Информация о вакуумных системах и компонентах. Давление абсолютное, избыточное, вакуум

1.1 . Основные термины и определения

Вакуумом называют состояние газа или пара при давлении ниже атмосферного. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление (разница между атмосферным и вакуумным). Вакуумная техника - прикладная наука, рассматривающая проблемы изучения и поддержания вакуума, а так же вопросы разработки конструирования и применение вакуумных систем и их элементов.
Вакуум бывает: низкий; средний; высокий; сверхвысокий.
Низкий и средний вакуум используются в осветительных приборах. Высокий - используется в приемно-усилительных генераторных лампах.
Сверхвысокий вакуум используется в металлургии (плавка и переплавка в вакууме) для получения различных сплавов, для получения сверхчистых веществ, полупроводников, диэлектриков и т. д.; кристаллизация (искусственные сапфиры); диффузионная сварка (для соединения деталей из металлов с сильно различающимися температурами плавления).

Химическая промышленность - вакуумные сушильные аппараты, вакуумные фильтры, кристаллизирующие вакуумные аппараты.
Электротехническая промышленность производство кабелей, электродвигателей с использованием вакуумной пропитки.
Оптическая промышленность - производство зеркал (вакуумное алюминирование), просветленная оптика, производство биноклей, очков и т. д.
Пищевая промышленность - вакуумные упаковки, доильные аппараты, пылесосы.
Транспорт - вакуумные усилители тормозных систем.
Медицина - производство и хранение медикаментов.
Интенсивность протекания физико-химических процессов в вакууме зависит от соотношения между числом столкновения молекул газа со стенками ограничивающего сосуда и числом взаимных столкновений молекул, характеризуется отношением средней длины свободного пути молекул к характерному размеру сосуда. Это число называется числом Кнудсена.

где: - средняя длина свободного пути молекулы; l - характерный размер сосуда.
На основании числа Кнудсена идет деление по степеням вакуума. Степень вакуума определяется равновесным давлением, которое устанавливается в откачиваемом объеме под действием противоположных процессов, откачки газа насосом и поступления газа в объем за счет натекания через неплотности диффузионных и технологических газовыделений и проницаемости газа через стенки сосуда.
Низкий вакуум
Характеризуется давлением газа, при котором средняя длина пробега молекул значительно меньше характерного линейного размера сосуда. Эта область давлений от 10 до 100 МПа.
Средний вакуум
Характеризуется давлением газа, при котором средняя длина пробега молекул приближенно равна характерному линейному размеру сосуда. Эта область давлений от 100 до 0,1 МПа.
Высокий вакуум
Характеризуется давлением газа, при котором средняя длина пробега молекул значительно больше характерного линейного размера сосуда. Эта область давлений от 0,1 до 10 МПа.
Сверхвысокий вакуум
Характеризуется давлением газа, при котором не происходит заметного изменения свойств поверхности первоначально свободной от абсорбирующего газа за время, существующее для рабочего процесса.
Газ - состояние вещества, при котором движение молекул практически неограниченно межмолекулярными силами и занимает весь объем.
Давление в точке газового пространства - отношение скорости переноса нормальной составляющей количества движения. Откачка - уменьшение молекулярной концентрации газа при помощи устройств поглощающих газ.
Время откачки - время необходимое для уменьшения давления в откачивающей системе насосом конкретного типа.
Остаточный газ - газ оставшийся после откачки в вакуумной системе.
Предельное остаточное давление - наименьшее давление, которое может быть достигнуто при конкретных устройств для откачки.
Форвакуум - вакуум, создаваемый насосом более низкого вакуума при последовательной работе нескольких насосов.
Молекулярная концентрация - число молекул газа в единице объема.
Длина свободного пути молекулы - длина пути молекулы между двумя последовательными столкновениями с другими молекулами.
Средняя длина свободного пути молекулы - среднеарифметическое расстояние, которое молекула проходит между двумя последними столкновениями.
Диффузия газа - движение газа в другой среде под влиянием градиента концентраций.
Коэффициент диффузии - отношение абсолютной скорости потока молекул через единицу поверхности к градиенту концентраций.
Вязкостное течение - течение газа в канале при условии, когда длина свободного пути молекулы очень мала по сравнению с наименьшим поперечным сечением канала.
Температурная транспирация - течение газа между соединенными сосудами.
Поток молекул - число молекул, проходящих через некоторое сечение в единицу времени. Плотность потока молекул - отношение результирующего потока молекул к поверхности, которую он пересекает.
Результирующий поток молекул - отношение потока молекул определенного разностью между числом молекул пересекающих поверхность за данный интервал температуры в заданном направлении и числом молекул через эту поверхность в обратном направлении к этому времени.
Массовый поток газа - масса газа пресекающего определенную поверхность за единицу времени.
Проводимость - отношение потока к разности средних давлений в двух сечениях потока при изотермическом равновесии. Сопротивление величина обратная проводимости.
Сорбция - поглощение газа или пара твердым веществом или жидкостью. Десорбция-обратный процесс.
Коэффициент аккомодации - отношение средней энергии реально передаваемой поверхности налетающими частицами средней энергии, которая может быть передана в случае достижения полного теплового равновесия.
Частота столкновений - отношение числа сталкивающихся с поверхностью молекул в заданный интервал времени к этому интервалу и площади поверхности.
Скорость прилипания - число молекул, сорбированных на единице площади поверхности в единицу времени.
Время удерживания - среднее время, в течении которого молекулы удерживаются на поверхности в состоянии сорбции.
Миграция - движение молекулы на поверхности.
Газовыделение - самопроизвольное выделение газа из материала в вакуум.
Обезгаживание - принудительное удаление газа из материала.
Проницаемость твердой перегородки - отношение потока газа через перегородку к потоку через тоже течение при отсутствии перегородки является функцией давления по обе стороны перегородки и ее структуры.
Коэффициент проницаемости - отношение произведения проницаемости на толщину перегородки к ее площади.
Натекание - проникновение газа из окружающей среды в откачиваемый сосуд.

1.2. Давление в вакууме

Основой физики вакуума являются следующие постулаты:
1. Газ состоит из отдельных, движущихся молекул.
2. Существует постоянное распределение молекул газа по скоростям, т. е. одной и той же скоростью обладает всегда одинаковое число молекул.
3. При движении молекул газа нет преимущественных направлений, пространство газовых молекул изотропно.
4. Температура газа величина пропорциональная средней кинетической энергии его молекул.
5. При взаимодействии с поверхностью твердого тела молекула газа абсорбируется.
При взаимодействии газа с поверхностью твердого тела нормальная составляющая изменения количества движения молекулы будет равна:,
где θ - угол между нормалью поверхности и вектором скорости; v - скорость молекулы; m - масса молекулы.
Рассмотрим случай, когда между поверхностью и газовой средой существует энергетическое равновесие, в этом случае суммарное изменение количества движения абсорбированной и десорбированной молекул будет равняется .
Согласно второму закону Ньютона, давление молекулы на поверхность:

, (1.1)

где: Δt - время взаимодействия молекулы с поверхностью; ΔF - площадь поверхности.
Число молекул в элементарном объеме dV, движущихся в направлении площадки ΔF, пропорционально согласно третьему постулату, пропорционально телесному углу dW, под которым из центра dV видна площадка ΔF.

. (1.2)
Телесный угол
, (1.3)
где r - расстояние между выделенным объектом и поверхностью.
Объем в полярной системе координат:

Давление газа на поверхность найдем интегрированием по объему полусферы, из которой молекулы достигают поверхности за время Δt с радиусом .
С учетом (1.1) получаем:

(1.5)

Подставляя (1.2), (1.3), (1.4) в (1.5), получим:

где n - молекулярная концентрация.
Согласно постулату 2, введем вместо постоянной среднеквадратичную скорость молекулы.

,
тогда

(1.7).
Учитывая, что плотность газа ρ=nm, получим .
Условия равновесия, использованные при выводе уравнения (1.7) могут, не выполнятся, например, в случае конденсирующей поверхности, с которой из-за очень большого времени адсорбции не происходит десорбция молекул газа, и наоборот, тело в космическом пространстве десорбирует молекулы с поверхности, а количеством молекул ударяющихся об это тело, можно пренебречь. В этих случаях необходимо точно знать соотношение потоков падающих и вылетающих молекул газа.

1.3. Газовые законы

Если в объеме находится смесь из К газов, то давление смеси:

(1.8)

или (1.9) - закон Дальтона.

Т. к. температура, согласно 4 постулату, пропорциональна кинетической энергии молекулы, можно записать ,
где с - некоторая постоянная.
Тогда (1.7) можно записать в виде:
.
Обозначим , тогда (1.10),
а средняя кинетическая энергия молекулы:

(1.11)

Уравнение (1.10) называют уравнением газового состояния, оно связывает три основных параметра: давление, молекулярную концентрацию и температуру. Константа k=1.38∙10-23Дж/к - постоянная Больцмана.
Уравнение (1.10) также можно представить в виде:

, (1.12),
где М - молекулярная масса газа; V - объём газа; NA=М/m=6.02∙1028 к моль-1 - число Авагадро; R=kNA=8.31∙103, Дж/Кмоль - универсальная газовая постоянная.
1.4. Частота соударений молекул с поверхностью

Число молекул, соударяющихся об единицу поверхности в единицу времени:

(1.13)

С учетом функции распределения молекул по скоростям получаем

, (1.14)

где Vар - средняя арифметическая скорость.
Объем газа, ударяющегося об единицу поверхности в единицу времени можно выразить через частоту соударений и молекулярную концентрацию

(1.15)

Данное выражение не зависит от давления и определяет максимальную быстроту действия идеального вакуумного насоса, откачивающего все молекулы газа, которые попадают в него через входное отверстие.

1.5. Распределение молекул газа по скоростям

При соударении друг с другом или со стенками вакуумной камеры молекулы изменяют свои скорости, как по величине, так и по направлению. Используя гипотезы о стационарном распределении по скоростям и изотропности пространства, Максвелл получил функцию распределения молекул по скоростям

, (1.16)

где dnV - число молекул скорости, которых находятся в пределах от V до 0.
Скорость, при которой наблюдаются максимальные функции распределения, называют наиболее вероятной скоростью

. (1.17)

Если ввести обозначения , то получим .
Используются безразмерная дифференциальная - f(c)=dnV/(ndc) b и интегральная - F(c)= функции распределения молекул по скоростям.
В расчетах также используют среднеарифметическую скорость

(1.18)
и среднеквадратичную
(1.19).

Соотношение между скоростями Vвер, Vар, Vкв составляет 1:1,128:1,225.

Таблица 1.1.
Среднеарифметические скорости газов при различных температурах

Газ
Кислород

Кроме распределения по скоростям молекул имеются функции распределения по энергии
;

; (1.20)

, (1.21),
здесь .
Существуют наиболее вероятная энергия и среднеарифметическая .
1.6. Средняя длина свободного пути

Направленный молекулярный поток, содержащий в начальный момент N0 молекул газа с хаотично движущимися молекулами с частотой К за время dt, уменьшается на величину:
, интегрируя, получаем .

Средняя длина свободного пути молекул газа , определяемая как отношение скорости молекул к числу столкновений в единицу времени. - длина пути молекулы за время t, столкновение произойдет в том случае, если расстояние между центрами молекул будет не более диаметра молекулы . Будем считать, что одна молекула имеет радиус , а все остальные математические точки с нулевым радиусом. При движении со скоростью с молекулярной концентрацией n, за одну секунду такая воображаемая молекула опишет объем , и испытает столкновений. Средняя длина свободного пути в таком случае будет равна
. (1.23)

С учетом относительных скоростей движения молекулы газа, которые не учитывались при выводе уравнения (1.23), для длины свободного пути можно получить более точное выражение
. (1.24)

Из (1.24) видно, что при постоянной молекулярной концентрации, длина свободного пути не должна зависеть от температуры.
Однако из опытных данных следует, что при n = const, средняя длина свободного пути увеличивается , данный фактор учитывается введением дополнительного модуля, тогда
, (1.25)

где С - постоянная Сезерленда, равная температуре при которой, в случае постоянной молекулярной концентрации газа, средняя длина свободного пути молекул уменьшается вдвое по сравнению со значением соответствующей бесконечно большой температуре [K] .
Для учета взаимодействия молекул между собой вводят понятие эффективного диаметра молекулы dТ, который уменьшается с увеличением температуры

Давления, измеренные на шкале, которая использует нулевое значение в качестве опорной точки, называются абсолютными давлениями. Атмосферное давление на поверхности Земли изменяется, но составляет приблизительно 10 5 Па (1000 мбар). Это абсолютное давление, потому что оно выражается в отношении нулевого.

Датчик предназначенный для измерения давления, выраженного в отношении атмосферного давления, и, таким образом, показывающий ноль, когда его измерительный порт содержит молекулы при атмосферном давлении. Измерения проводимые таким датчиком известны как измерение давления в относительном режиме. Таким образом, разница между значением абсолютного давления и значением избыточного является переменным значением атмосферного:

Абсолютное = избыточное + атмосферное.

Чтобы избежать серьезных ошибок, важно знать какой режим измерения вакуума используется: абсолютный или относительный. Обратите внимание, что эталонная линия для измерений калибровочной моды не является прямой, что иллюстрирует изменчивость атмосферного давления.

Единицы измерения вакуума и давления

Исторические единицы

К сожалению, в измерениях вакуума и давления существует множество единиц, что создает значительные проблемы как для новичков, так и для опытных специалистов. К счастью, жизнь становится легче, так как устаревшие и плохо определенные единицы исчезают в пользу единицы измерения СИ.

Многие старые единицы имеют очевидное практическое и историческое происхождение; Например, дюйм воды был единицей, используемой, когда давление измерялось водяным столбом, верхняя поверхность которого была видна на дюймовой шкале. Первоначально точность измерений вакуума, требуемая для таких систем, соответствовала довольно грубым методам измерения вакуума, и никто не беспокоился, была ли вода горячей или холодной. По мере роста технологических потребностей возникла потребность в более последовательных измерениях. Математические модели измерительных приборов были значительно усовершенствованы. Например, в одной традиционной схеме измерения вакуума ртутного барометра было принято для дифференциальных разложений между ртутью в колонне, стеклом, из которого изготовлена колонна, латунью, из которой изготовлена шкала, и стальным резервуаром. Однако даже с уточненными определениями и связанной с ними математикой многие традиционные единицы не могут использоваться в рамках современных технологий.

Единица измерения СИ

Единица измерения СИ - это паскаль, сокращенно обозначаемый Па, имя дано давлению одного ньютона на квадратный метр (Н/м 2). В то время как легко визуализировать один квадратный метр, один ньютон сложнее, но он примерно равен нисходящей силе, действующей на руку, когда держит маленькое яблоко (если держатель стоит на поверхности земли!) Что касается повседневной жизни, один паскаль представляет собой очень небольшую величину, при этом атмосферное составляет примерно 100 000 Па. На дне кастрюли, наполненной водой, давление из-за глубины воды будет примерно на 1000 Па больше, чем на поверхности воды. Чтобы избежать использования громоздких чисел, кратным 103 и 0,001 назначаются префиксы, так что, например, 100 000 Па (105 Па) могут быть записаны как 100 кПа или 0,1 МПа.

Единицы измерения вакуума и конвертация

Взаимоотношения между паскалем и некоторыми другими единицами показаны в таблице, но обратите внимание, что не все могут быть или могут быть точно выражены. Надстрочные римские цифры в таблице относятся к примечаниям, которые следуют за ней.

Методы измерения вакуума

Общие положения

В приборах для измерения вакуума используется ряд совершенно разных принципов. Некоторые из них имеют фундаментальный характер, например, измерение высоты столба жидкости с известной плотностью. Одним из таких примеров является ртутный барометр, в котором атмосферное давление может быть уравновешено столбом ртути. Расширение этой идеи для использования при высоких давлениях - использование металлических гирь, действующих над известной площадью, чтобы обеспечить силу, а не вес жидкости.

Часто вакуум может быть определено путем измерения механической деформации чувствительного элемента, который подвергается упругой деформации, когда изменяется разность давлений на его поверхностях. Механический прогиб может быть реализован и воспринят несколькими способами. Одним из наиболее распространенных типов движущихся механических элементов является эластичная диафрагма. Другим примером является труба Бурдона, где внутреннее давление вынуждает выпрямляться изогнутую трубку.

Такая механическая деформация может быть обнаружена несколькими способами: серией механических рычагов для непосредственного отображения деформации, измерения сопротивления в тензодатчике, измерения емкости, изменения частоты резонирующего элемента при растяжении или сжатии и т. д.

Когда вакуума глубокий и поэтому механическое отклонение слишком мало для измерения вакуума, используются косвенные средства, которые измеряют физические свойства, такие как теплопроводность, ионизация или вязкость, которые зависят от плотности числа молекул.

Столб жидкости

Один из самых ранних методов измерения вакуума, и все еще один из самых точных сегодня, состоит в том, что столб жидкости способен вытеснять жидкость из трубы.

Манометр, показанный на рисунке, представляет собой, по существу, заполненную жидкостью U-образную трубку, где вертикальное разделение поверхностей жидкости дает измерение разности давлений. На уровне нулевой точки d; давление L, обеспечивается жидкостью над ней, плюс давление p 2 в верхней части трубки. В равновесии колонка поддерживается восходящим давлением p 1 , которое передается через жидкость из другой конечности.

Давление p 1 на нижней поверхности жидкости определяется как:

Где h - вертикальная высота столбца жидкости выше уровня нулевой точки,P Плотность жидкости, g - локальное значение ускорения силы тяжести. Если верхняя труба соединена с атмосферой (р2 = атмосферное давление), то р1 является калибровочным давлением; Если верхняя труба вакуумирована (т. Е. Р2 = ноль), то р1 является абсолютным давлением и прибор становится барометром.

Ртуть, вода и масло используются в различных конструкциях манометра, хотя для барометрических целей всегда используется ртуть; Его плотность более чем в 13 раз превышает плотность воды или масла, и поэтому требуется гораздо более короткая колонна. Около 0,75 м при измерении атмосферного давления. Плотность ртути также значительно более стабильна, чем плотность других жидкостей.

Измерение вакуума путём деформации упругого элемента.

Когда давление приложено к деформирующему элементу, он будет двигаться. Для создания датчика давления перемещение должно быть достаточно маленьким, чтобы оставаться в пределе упругости материала, но достаточно большим, чтобы быть обнаруженным с достаточным разрешением. Поэтому при более низком давлении используются тонкие гибкие компоненты, а при более высоких давлениях - более жесткие. Существует несколько методов, используемых для определения степени отклонения. Они варьируются от механического усиления, производя видимое отклонение указателя до электронных методов обнаружения.

Перечисленные ниже инструменты включают не все типы, а те, которые обычно широко используются в промышленности.

Диафрагмы

Мембрана, прикрепленная к жесткому основанию, будет подвергаться воздействию силы, если между каждой стороной существует разница в давлении. Диафрагмы проще производить круглыми, но возможны и другие формы. Разность вызовет отклонение диафрагмы с максимальным отклонением в центре, и это отклонение можно измерить с помощью различных механических и электронных датчиков. Поскольку центр отклоняется, поверхность диафрагмы также напряжена и может показать, с одной стороны, сжимающие напряжения вокруг внешней кромки и растягивающие напряжения вокруг центральной части диафрагмы. Эта конфигурация напряжений может быть обнаружена с помощью тензодатчиков, и из этой информации можно рассчитать вакуум.

Капсулы. По существу капсулы изготавливаются из пары диафрагм, соединенных по их внешним краям. У одного будет центральная арматура, через которую поступает давление, а перемещение центра другой диафрагмы относительно первого определяется датчиком некоторого типа. Ясно, что действие двух диафрагм, действующих последовательно, должно удвоить отклонение.

Сильфоны. Не существует четкого различия между сильфоном и капсулами, но сильфоны обычно имеют несколько секций, последовательно уложенных друг в друга, и, как правило, гофры малы по сравнению с диаметром. Сильфоны могут быть свернуты из трубы, образованы под давлением или образованы из сварных элементов.

Трубка Бурдона

Существуют различные конструкции, но типичной формой является закрытая труба с овальным поперечным сечением, изогнутая вдоль ее длины. Когда трубка находится под давлением, на стремится выпрямиться, и датчик обнаруживает это движение. Они могут быть сконструированы для работы в широком диапазоне, а также в манометрическом, абсолютном и дифференциальном режимах. Доступны простые «C» - образные, спиральные и спиральные типы. Электронное обнаружение движения конца обычно используется с кварцевыми спиральными устройствами.

Измерения вакуума путём измерения теплопроводности

Для измерения вакуума можно использовать передачу энергии от горячей проволоки через газ. Тепло переносится в газе путем молекулярных столкновений с проволокой, т.е. теплопроводностью, а скорость передачи тепла зависит от теплопроводности газа. Таким образом, точность этих приборов имеет сильную зависимость от состава газа. В области глубокого вакуума, где имеется молекулярный поток (число Кнудсена больше 3, где число Кнудсена = длина свободного пробега / характерный размер системы), теплопередача пропорциональна вакууму. Когда число молекул увеличивается, газ становится более плотным, и молекулы начинают сталкиваться друг с другом чаще. В этой так называемой переходной области потока (или потока скольжения, 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.

Вакуумметры Пирани

Тепловые потери от провода (обычно от 5 до 20 мкм) могут быть определены косвенно с помощью мостовой схемы Уитстона, которая нагревает провод и измеряет его сопротивление и, следовательно, его температуру. Существует два основных типа нагреваемых элементов. Традиционная и гораздо более распространенная конфигурация состоит из тонкой металлической проволоки, подвешенной в измерительной головке. Другая конфигурация - микрообработанная структура, обычно изготовленная из кремния, покрытого тонкой металлической пленкой, такой как платина. В обычной конфигурации тонкая металлическая проволока подвешена, по меньшей мере, с одной стороны, электрически изолированной в измерительной головке и находящейся в контакте с газом. Вольфрам, никель, иридий или платина могут быть использованы для проволоки. Провод электрически нагревается, и теплопередача измеряется электронным способом. Существует три общих метода работы: метод постоянной температуры, мост с постоянным напряжением и мост с постоянным током. Все эти методы косвенно измеряют температуру провода по его сопротивлению. Основным недостатком использования датчиков Пирани является их сильная зависимость от состава газа и их ограниченная точность. Воспроизводимость датчиков Пирани, как правило, достаточно хороша до тех пор, пока не произойдет сильное загрязнение. Диапазон измерения вакуума датчиков Пирани составляет приблизительно от 10-2 Па до 105 Па, но наилучшие характеристики обычно получают между приблизительно 0,1 Па и 1000 Па.

Ионизационные датчики измерения вакуума

Когда вакуум в системе ниже приблизительно 0,1 Па (10 -3 мбар), прямые методы измерения вакуума с помощью таких средств, как отклонение диафрагмы или измерение свойств газа, таких как теплопроводность, уже не могут быть легко применимы, Поэтому необходимо прибегнуть к методам, которые в основном подсчитывают количество присутствующих молекул газа, т. е. измеряет плотность, а не вакуум. Из кинетической теории газов для данного газа с известной температурой Т давление р непосредственно связано с плотностью числа n через уравнение (в пределе идеального газа):

Где с - постоянная. Одним из наиболее удобных методов измерения плотности числа является использование некоторой методики ионизации молекул газа и последующего сбора ионов. В большинстве практических вакуумных датчиков для осуществления ионизации используются электроны с умеренной энергией (50 эВ до 150 эВ). Результирующий ионный ток напрямую связан с вакуумом и, таким образом, может быть выполнена калибровка. Последнее утверждение верно только в отношении конечного диапазона давлений, который определит рабочий диапазон прибора. Верхний предел давления будет достигнут, когда плотность газа будет достаточно большой, что при создании иона имеет значительную вероятность взаимодействия с молекулами нейтрального газа или свободными электронами в газе, так что ион сам нейтрализуется и не может достичь коллектора, для практических целей в типичных лабораторных системах или промышленных установках это можно принять за 0,1 Па (10 -3 мбар).

Нижний предел вакуума манометра будет достигнут, когда электрический ток утечки в измерительной головке или измерительной электронике станет сравнимым с измеряемым ионным током или когда другой физический эффект (например, влияние посторонних рентгеновских лучей) вызовет появление токов этого величина. Для большинства датчиков, описанных в Руководстве, эти пределы лежат ниже 10 -6 Па (10 -8 мбар).

Основным калибровочным уравнением для ионизационной калибровки является:

Ic - ионный ток K - постоянная, содержащая вероятность ионизации молекулы газа какими бы то ни было средствами и вероятность сбора результирующего иона n - плотность числа молекул газа Ie - ток ионизирующего электрона.

Вероятность ионизации молекулы газа будет зависеть от множества факторов, и поэтому ионизационный датчик будет иметь разные значения чувствительности для разных видов газа. Большинство практических вакуумных датчиков используют электронное воздействие для ионизации молекул газа, и это может быть достигнуто просто «кипящими» электронами от нити накаленной проволоки и притягивающей их к какому-то электронному коллектору. Затем ионы притягиваются к коллектору. К сожалению, вероятность ионизации молекулы газа электроном настолько мала за один проход в калибровке нормальных размеров, что необходимо увеличить длину пробега электронов и тем самым увеличить вероятность того, что какой-либо один электрон создает ион.

Широко используются два метода. В калибровочном ионизационном датчике горячего катода электроны, полученные в горячей нити накала, притягиваются к сетке, изготовленной из очень тонкой проволоки и при положительном электрическом потенциале. Поскольку сетка открыта, есть очень большая вероятность того, что электрон пройдет через сетку и не ударит провод. Если сетка окружена экраном с отрицательным электрическим потенциалом, электрон будет отражен этим экраном и будет притягиваться обратно к сетке. Этот процесс может происходить много раз, прежде чем электрон окончательно попадает в сетку. В результате очень длинные траектории электронов могут быть достигнуты в небольшом объеме. В противоположность этому, ионы притягиваются непосредственно в коллектор.

Ионизационная лампа с холодным катодом обходится без горячей нити и использует комбинацию электрических и магнитных полей. Любой электрон будет вращаться вокруг магнитных силовых линий до того, как он, в конечном счете, будет собран на положительно заряженном аноде. Фактически, длина пути будет такой большой, а вероятность ионизации настолько велика, что после запуска будет создан самоподдерживающийся газовый разряд, при условии, что ионы будут быстро вытесняться из области разряда ионным коллектором.

Выбор устройства для измерения вакуума

Прежде чем выбрать прибор для измерения вакуума и определить подходящего поставщика, важно установить критерии отбора. Они будут включать множество факторов, и этот раздел призван помочь потенциальному пользователю сделать выбор.

Глубина измерения вакуума

Характеристики среды

Внешняя среда

Физические характеристики прибора

Тип использования

Безопасность

Установка и обслуживание

Преобразование сигнала

) - среда, содержащая газ при давлениях значительно ниже атмосферного. Вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа λ и характерным размером процесса d. Под d может приниматься расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т.д. В зависимости от величины соотношения λ/d различают низкий (λ/d<<1), средний (λ/d~1) и высокий (λ/d>>1) вакуум.

Следует различать понятия физического вакуума и технического вакуума .

Технический вакуум

На практике сильно разреженный газ называют техническим вакуумом . В макроскопических объёмах идеальный вакуум недостижим на практике, поскольку при конечной температуре все материалы обладают ненулевой плотностью насыщенных паров. Кроме того, многие материалы (в том числе толстые металлические, стеклянные и иные стенки сосудов) пропускают газы. В микроскопических объёмах, однако, достижение идеального вакуума в принципе возможно. Мерой степени разрежения вакуума служит длина свободного пробега молекул газа < λ > , связанной с их взаимными столкновениями в газе, и характерного линейного размера l сосуда, в котором находится газ. Строго говоря, техническим вакуумом называют газ в сосуде или трубопроводе с давлением ниже, чем в окружающей атмосфере. Согласно другому определению, когда молекулы или атомы газа перестают сталкиваться друг с другом, и газодинамические свойства сменяются вязкостными (при давлении около 1 Торр) говорят о достижении низкого вакуума (λ < < l )(5000-10000 молекул на 1см3). Обычно низковакуумный насос стоит между атмосферным воздухом и высоковакуумным насосом, создавая предварительное разрежение, поэтому низкий вакуум часто называют форвакуум . При дальнейшем понижении давления в камере, увеличивается средняя длина свободного пробега λ молекул газа. При λ > > l молекулы газа уже не сталкиваются друг с другом, а свободно перемещаются от стенки до стенки, в этом случае говорят о высоком вакууме (10 -5 Торр)(1000 молекул на 1 см3). Сверхвысокий вакуум соответствует давлению 10 -9 Торр и ниже. К сожалению в земных условиях пока не получен. Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже, в дальнем же космосе и вовсе может достигать 10 -30 Торр и ниже(1 молекула на 1 см3).Встречается полное отсутствие молекул.

Высокий вакуум в микроскопических порах некоторых кристаллов достигается при атмосферном давлении, что связано именно с длиной свободного пробега газа.

Аппараты, используемые для достижения и поддержания вакуума, называются вакуумными насосами . Для поглощения газов и создания необходимой степени вакуума используются геттеры . Более широкий термин вакуумная техника включает также приборы для измерения и контроля вакуума, манипулирования предметами и проведения технологических операций в вакуумной камере, и т. д.

Стоит отметить, что даже в идеальном вакууме при конечной температуре всегда имеется некоторое тепловое излучение (газ фотонов). Таким образом, тело, помещённое в идеальный вакуум, рано или поздно придёт в тепловое равновесие со стенками вакуумной камеры за счёт обмена тепловыми фотонами.

Физический вакуум

Но, пожалуй, самым наглядным из явлений, которые нельзя объяснить, не используя идею о нулевых колебаниях вакуума, это спонтанное излучение. Самые обыкновенные излучающие спонтанно лампы накаливания не светились бы, если бы вакуум был абсолютной пустотой. Дело в том, что любой объект (а, значит, и возбужденный атом), помещенный в абсолютно пустое пространство, представляет собой замкнутую систему . А поскольку такая система стабильна во времени, то никакого излучения не происходило бы. Уже из этого простого рассуждения понятно, что объяснение спонтанного излучения требует привлечения более сложной модели вакуума, чем классическая абсолютная пустота.

См. также

Примечания

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Физический вакуум" в других словарях:

физический вакуум - absoliutusis vakuumas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. absolute vacuum; perfect vacuum; physical vacuum vok. absolutes Vakuum, n; physikalisches Vakuum, n rus. абсолютный вакуум, m; совершенный вакуум, m; физический вакуум, m pranc.… … Fizikos terminų žodynas

физический вакуум - Состояние системы квантовых полей с наинизшей энергией, определенное перенормированным гамильтонианом теории, включающим физические (наблюдаемые) массы, заряды и поля … Политехнический терминологический толковый словарь

Ртутный вакуумный барометр Эванджелисты Торричелли учёного, впервые создавшего вакуум в лаборатории. Над поверхностью ртути в верхней части запаянной трубки «торричелиева пустота» (вакуум, содержащий пары ртути под давлением насыщения … Википедия

В квантовой теории поля низшее энергетич. состояние квантованных полей, характеризующееся отсутствием к. л. реальных ч ц. Все квант. числа В. ф. (импульс, электрич. заряд и др.) равны нулю. Однако возможность виртуальных процессов в В. ф.… … Физическая энциклопедия

Вакуум физический, среда, в которой нет частиц вещества или поля. В технике В. называют среду, в которой содержится «очень мало» частиц; чем меньше частиц находится в единице объёма такой среды, тем более высок В. Однако полный В. ≈ среда, в… …

- (от лат. vacuum пустота), состояние газа при давлении меньше атмосферного. Понятие «В.» применяется к газу в замкнутом или откачиваемом сосуде, но нередко распространяется и на газ в свободном пр ве, напр. к космосу. Степень В. определяют,… … Физическая энциклопедия

I Вакуум (от лат. vacuum пустота) состояние газа при давлениях значительно ниже атмосферного. Понятие В. применяется обычно к газу, заполняющему ограниченный объём, но нередко его относят и к газу, находящемуся в свободном пространстве,… … Большая советская энциклопедия

ВАКУУМ - в житейском понимании пустота, отсутствие реальных частиц. В квантовой механике вводится понятие физического вакуума как основного состояния квантовых полей, обладающих минимальной энергией и нулевыми значениями импульса, углового момента,… … Философия науки: Словарь основных терминов

Вакуум (от лат. vacuum пустота) среда, содержащая газ при давлениях значительно ниже атмосферного. Вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа λ и характерным размером процесса d. Под d может приниматься… … Википедия

При выборе вакуумного насоса (или компрессора) и оценке его пригодности для использования в той или иной технологии оперируют двумя главными характеристиками:

• ДАВЛЕНИЕ
• ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

Вакуумный насос или компрессор, который в поиске у потенциального пользователя, должен, прежде всего, обеспечить требуемый уровень давления. Затем ставится задача получить это давление за определенный промежуток времени. Быстрота получения заданного значения давления определяется производительностью (pumping speed) вакуумного насоса. При этом газовые компрессоры нагнетают газы и формируют давления выше атмосферного. Вакуумные насосы генерируют давления ниже атмосферного, т.е. создают разрежение.

В этой статье речь пойдет о низком давлении , т.е. о ВАКУУМЕ, как об основной технической характеристике всех вакуумных насосов. Создание или генерирование устройством вакуума - это динамический процесс понижения атмосферного давления в объеме и во времени. При поисках и выборе вакуумного насоса по уровню вакуума обычно говорят о двух характеристиках вакуумного насоса, связанных с давлением:

• предельное остаточное давление (или предельный вакуум, ultimate pressure)
• рабочее давление (или рабочий вакуум, working pressure)

Предельное остаточное давление - это самое хорошее (высокое) значение вакуума, которое позволяет достигнуть конструкция этого вакуумного насоса. Важно понимать, что когда вакуумный насос достигает этого предельного значения вакуума, производительность откачки газов становится равной нулю, т.е. откачка прекращается, и в дальнейшем при работе насоса это значение предельного давления будет поддерживаться как некое достигнутое равновесное состояние системы «насос-откачиваемый объём».

Как правило, значение предельного остаточного давления достигается лишь при работе вакуумного насоса в режиме «сам на себя», т.е. при заглушенном входном патрубке. Это объясняется довольно просто: при подключении к насосу технологических объемов (емкости, трубопроводы, стыки, камеры и др.) всегда существуют течи (негерметичности) или явления газовой десорбции, которые не позволяют достичь в откачиваемом объеме максимальное значение вакуума, который способен создать сам насос.

Рабочее давление - это заданное значение вакуума, которое требуется обеспечить и поддерживать вакуумным насосом в той или иной технологии или техпроцессе.

При выборе вакуумного насоса его предельное остаточное давление должно быть немного лучше чем рабочее. Это как бы обеспечивает некий «запас прочности», т.е. гарантию того, что требуемое в техпроцессе давление будет достигнуто с помощью именно этого вакуумного насоса.

2. Давление газов в объёме. Атмосферное давление. Понятие «ВАКУУМ».

Давление газов в замкнутом объёме - это суммарное усилие, оказываемое ударами (толчками) постоянно движущихся молекул газов в стенки объёма, в результате их постоянного броуновского движения и сталкивания друг с другом и с твёрдыми стенками сосуда.

Основная единица измерения давления в системе СИ - это «Па» (Паскаль):

1 Па = 1 Н / м 2 = 0,01 мбар [ 1 ]

Другие общепринятые единицы измерения давления и их соотношения приведены в Таблице 1:

Таблица 1
Единица измерения давления	бар	мбар	мм. рт. ст.	м вод. ст.	Па	кПа	МПа	атм.	ат.	кгс/см 2	psi
Бар (bar)	1	1000	750	10,2	100 000	100	0,1	0,9869	1,02	1,02	14,5

Атмосферное давление - это давление, которое оказывает масса воздушного столба, как смесь газов, простирающихся на высоту более 1000 км от уровня поверхности земли и океана. При этом надо понимать, что чем выше от поверхности моря находится точка измерения этого атмосферного давления, тем атмосфера менее сконцентрирована, тем смесь газов реже (как бы их масса разбавляется в огромном увеличивающемся с высотой объёме) и, как следствие, давление этой смеси газов падает с подъёмом на высоту (см. Рис. 2). Почему? Просто так издавна утроена планета Земля, вокруг которой существует атмосфера, как газовая аура вокруг шара. Благодаря этой атмосферной ауре живут организмы и проистекают самые жизненные реакции веществ, постоянно потребляющие кислород, и растения, которые этот кислород постоянно вырабатывают и восстанавливают т.н. кислородный атмосферный баланс. Самые яркие примеры - это ветер, горение (как процесс окисления) и дыхание живых организмов, животных, людей.

Кривая изменения атмосферного давления до высоты 12 км над уровнем моря показана на Рис. 3.

Земная атмосфера . Принято считать, что это смесь 14 основных «земных» газов (см. Рис. 1), из которых три составляют львиную долю, в целом более 99% (азот - более 78%, кислород - более 20%, паров воды может быть более 1%).

Земная атмосфера делится на зоны по параметрам давления и температуры: тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу (см. Рис. 4).

Вакуум - это всякое давление, величина которого ниже атмосферного. Нормальным атмосферным давлением в земных условиях принято считать абсолютное давление атмосферного столба на уровне поверхности мирового океана (моря). Это значение составляет 1013 мбар абс. «абс.» - здесь имеется в виду абсолютное давление, которое равно нулю в том случае, когда в объеме нет ни одной молекулы газов. Т.к. на поверхности земли, в её недрах и в атмосфере всегда есть газообразные вещества и пары жидких веществ, то абсолютный вакуум недостижим в земных условиях. Как бы быстро и хорошо не откачивались объемы современными вакуумными насосами, какими бы герметичными они бы ни были, в микроскопических шероховатостях стенок объемов всегда есть определенное количество молекул газов, которые невозможно удалить из этих микрорельефов. Кроме того, при давлении на стенки сосудов извне всегда есть проскакивающие, как бы просачивающиеся сквозь сито, внутрь молекулы газов, даже сквозь твёрдые кристаллические решетки металлов. В закрытых объёмах всегда есть явления газовой десорбции, т.е. выделения молекул газов со стенок объема вовнутрь, всегда есть микропоры и микротрещины, через которые газы проникают в зоны низкого давления. Всё это не позволяет получить абсолютный вакуум в земных условиях.

	Факты : Альпы - это горный массив, пересекающий границы шести стран. В самом их сердце возвышается знаменитая гора Монблан, находящаяся на границе Франции и Италии. Сами Альпы представляют собой горную гряду, которая тянется по Европе почти 1200 км, в самом широком месте между итальянской Вероной и немецким Гармиш-Партенкирхеном имеет ширину около 260 км, занимая общую площадь в 190 тыс. кв. км. Альпы полностью или частично находятся на территории 8 стран. По доле общей площади государства, приходящейся на Альпы, эти страны располагаются следующим образом: Лихтенштейн (100%), Монако (100%), Австрия (65%), Швейцария (60%), Словения (40%), Италия (17%), Франция (7%), Германия (3%).
	Факты : Эверест, она же Джомолунгма - высочайшая вершина в мире, высота этой горы составляет 8848 метров. Эверест расположен в Гималайских горах, которые протягиваются по Тибетскому нагорью и Индо-Гангской равнине на территории нескольких стран: Непала, Индии, Бутана, Китая. Вершина Эвереста расположена на территории Китая, но сама гора находится на китайско-непальской границе.
	Факты : В гражданской и военной авиации очень важно поддерживать атмосферное давление внутри самолета, т.к. при поднятии его на любую высоту от поверхности Земли, давление за бортом падает, а это влечет за собой отток воздуха из салона самолета во внешнюю среду. Чтобы этого не происходило требуется выполнение двух основных условий нормального полета с лётчиком или пассажирами внутри: Корпус самолета должен быть герметичен (max отсутствие утечек воздуха наружу); - в корпус необходимо подавать воздух компрессорами под избыточным давлением, чтобы компенсировать всегда существующие утечки и микро утеки воздуха наружу. Если в военных самолётах можно решить проблему утечек индивидуальными масками пилотов, то в гражданских самолётах, где много пассажиров, создают специальные автоматизированные системы поддержания атмосферного давления.

Рис. 3. График снижения атмосферного давления с высотой над уровнем моря (от 0 до 12) км.

Рис. 4. Диаграмма распределения температуры воздуха в 4-х слоях атмосферного столба:
тропосфера (до 11 км), стратосфера (от 11 до 47 км), мезосфера (от 47 до 80 км), термосфера (свыше 80 км).

3. Градация вакуума по глубине (технические уровни вакуума).

Существует несколько методик по разбивке всей возможной шкалы низкого давления на различные интервалы (отрезки). Самые распространенные - это академическая градация и индустриальная градация.

Академический основан на оценке плотности (степени разрежения) газов по характеру движения их молекул в объёмах путем соизмерения длин пробега молекул между их столкновениями друг с другом и со стенками сосудов, т.е. соизмерения т.н. длин свободного пробега. Чем больше средняя длина свободного пробега молекулы, тем лучше вакуум. Так, например, если молекула газа в объёме успевает пролететь от стенки к стенке не соударяясь с другими молекулами, то это показатель того, что в таком объёме достигнут сверхвысокий вакуум.

Так как мы специализируемся на поставках оборудования для промышленных применений, то рассмотрим в этой статье индустриальный подход к разбивке вакуума на 4 класса (интервала). Этот метод соответствует европейскому стандарту DIN 28400. Классы вакуума приведены в Таблице 2.

Таблица 2
Технические уровни вакуума (classes)	Диапазон давлений (pressure range)
ФОРВАКУУМ (rough vacuum)	(от 1000 до 1) мбар абс.
СРЕДНИЙ ВАКУУМ (fine vacuum)	(от 1 до 10 -3) мбар абс.
ВЫСОКИЙ ВАКУУМ (high vacuum)	(от 10 -3 до 10 -7) мбар абс.
СВЕРХВЫСОКИЙ ВАКУУМ (ultrahigh vacuum)	(10 -7 и ниже) мбар абс.

4. Базовые законы ФИЗИКИ ГАЗА и уравнение состояния идеального газа.

	Закон Бойля-Мариотта. Закон Бойля-Мариотта был установлен английским физиком Робертом Бойлем в 1662 г. и независимо от него французским ученым Эдмом Мариоттом в 1679 г. и звучит так: Для данной массы газа при неизменной температуре произведение его давления p на объем V есть величина постоянная: PV = const [ 2 ] Этот закон также называется ЗАКОНОМ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА. Как пример: при постепенном росте объёма определенного количества газа, чтобы сохранить его температуру неизменной, давление газа должно также постепенно снижаться.
	Закон Гей-Люссака. Закон, связывающий объем газа V и его температуру T , был установлен французским ученым Жозефом Гей-Люссаком в 1802 г. Для данной массы газа при постоянном давлении отношение объёма газа к его температуре есть величина постоянная. VT = const [ 3 ] Этот закон еще называют ЗАКОНОМ ИЗОБАРНОГО ПРОЦЕССА. Как пример: при постепенном нагреве определенного количества газа, чтобы сохранить давление неизменным, газ должен также постепенно расширяться.
	Закон Шарля. Закон, связывающий давление газа p и его температуру T , установлен Жаком Шарлем в 1787 году. Для данной массы газа в закрытом герметичном объёме давление газа всегда прямо пропорционально его температуре. PT = const [ 4 ] Этот закон еще называют ЗАКОНОМ ИЗОХОРОГО ПРОЦЕССА. Как пример: при постепенном нагреве определенного количества газа в закрытом объёме, также постепенно будет расти и его давление.
Уравнение состояния идеального газа. Уравнение, позволяющее обобщить все три основных газовых закона термодинамики называется уравнением состояния идеального газа или уравнением Менделеева-Клапейрона. Оно дает взаимосвязь трёх важнейших макроскопических параметров, описывающих состояние идеального газа: давления p , объема V , температуры T ,- и имеет вид: [ 5 ] p ∗ V = Const = f, где f зависит от рода газа T или при записи в другом виде: [ 6 ] p ∗ V = m ∗ R∗T μ p - давление газа, Па (Н/м 2) V - объём газа, м 3 m - масса газа, кг μ - молярная масса газа R = 8,31 Дж/моль ∗ К - универсальная газовая постоянная, T - температура газа, °К (градусы абсолютной шкалы Кельвина). Под идеальным газом понимается газ, частицы которого являются не взаимодействующими на расстоянии материальными точками и испытывают абсолютно упругие соударения друг с другом и со стенками сосудов. Важно понимать, что все газовые законы работают для фиксированной массы (количества) газа. Законы эти хорошо работают для режимов вакуума и не приемлемы при очень высоких давлениях и температурах.

5. Конструктивные типы вакуумных насосов.

Если говорить об уровне вакуума и его использовании в промышленных и исследовательских целях, то:

В массовой мировой промышленности очень широко применяют форвакуум и средний вакуум;

В более редких высоких технологиях используют форвакуум, средний и высокий вакуум;

В лабораториях и исследованиях можно встретить все классы вакуума, в т.ч. и сверхвысокий.

Для получения всех классов в промышленности применяют различные конструкции вакуумных насосов, основные типы которых приведены в Таблице 3.

Таблица 3
Тип насоса	Конструктивный вид (схема)	Диапазон рабочих давлений
Мембранный вакуумный насос: 1 ступень откачки - 2 ступени откачки - 3 ступени откачки - 4 ступени откачки		Соответственно работа в диапазоне: От 100 мбар абс. до атмосферного давления - от 10 мбар абс. до атмосферного давления - от 2 мбар абс. до атмосферного давления - от 0,5 мбар абс. до атмосферного давления
Вихревая воздуходувка		от 600 мбар абс. до атмосферного давления
Двухроторнвя воздуходувка		от 400 мбар абс. до атмосферного давления
Сухой пластинчато-роторный вакуумный насос		от 150 мбар абс. до атмосферного давления
Водокольцевой вакуумный насос		от 33 мбар абс. до атмосферного давления
Сухой кулачковый вакуумный насос		от 20 мбар абс. до атмосферного давления
Пластинчато-роторный вакуумный насос с рецикркуляционной смазкой		от 0,5 мбар абс. до атмосферного давления
Сухой спиральный вакуумный насос
Сухой винтовой вакуумный насос		от 0,01 мбар абс. до атмосферного давления
2-х ступенчатый пластинчато-роторный вакуумный насос с масляной ванной		от 0,0005 мбар абс. до атмосферного давления
Сухой вакуумный насос Рутса (бустерный)		от 0,001 до 25 мбар абс.
Высоковакуумные насосы: Турбомолекулярные - диффузионные паромасляные - криогенные - магниторазрядные - сорбционные, ионные и гетероионные		от 10 -11 до 5 мбар абс.

В этом разделе основной акцент сделан на насосы для получения форвакуума, т.к. это самая востребованная ниша рынка вакуумного оборудования, и не только в России и странах СНГ, а и во всем мире.

Следует также знать, что высоковакуумные насосы не могут работать без вакуумных насосов фор- и среднего вакуума, т.к. они стартуют в работу только с пониженных давлений (как правило, со среднего вакуума) и выхлоп у них должен происходить в зону вакуума, иначе высокий и сверхвысокий вакуум недостижим. Т.о. форвакуумные насосы и насосы среднего вакуума востребованы во всех отраслях промышленности, высокотехнологичных сферах и в научных исследованиях.

Давления, измеренные на шкале, которая использует нулевое значение в качестве опорной точки, называются абсолютными давлениями. Атмосферное давление на поверхности Земли изменяется, но составляет приблизительно 10 5 Па (1000 мбар). Это абсолютное давление, потому что оно выражается в отношении нулевого.

Датчик предназначенный для измерения давления, выраженного в отношении атмосферного давления, и, таким образом, показывающий ноль, когда его измерительный порт содержит молекулы при атмосферном давлении. Измерения проводимые таким датчиком известны как измерение давления в относительном режиме. Таким образом, разница между значением абсолютного давления и значением избыточного является переменным значением атмосферного:

Абсолютное = избыточное + атмосферное.

Чтобы избежать серьезных ошибок, важно знать какой режим измерения вакуума используется: абсолютный или относительный. Обратите внимание, что эталонная линия для измерений калибровочной моды не является прямой, что иллюстрирует изменчивость атмосферного давления.

Единицы измерения вакуума и давления

Исторические единицы

К сожалению, в измерениях вакуума и давления существует множество единиц, что создает значительные проблемы как для новичков, так и для опытных специалистов. К счастью, жизнь становится легче, так как устаревшие и плохо определенные единицы исчезают в пользу единицы измерения СИ.

Многие старые единицы имеют очевидное практическое и историческое происхождение; Например, дюйм воды был единицей, используемой, когда давление измерялось водяным столбом, верхняя поверхность которого была видна на дюймовой шкале. Первоначально точность измерений вакуума, требуемая для таких систем, соответствовала довольно грубым методам измерения вакуума, и никто не беспокоился, была ли вода горячей или холодной. По мере роста технологических потребностей возникла потребность в более последовательных измерениях. Математические модели измерительных приборов были значительно усовершенствованы. Например, в одной традиционной схеме измерения вакуума ртутного барометра было принято для дифференциальных разложений между ртутью в колонне, стеклом, из которого изготовлена колонна, латунью, из которой изготовлена шкала, и стальным резервуаром. Однако даже с уточненными определениями и связанной с ними математикой многие традиционные единицы не могут использоваться в рамках современных технологий.

Единица измерения СИ

Единица измерения СИ - это паскаль, сокращенно обозначаемый Па, имя дано давлению одного ньютона на квадратный метр (Н/м 2). В то время как легко визуализировать один квадратный метр, один ньютон сложнее, но он примерно равен нисходящей силе, действующей на руку, когда держит маленькое яблоко (если держатель стоит на поверхности земли!) Что касается повседневной жизни, один паскаль представляет собой очень небольшую величину, при этом атмосферное составляет примерно 100 000 Па. На дне кастрюли, наполненной водой, давление из-за глубины воды будет примерно на 1000 Па больше, чем на поверхности воды. Чтобы избежать использования громоздких чисел, кратным 103 и 0,001 назначаются префиксы, так что, например, 100 000 Па (105 Па) могут быть записаны как 100 кПа или 0,1 МПа.

Единицы измерения вакуума и конвертация

Взаимоотношения между паскалем и некоторыми другими единицами показаны в таблице, но обратите внимание, что не все могут быть или могут быть точно выражены. Надстрочные римские цифры в таблице относятся к примечаниям, которые следуют за ней.

Методы измерения вакуума

Общие положения

В приборах для измерения вакуума используется ряд совершенно разных принципов. Некоторые из них имеют фундаментальный характер, например, измерение высоты столба жидкости с известной плотностью. Одним из таких примеров является ртутный барометр, в котором атмосферное давление может быть уравновешено столбом ртути. Расширение этой идеи для использования при высоких давлениях - использование металлических гирь, действующих над известной площадью, чтобы обеспечить силу, а не вес жидкости.

Часто вакуум может быть определено путем измерения механической деформации чувствительного элемента, который подвергается упругой деформации, когда изменяется разность давлений на его поверхностях. Механический прогиб может быть реализован и воспринят несколькими способами. Одним из наиболее распространенных типов движущихся механических элементов является эластичная диафрагма. Другим примером является труба Бурдона, где внутреннее давление вынуждает выпрямляться изогнутую трубку.

Такая механическая деформация может быть обнаружена несколькими способами: серией механических рычагов для непосредственного отображения деформации, измерения сопротивления в тензодатчике, измерения емкости, изменения частоты резонирующего элемента при растяжении или сжатии и т. д.

Когда вакуума глубокий и поэтому механическое отклонение слишком мало для измерения вакуума, используются косвенные средства, которые измеряют физические свойства, такие как теплопроводность, ионизация или вязкость, которые зависят от плотности числа молекул.

Столб жидкости

Один из самых ранних методов измерения вакуума, и все еще один из самых точных сегодня, состоит в том, что столб жидкости способен вытеснять жидкость из трубы.

Манометр, показанный на рисунке, представляет собой, по существу, заполненную жидкостью U-образную трубку, где вертикальное разделение поверхностей жидкости дает измерение разности давлений. На уровне нулевой точки d; давление L, обеспечивается жидкостью над ней, плюс давление p 2 в верхней части трубки. В равновесии колонка поддерживается восходящим давлением p 1 , которое передается через жидкость из другой конечности.

Давление p 1 на нижней поверхности жидкости определяется как:

Где h - вертикальная высота столбца жидкости выше уровня нулевой точки,P Плотность жидкости, g - локальное значение ускорения силы тяжести. Если верхняя труба соединена с атмосферой (р2 = атмосферное давление), то р1 является калибровочным давлением; Если верхняя труба вакуумирована (т. Е. Р2 = ноль), то р1 является абсолютным давлением и прибор становится барометром.

Ртуть, вода и масло используются в различных конструкциях манометра, хотя для барометрических целей всегда используется ртуть; Его плотность более чем в 13 раз превышает плотность воды или масла, и поэтому требуется гораздо более короткая колонна. Около 0,75 м при измерении атмосферного давления. Плотность ртути также значительно более стабильна, чем плотность других жидкостей.

Измерение вакуума путём деформации упругого элемента.

Когда давление приложено к деформирующему элементу, он будет двигаться. Для создания датчика давления перемещение должно быть достаточно маленьким, чтобы оставаться в пределе упругости материала, но достаточно большим, чтобы быть обнаруженным с достаточным разрешением. Поэтому при более низком давлении используются тонкие гибкие компоненты, а при более высоких давлениях - более жесткие. Существует несколько методов, используемых для определения степени отклонения. Они варьируются от механического усиления, производя видимое отклонение указателя до электронных методов обнаружения.

Перечисленные ниже инструменты включают не все типы, а те, которые обычно широко используются в промышленности.

Диафрагмы

Мембрана, прикрепленная к жесткому основанию, будет подвергаться воздействию силы, если между каждой стороной существует разница в давлении. Диафрагмы проще производить круглыми, но возможны и другие формы. Разность вызовет отклонение диафрагмы с максимальным отклонением в центре, и это отклонение можно измерить с помощью различных механических и электронных датчиков. Поскольку центр отклоняется, поверхность диафрагмы также напряжена и может показать, с одной стороны, сжимающие напряжения вокруг внешней кромки и растягивающие напряжения вокруг центральной части диафрагмы. Эта конфигурация напряжений может быть обнаружена с помощью тензодатчиков, и из этой информации можно рассчитать вакуум.

Капсулы. По существу капсулы изготавливаются из пары диафрагм, соединенных по их внешним краям. У одного будет центральная арматура, через которую поступает давление, а перемещение центра другой диафрагмы относительно первого определяется датчиком некоторого типа. Ясно, что действие двух диафрагм, действующих последовательно, должно удвоить отклонение.

Сильфоны. Не существует четкого различия между сильфоном и капсулами, но сильфоны обычно имеют несколько секций, последовательно уложенных друг в друга, и, как правило, гофры малы по сравнению с диаметром. Сильфоны могут быть свернуты из трубы, образованы под давлением или образованы из сварных элементов.

Трубка Бурдона

Существуют различные конструкции, но типичной формой является закрытая труба с овальным поперечным сечением, изогнутая вдоль ее длины. Когда трубка находится под давлением, на стремится выпрямиться, и датчик обнаруживает это движение. Они могут быть сконструированы для работы в широком диапазоне, а также в манометрическом, абсолютном и дифференциальном режимах. Доступны простые «C» - образные, спиральные и спиральные типы. Электронное обнаружение движения конца обычно используется с кварцевыми спиральными устройствами.

Измерения вакуума путём измерения теплопроводности

Для измерения вакуума можно использовать передачу энергии от горячей проволоки через газ. Тепло переносится в газе путем молекулярных столкновений с проволокой, т.е. теплопроводностью, а скорость передачи тепла зависит от теплопроводности газа. Таким образом, точность этих приборов имеет сильную зависимость от состава газа. В области глубокого вакуума, где имеется молекулярный поток (число Кнудсена больше 3, где число Кнудсена = длина свободного пробега / характерный размер системы), теплопередача пропорциональна вакууму. Когда число молекул увеличивается, газ становится более плотным, и молекулы начинают сталкиваться друг с другом чаще. В этой так называемой переходной области потока (или потока скольжения, 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.

Вакуумметры Пирани

Тепловые потери от провода (обычно от 5 до 20 мкм) могут быть определены косвенно с помощью мостовой схемы Уитстона, которая нагревает провод и измеряет его сопротивление и, следовательно, его температуру. Существует два основных типа нагреваемых элементов. Традиционная и гораздо более распространенная конфигурация состоит из тонкой металлической проволоки, подвешенной в измерительной головке. Другая конфигурация - микрообработанная структура, обычно изготовленная из кремния, покрытого тонкой металлической пленкой, такой как платина. В обычной конфигурации тонкая металлическая проволока подвешена, по меньшей мере, с одной стороны, электрически изолированной в измерительной головке и находящейся в контакте с газом. Вольфрам, никель, иридий или платина могут быть использованы для проволоки. Провод электрически нагревается, и теплопередача измеряется электронным способом. Существует три общих метода работы: метод постоянной температуры, мост с постоянным напряжением и мост с постоянным током. Все эти методы косвенно измеряют температуру провода по его сопротивлению. Основным недостатком использования датчиков Пирани является их сильная зависимость от состава газа и их ограниченная точность. Воспроизводимость датчиков Пирани, как правило, достаточно хороша до тех пор, пока не произойдет сильное загрязнение. Диапазон измерения вакуума датчиков Пирани составляет приблизительно от 10-2 Па до 105 Па, но наилучшие характеристики обычно получают между приблизительно 0,1 Па и 1000 Па.

Ионизационные датчики измерения вакуума

Когда вакуум в системе ниже приблизительно 0,1 Па (10 -3 мбар), прямые методы измерения вакуума с помощью таких средств, как отклонение диафрагмы или измерение свойств газа, таких как теплопроводность, уже не могут быть легко применимы, Поэтому необходимо прибегнуть к методам, которые в основном подсчитывают количество присутствующих молекул газа, т. е. измеряет плотность, а не вакуум. Из кинетической теории газов для данного газа с известной температурой Т давление р непосредственно связано с плотностью числа n через уравнение (в пределе идеального газа):

Где с - постоянная. Одним из наиболее удобных методов измерения плотности числа является использование некоторой методики ионизации молекул газа и последующего сбора ионов. В большинстве практических вакуумных датчиков для осуществления ионизации используются электроны с умеренной энергией (50 эВ до 150 эВ). Результирующий ионный ток напрямую связан с вакуумом и, таким образом, может быть выполнена калибровка. Последнее утверждение верно только в отношении конечного диапазона давлений, который определит рабочий диапазон прибора. Верхний предел давления будет достигнут, когда плотность газа будет достаточно большой, что при создании иона имеет значительную вероятность взаимодействия с молекулами нейтрального газа или свободными электронами в газе, так что ион сам нейтрализуется и не может достичь коллектора, для практических целей в типичных лабораторных системах или промышленных установках это можно принять за 0,1 Па (10 -3 мбар).

Нижний предел вакуума манометра будет достигнут, когда электрический ток утечки в измерительной головке или измерительной электронике станет сравнимым с измеряемым ионным током или когда другой физический эффект (например, влияние посторонних рентгеновских лучей) вызовет появление токов этого величина. Для большинства датчиков, описанных в Руководстве, эти пределы лежат ниже 10 -6 Па (10 -8 мбар).

Основным калибровочным уравнением для ионизационной калибровки является:

Ic - ионный ток K - постоянная, содержащая вероятность ионизации молекулы газа какими бы то ни было средствами и вероятность сбора результирующего иона n - плотность числа молекул газа Ie - ток ионизирующего электрона.

Вероятность ионизации молекулы газа будет зависеть от множества факторов, и поэтому ионизационный датчик будет иметь разные значения чувствительности для разных видов газа. Большинство практических вакуумных датчиков используют электронное воздействие для ионизации молекул газа, и это может быть достигнуто просто «кипящими» электронами от нити накаленной проволоки и притягивающей их к какому-то электронному коллектору. Затем ионы притягиваются к коллектору. К сожалению, вероятность ионизации молекулы газа электроном настолько мала за один проход в калибровке нормальных размеров, что необходимо увеличить длину пробега электронов и тем самым увеличить вероятность того, что какой-либо один электрон создает ион.

Широко используются два метода. В калибровочном ионизационном датчике горячего катода электроны, полученные в горячей нити накала, притягиваются к сетке, изготовленной из очень тонкой проволоки и при положительном электрическом потенциале. Поскольку сетка открыта, есть очень большая вероятность того, что электрон пройдет через сетку и не ударит провод. Если сетка окружена экраном с отрицательным электрическим потенциалом, электрон будет отражен этим экраном и будет притягиваться обратно к сетке. Этот процесс может происходить много раз, прежде чем электрон окончательно попадает в сетку. В результате очень длинные траектории электронов могут быть достигнуты в небольшом объеме. В противоположность этому, ионы притягиваются непосредственно в коллектор.

Ионизационная лампа с холодным катодом обходится без горячей нити и использует комбинацию электрических и магнитных полей. Любой электрон будет вращаться вокруг магнитных силовых линий до того, как он, в конечном счете, будет собран на положительно заряженном аноде. Фактически, длина пути будет такой большой, а вероятность ионизации настолько велика, что после запуска будет создан самоподдерживающийся газовый разряд, при условии, что ионы будут быстро вытесняться из области разряда ионным коллектором.

Выбор устройства для измерения вакуума

Прежде чем выбрать прибор для измерения вакуума и определить подходящего поставщика, важно установить критерии отбора. Они будут включать множество факторов, и этот раздел призван помочь потенциальному пользователю сделать выбор.

Глубина измерения вакуума

Характеристики среды

Внешняя среда

Физические характеристики прибора

Тип использования

Безопасность

Установка и обслуживание

Преобразование сигнала