!) Như mọi ngày cuộc sống, một pascal đại diện cho một đại lượng rất nhỏ, trong khi áp suất khí quyển xấp xỉ 100.000 Pa. Ở đáy chảo chứa đầy nước, áp suất do độ sâu của nước sẽ lớn hơn áp suất ở mặt nước khoảng 1000 Pa. Để tránh sử dụng những con số khó sử dụng, bội số của 103 và 0,001 được gán tiền tố, do đó, ví dụ, 100.000 Pa (105 Pa) có thể được viết là 100 kPa hoặc 0,1 MPa.

Đơn vị chân không và chuyển đổi

Mối quan hệ giữa pascal và một số đơn vị khác được thể hiện trong bảng, nhưng lưu ý rằng không phải tất cả đều được hoặc có thể được biểu thị một cách chính xác. Các chữ số La Mã chỉ số trên trong bảng đề cập đến các ghi chú theo sau nó.

Phương pháp đo chân không

Các quy định chung

Dụng cụ đo chân không sử dụng một số nguyên tắc rất khác nhau. Một số trong số chúng có tính chất cơ bản, ví dụ, đo chiều cao của cột chất lỏng với mật độ đã biết. Một ví dụ như vậy là phong vũ biểu thủy ngân, trong đó áp suất khí quyển có thể được cân bằng bởi một cột thủy ngân. Một phần mở rộng của ý tưởng này để sử dụng ở áp suất cao là việc sử dụng các vật nặng bằng kim loại tác dụng lên một diện tích đã biết để cung cấp lực thay vì trọng lượng cho chất lỏng.

Chân không thường có thể được xác định bằng cách đo biến dạng cơ học của phần tử cảm biến, phần tử này trải qua biến dạng đàn hồi khi chênh lệch áp suất trên các bề mặt của nó thay đổi. Độ lệch cơ học có thể được nhận biết và cảm nhận theo nhiều cách. Một trong những loại phần tử cơ học chuyển động phổ biến nhất là màng ngăn đàn hồi. Một ví dụ khác là ống Bourdon, trong đó áp suất bên trong buộc ống cong phải thẳng lại.

Biến dạng cơ học như vậy có thể được phát hiện bằng nhiều cách: bằng một loạt cánh tay cơ khí để hiển thị trực tiếp biến dạng, bằng cách đo điện trở trong máy đo biến dạng, bằng cách đo điện dung, bằng cách thay đổi tần số của phần tử cộng hưởng khi bị kéo căng hoặc bị nén, v.v.

Khi chân không sâu và do đó độ lệch cơ học quá nhỏ để đo chân không, người ta sử dụng các phương pháp gián tiếp để đo các đặc tính vật lý như độ dẫn nhiệt, độ ion hóa hoặc độ nhớt, phụ thuộc vào mật độ số lượng phân tử.

Cột chất lỏng

Một trong những phương pháp đo chân không sớm nhất và vẫn là một trong những phương pháp chính xác nhất hiện nay là cột chất lỏng có thể đẩy chất lỏng ra khỏi đường ống.

Đồng hồ đo áp suất trong hình về cơ bản là một ống chữ U chứa đầy chất lỏng, trong đó các bề mặt chất lỏng được phân tách theo chiều dọc để đo chênh lệch áp suất. Ở mức điểm 0 d; áp suất L được tạo ra bởi chất lỏng phía trên nó, cộng với áp suất p2 ở đỉnh ống. Ở trạng thái cân bằng, cột được duy trì bởi áp suất hướng lên p 1, áp suất này được truyền qua chất lỏng từ chi kia.

Áp suất p1 ở mặt dưới của chất lỏng được xác định như sau:

Trong đó h là chiều cao thẳng đứng của cột chất lỏng trên điểm 0, P là mật độ của chất lỏng, g là giá trị cục bộ của gia tốc trọng trường. Nếu ống trên cùng nối với khí quyển (p2 = áp suất khí quyển), thì p1 là áp suất hiệu chuẩn; Nếu ống trên cùng được hút chân không (tức là P2 = 0), thì P1 là áp suất tuyệt đối và thiết bị trở thành phong vũ biểu.

Thủy ngân, nước và dầu được sử dụng trong nhiều thiết kế đồng hồ đo áp suất khác nhau, mặc dù thủy ngân luôn được sử dụng cho mục đích đo khí áp; Mật độ của nó lớn hơn 13 lần so với nước hoặc dầu và do đó cần cột ngắn hơn nhiều. Khoảng 0,75 m khi đo áp suất khí quyển. Mật độ của thủy ngân cũng ổn định hơn nhiều so với các chất lỏng khác.

Đo chân không bằng biến dạng của phần tử đàn hồi.

Khi có áp lực tác dụng lên phần tử biến dạng, phần tử đó sẽ chuyển động. Để tạo ra cảm biến áp suất, độ dịch chuyển phải đủ nhỏ để duy trì trong giới hạn đàn hồi của vật liệu, nhưng đủ lớn để được phát hiện với độ phân giải đủ. Do đó, ở áp suất thấp hơn, các bộ phận mỏng, dẻo được sử dụng, còn ở áp suất cao hơn, các bộ phận cứng hơn được sử dụng. Có một số phương pháp được sử dụng để xác định mức độ sai lệch. Những phạm vi này từ gia cố cơ học, tạo ra độ lệch con trỏ có thể nhìn thấy, đến các phương pháp phát hiện điện tử.

Các công cụ được liệt kê dưới đây không bao gồm tất cả các loại mà chỉ bao gồm những loại được sử dụng phổ biến trong công nghiệp.

Màng chắn

Một màng được gắn vào một đế cứng sẽ chịu lực nếu có sự chênh lệch áp suất giữa mỗi bên. Việc tạo ra các màng dạng tròn dễ dàng hơn nhưng cũng có thể thực hiện được các hình dạng khác. Sự chênh lệch sẽ khiến màng ngăn bị lệch với độ lệch tối đa ở tâm và độ lệch này có thể được đo bằng nhiều loại cảm biến cơ và điện tử. Khi tâm bị lệch, bề mặt của màng ngăn cũng chịu ứng suất và một mặt có thể biểu hiện ứng suất nén xung quanh mép ngoài và ứng suất kéo xung quanh phần trung tâm của màng ngăn. Cấu hình ứng suất này có thể được phát hiện bằng cách sử dụng máy đo biến dạng và chân không có thể được tính toán từ thông tin này.

Viên nang. Về cơ bản, các viên nang được làm từ một cặp màng chắn được nối ở các cạnh bên ngoài của chúng. Một chiếc sẽ có một khớp nối trung tâm để áp dụng lực vào và chuyển động của tâm của màng ngăn kia so với màng ngăn đầu tiên được xác định bởi một số loại cảm biến. Rõ ràng là tác động của hai màng chắn nối tiếp sẽ làm tăng gấp đôi độ lệch.

Ống thổi. Không có sự phân biệt rõ ràng giữa ống thổi và viên nang, nhưng ống thổi thường có nhiều phần xếp chồng lên nhau và nhìn chung ống thổi có kích thước nhỏ so với đường kính. Ống thổi có thể được cuộn từ một đường ống, được tạo thành dưới áp lực hoặc được tạo thành từ các bộ phận hàn.

Ống Bourdon

Có nhiều kiểu dáng khác nhau, nhưng dạng điển hình là một ống kín có tiết diện hình bầu dục, cong dọc theo chiều dài của nó. Khi ống chịu áp lực, nó có xu hướng thẳng lại và cảm biến sẽ phát hiện chuyển động này. Chúng có thể được thiết kế để hoạt động trên phạm vi rộng, cũng như các chế độ đo, tuyệt đối và vi phân. Có sẵn các loại hình chữ "C", hình xoắn ốc và hình xoắn ốc đơn giản. Phát hiện chuyển động cuối điện tử thường được sử dụng với các thiết bị xoắn ốc thạch anh.

Đo chân không bằng phép đo độ dẫn nhiệt

Để đo chân không, có thể sử dụng sự truyền năng lượng từ dây nóng qua chất khí. Nhiệt được truyền trong chất khí do va chạm phân tử với dây, tức là. độ dẫn nhiệt và tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của khí. Vì vậy, độ chính xác của các thiết bị này phụ thuộc nhiều vào thành phần khí. Trong vùng chân không sâu, nơi có dòng phân tử (số Knudsen lớn hơn 3, trong đó số Knudsen = đường tự do trung bình / kích thước đặc trưng của hệ thống), sự truyền nhiệt tỷ lệ thuận với chân không. Khi số lượng phân tử tăng lên, khí trở nên đậm đặc hơn và các phân tử bắt đầu va chạm với nhau thường xuyên hơn. Trong cái gọi là vùng dòng chảy chuyển tiếp (hoặc dòng chảy trượt, 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.

Máy đo chân không Pirani

Sự mất nhiệt từ dây (thường từ 5 đến 20 µm) có thể được xác định gián tiếp bằng cách sử dụng mạch cầu Wheatstone, làm nóng dây và đo điện trở cũng như nhiệt độ của dây. Có hai loại yếu tố làm nóng chính. Cấu hình truyền thống và phổ biến hơn nhiều bao gồm một dây kim loại mỏng treo trong đầu đo. Một cấu hình khác là cấu trúc vi cơ, thường được làm bằng silicon phủ một màng kim loại mỏng như bạch kim. Trong cấu hình điển hình, một dây kim loại mỏng được treo ít nhất một mặt cách điện trong đầu đo và tiếp xúc với khí. Vonfram, niken, iridium hoặc bạch kim có thể được sử dụng cho dây. Dây được làm nóng bằng điện và sự truyền nhiệt được đo bằng điện tử. Có ba phương pháp vận hành chung: phương pháp nhiệt độ không đổi, cầu điện áp không đổi và cầu dòng không đổi. Tất cả các phương pháp này đều gián tiếp đo nhiệt độ của dây bằng điện trở của nó. Nhược điểm chính của việc sử dụng cảm biến Pirani là sự phụ thuộc nhiều vào thành phần khí và độ chính xác hạn chế. Khả năng lặp lại của cảm biến Pirani nhìn chung là khá tốt miễn là không xảy ra tình trạng nhiễm bẩn nghiêm trọng. Phạm vi đo chân không của cảm biến Pirani là từ khoảng 10-2 Pa đến 105 Pa, nhưng hiệu suất tốt nhất thường đạt được trong khoảng từ 0,1 Pa đến 1000 Pa.

Cảm biến ion hóa để đo chân không

Khi độ chân không trong hệ thống thấp hơn khoảng 0,1 Pa (10 -3 mbar), các phương pháp đo chân không trực tiếp bằng các phương pháp như độ lệch của màng ngăn hoặc đo các đặc tính của khí như độ dẫn nhiệt không còn có thể dễ dàng áp dụng. cần thiết phải sử dụng các phương pháp về cơ bản là đếm số lượng phân tử khí có mặt, tức là chúng đo mật độ thay vì đo chân không. Từ lý thuyết động học của chất khí, đối với một chất khí cho trước có nhiệt độ T đã biết, áp suất p liên quan trực tiếp đến mật độ của số n thông qua phương trình (trong giới hạn của khí lý tưởng):

Trong đó c là một hằng số. Một trong những phương pháp thuận tiện nhất để đo mật độ số là sử dụng một số kỹ thuật ion hóa các phân tử khí và sau đó thu thập các ion. Hầu hết các cảm biến chân không thực tế đều sử dụng các electron có năng lượng vừa phải (50 eV đến 150 eV) để đạt được sự ion hóa. Dòng ion thu được có liên quan trực tiếp đến chân không và do đó có thể thực hiện hiệu chuẩn. Tuyên bố cuối cùng chỉ đúng với phạm vi áp suất hữu hạn, điều này sẽ xác định phạm vi hoạt động của thiết bị. Giới hạn trên của áp suất sẽ đạt được khi mật độ của khí đủ lớn để việc tạo ra ion có khả năng tương tác đáng kể với các phân tử khí trung tính hoặc các electron tự do trong khí sao cho bản thân ion bị trung hòa và không thể chạm tới bộ thu, cho các mục đích thực tế trong hệ thống phòng thí nghiệm điển hình hoặc trong lắp đặt công nghiệp, giá trị này có thể được lấy là 0,1 Pa (10 -3 mbar).

Giới hạn dưới của độ chân không của máy đo sẽ đạt đến khi dòng điện rò rỉ trong đầu đo hoặc thiết bị điện tử đo trở nên tương đương với dòng ion được đo hoặc khi một hiệu ứng vật lý khác (chẳng hạn như ảnh hưởng của tia X bên ngoài) gây ra dòng điện độ lớn này xuất hiện. Đối với hầu hết các cảm biến được mô tả trong hướng dẫn này, các giới hạn này đều dưới 10 -6 Pa (10 -8 mbar).

Phương trình hiệu chuẩn cơ bản để hiệu chuẩn ion hóa là:

Ic - dòng ion K - hằng số chứa xác suất ion hóa một phân tử khí bằng bất kỳ phương tiện nào và xác suất thu được ion thu được n - mật độ số lượng phân tử khí Ie - dòng điện của electron ion hóa.

Khả năng ion hóa một phân tử khí sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố và do đó, cảm biến ion hóa sẽ có các giá trị độ nhạy khác nhau đối với các loại khí khác nhau. Hầu hết các cảm biến chân không thực tế đều sử dụng kích thích điện tử để ion hóa các phân tử khí và điều này có thể đạt được bằng cách "làm sôi" các electron từ một dây tóc nóng và thu hút chúng vào một loại bộ thu điện tử nào đó. Các ion sau đó bị thu hút bởi bộ thu. Thật không may, xác suất ion hóa một phân tử khí bởi một electron là quá nhỏ trong một lần đi qua một máy đo kích thước bình thường đến mức cần phải tăng độ dài đường đi của electron và do đó làm tăng xác suất để bất kỳ một electron nào tạo ra ion.

Hai phương pháp được sử dụng rộng rãi. Trong cảm biến ion hóa hiệu chuẩn cathode nóng, các electron sinh ra trong dây tóc nóng bị hút vào một lưới làm bằng dây rất mảnh và có điện thế dương. Vì lưới mở nên rất có khả năng electron sẽ đi qua lưới mà không chạm vào dây. Nếu lưới điện được bao quanh bởi một màn chắn có điện thế âm thì electron sẽ bị phản xạ bởi màn chắn này và sẽ bị hút trở lại lưới điện. Quá trình này có thể xảy ra nhiều lần trước khi electron cuối cùng chạm vào lưới điện. Kết quả là có thể đạt được quỹ đạo electron rất dài trong một thể tích nhỏ. Ngược lại, các ion bị hút trực tiếp vào bộ thu.

Đèn ion hóa catốt lạnh không dùng dây tóc nóng và sử dụng kết hợp điện trường và từ trường. Bất kỳ electron nào cũng sẽ quay xung quanh các đường sức từ trước khi cuối cùng nó được tập trung vào cực dương tích điện dương. Trên thực tế, độ dài đường đi sẽ rất dài và xác suất ion hóa lớn đến mức sau khi kích hoạt quá trình phóng điện khí tự duy trì sẽ được tạo ra, với điều kiện là các ion nhanh chóng bị đẩy ra khỏi vùng phóng điện bởi bộ thu ion.

Lựa chọn thiết bị đo chân không

Trước khi lựa chọn thiết bị chân không và xác định nhà cung cấp phù hợp, điều quan trọng là phải thiết lập các tiêu chí lựa chọn. Chúng sẽ bao gồm nhiều yếu tố và phần này nhằm mục đích giúp người dùng tiềm năng đưa ra lựa chọn.

Độ sâu đo chân không

Đặc điểm môi trường

Môi trường bên ngoài

Đặc tính vật lý của thiết bị

Loại sử dụng

Sự an toàn

Cài đặt và bảo trì

Chuyển đổi tín hiệu

Vào cuối tháng 5 năm ngoái, nhiều tờ báo nổi tiếng tràn ngập dòng tít: “Các nhà khoa học đã thu được năng lượng từ chân không!” Những người sở hữu máy bơm chân không vui vẻ xoa tay và trong giấc mơ, họ đã thấy mình là những kẻ đầu sỏ mới. Tuy nhiên, năng lượng tự do từ chân không vẫn chưa xuất hiện trên thị trường.

Năm 1948, các nhà vật lý lý thuyết người Hà Lan Hendrik Casimir và Dirk Polder, khi tìm kiếm lời giải thích cho các tính chất của màng keo, đã kiểm tra sự tương tác của các phân tử phân cực lẫn nhau bởi lực điện từ. Hóa ra lực hút của một phân tử phân cực vào một tấm kim loại tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn của khoảng cách giữa chúng.

Nhưng sự việc chưa kết thúc ở đó. Casimir đã thảo luận những phát hiện của mình với Niels Bohr, người lưu ý rằng sự hấp dẫn có thể được giải thích theo một cách hoàn toàn khác. Sau đó, người ta đã chứng minh được rằng các hạt ảo của chân không vật lý ảnh hưởng đến mức năng lượng của các electron trong nguyên tử (Lamb shift). Theo Bohr, hiệu ứng mà Casimir tính toán có thể có bản chất giống hệt như vậy. Casimir đã thực hiện các phép tính tương ứng và thu được công thức tương tự.

Hiệu ứng Casimir

Cùng năm đó, Casimir đề xuất một ví dụ đơn giản và rõ ràng về tác dụng lực của chân không. Hãy tưởng tượng hai tấm dẫn điện phẳng được sắp xếp song song. Mật độ của các photon ảo giữa chúng sẽ nhỏ hơn bên ngoài, vì chỉ có sóng điện từ đứng có tần số cộng hưởng được xác định chặt chẽ mới có thể bị kích thích ở đó. Kết quả là, trong không gian giữa các bản, áp suất của khí photon sẽ nhỏ hơn áp suất từ ​​bên ngoài, đó là lý do tại sao chúng sẽ hút nhau và lại với một lực tỉ lệ nghịch với lũy thừa 4 của chiều rộng của khe (khi các tấm di chuyển lại gần nhau hơn, tập hợp tần số cho phép của sóng dừng sẽ giảm đi, do đó sự chênh lệch về mật độ của các photon “bên trong” và “bên ngoài” tăng lên). Trong thực tế, lực hút như vậy trở nên đáng chú ý ở khoảng cách vài micromet. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Casimir.

Theo quan điểm hiện đại
Chính sự dao động chân không đã tạo ra lực tương tác giữa các phân tử. Vì vậy, chúng biểu hiện khi các vật thể có hình dạng khác nhau (không nhất thiết phải phẳng) làm bằng kim loại hoặc chất điện môi gặp nhau. Những người đầu tiên phát hiện ra điều này cách đây nửa thế kỷ là các nhân viên của khoa lý thuyết của Viện các vấn đề vật lý, Evgeniy Lifshits, Igor Dzyaloshinsky và Lev Pitaevsky. Họ cũng chỉ ra rằng dưới những điều kiện nhất định, lực hút Casimir được thay thế bằng lực đẩy. Sự xác nhận thực nghiệm đáng tin cậy về sự tồn tại của lực hút như vậy đã được Steve Lamoreaux, Umar Mohideen và Anushree Roy thu được vào năm 1997. Lực đẩy Casimir lần đầu tiên được đo bằng thực nghiệm vào năm 2009 bởi một nhóm do Jeremy Munday dẫn đầu.

Gương chuyển động

Năm 1970, nhà vật lý từ Đại học Brandeis Hoa Kỳ Gerald Moore đã xuất bản một bài báo trong đó ông khảo sát về mặt lý thuyết hành vi của chân không trong một khoang được giới hạn bởi hai gương song song với nhau hoặc phân kỳ. Ông đã chỉ ra rằng những chiếc gương như vậy có thể khuếch đại các dao động chân không... và khiến chúng tạo ra các photon thực. Tuy nhiên, theo tính toán của Moore, để tạo ra các photon với số lượng đáng kể, các gương phải có tốc độ tương đối tính. Vào cuối những năm 1980, bài toán dao động dao động của chân không được nhiều nhà khoa học quan tâm. Phân tích lý thuyết của nó cho thấy chân không có khả năng tạo ra các photon thực không chỉ ở gần các vật chất có tốc độ dưới ánh sáng mà còn ở gần các vật liệu thay đổi nhanh chóng tính chất điện hoặc từ của chúng. Sự biến đổi các dao động chân không ảo thành lượng tử thực này được gọi là hiệu ứng Casimir động, hay không cố định.

Gương ảo, photon thật

Hiệu ứng Casimir thông thường liên quan đến lực hút của hai tấm phẳng song song do “sự lựa chọn” các sóng đứng cộng hưởng giữa chúng. Hiệu ứng động liên quan đến sự “ảo hóa” của các photon trong quá trình chuyển động nhanh (tương đối tính) của gương. Rõ ràng là không thể lặp lại sơ đồ như vậy theo cách thuần túy cơ học, vì vậy một nhóm từ Đại học Chalmers ở Gothenburg đã sử dụng gương “ảo” - sử dụng dao động từ trường, họ đã thay đổi độ dài của ống dẫn sóng, tương tự như chuyển động của ranh giới của nó với tốc độ tương đối tính.

Cho đến gần đây, những nghiên cứu này chỉ giới hạn ở lý thuyết thuần túy. Tất nhiên, việc tái tạo trực tiếp sơ đồ của Moore nằm ngoài khả năng của các công nghệ hiện đại, vốn không thể tăng tốc các gương làm bằng bất kỳ vật liệu nào lên tốc độ dưới ánh sáng. Các thiết bị thực tế hơn để quan sát hiệu ứng Casimir động đã được thảo luận nhiều lần trong các tài liệu khoa học - ví dụ, máy rung áp điện và máy cộng hưởng điện từ tần số cao. Trong những năm gần đây, các nhà vật lý làm việc trong lĩnh vực này đã tin chắc rằng những thí nghiệm này hoàn toàn khả thi.

Thử nghiệm trong thực tế

Người đầu tiên đạt được thành công là Christopher Wilson và các đồng nghiệp tại Đại học Công nghệ Chalmers ở thành phố Gothenburg của Thụy Điển, cùng với các đồng nghiệp đến từ Úc và Nhật Bản. Quá trình “cụ thể hóa” các photon ảo diễn ra gần một ống dẫn sóng bằng nhôm nối với một giao thoa kế lượng tử siêu dẫn (hai điểm nối đường hầm Josephson nối song song trong một mạch kín). Các nhà thí nghiệm đã thay đổi độ tự cảm của mạch này bằng cách cho một từ thông dao động ở tần số khoảng 11 GHz đi qua nó. Sự dao động của độ tự cảm ảnh hưởng đến chiều dài điện của ống dẫn sóng, dao động ở tốc độ hoàn toàn tương đối tính (khoảng một phần tư tốc độ truyền sóng điện từ trong ống dẫn sóng, xấp xỉ bằng 40% tốc độ ánh sáng trong chân không). Ống dẫn sóng, đúng như dự đoán, phát ra các photon được chiết xuất từ ​​các dao động chân không. Phổ của bức xạ này phù hợp với dự đoán lý thuyết.

Tuy nhiên, không thể sử dụng cách lắp đặt này để thu năng lượng từ chân không: năng lượng của bức xạ sinh ra yếu hơn rất nhiều so với năng lượng phải bơm vào thiết bị. Điều tương tự cũng đúng với các thiết bị khác có thể được sử dụng để quan sát hiệu ứng Casimir động. Nhìn chung, chân không hoàn toàn không phải là lớp chứa dầu.