Вимірювання вакууму 1

управління технологічними процесами в цілому.

Що таке тиск? Чи відрізняється вимір вакууму?

Тиск, як правило, є наслідком того, що молекули в газі або рідини впливають на навколишнє середовище? Зазвичай це стінки судини. Його величина залежить від сили ударів по певній площі; звідси з'явилися такі одиниці виміру: фунт сили на квадратний дюйм.

Співвідношення між тиском (р), зусиллям (F) і площею (А) визначається за формулою:

І ця формула працює при вимірюванні вакууму (наприклад космічний простір) і при вимірюванні надлишкового (в гідравлічних системах) Що ж таке вакуум? Його визначення не є точним, але зазвичай прийнято розуміти, що тиск нижче атмосферного. У нього немає окремих одиниць виміру.

Інше визначення відмінності між тиском і вакуумом - це галузі, які використовують і виробляють обладнання для вимірювання вакууму і тиску. У широкому сенсі, якщо сила на стінках вміщує судини достатня, щоб дозволити її вимір безпосередньо, ми маємо справу з вимірюванням тиску, але якщо сила дуже мала і має бути побічно виведена, ми знаходимося в області вимірювання вакууму.

Абсолютна і відносне вимірювання вакууму

Тиску, виміряні на шкалі, яка використовує нульове значення в якості опорної точки, називаються абсолютними тисками. Атмосферний тиск на поверхні Землі змінюється, але становить приблизно 10 5 Па (1000 мбар). Це абсолютний тиск, тому що воно виражається в відношенні нульового.

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

Абсолютна = надмірне + атмосферний.

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

Одиниці виміру вакууму і тиску

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

Багато старі одиниці мають очевидне практичне і історичне походження; Наприклад, дюйм води був одиницею, яка використовується, коли тиск вимірювався водяним стовпом, верхня поверхня якого була видна на дюймової шкалою. Спочатку точність вимірювань вакууму, необхідна для таких систем, відповідала досить грубим методам вимірювання вакууму, і ніхто не турбувався, чи була вода гарячої або холодної. У міру зростання технологічних потреб виникла потреба в більш послідовних вимірах. Математичні моделі вимірювальних приладів були значно вдосконалені. Наприклад, в одній традиційною схемою вимірювання вакууму ртутного барометра було прийнято для диференціальних розкладів між ртуттю в колоні, склом, з якого виготовлена ​​колона, латунню, з якої виготовлена ​​шкала, і сталевим резервуаром. Однак навіть з уточненими термінами і пов'язаної з ними математикою багато традиційних одиниці не можуть використовуватися в рамках сучасних технологій.

Одиниця виміру СІ

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

Одиниці виміру вакууму і конвертація

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

Методи вимірювання вакууму

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

Часто вакуум може бути визначено шляхом вимірювання механічної деформації чутливого елемента, який піддається пружною деформації, коли змінюється різниця тисків на його поверхнях. Механічний прогин може бути реалізований і сприйнятий декількома способами. Одним з найбільш поширених типів рухомих механічних елементів є еластична діафрагма. Іншим прикладом є труба Бурдона, де внутрішній тиск змушує випрямлятися вигнуту трубку.

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

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

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

Манометр, показаний на малюнку, є, по суті, заповнену рідиною U-подібну трубку, де вертикальний розподіл поверхонь рідини дає вимір різниці тисків. На рівні нульової точки d; тиск L, забезпечується рідиною над нею, плюс тиск p2 у верхній частині трубки. У рівновазі колонка підтримується висхідним тиском p1. яке передається через рідину з іншої кінцівки.

Тиск p1 на нижній поверхні рідини визначається як:

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

Ртуть, вода і масло використовуються в різних конструкціях манометра, хоча для барометричних цілей завжди використовується ртуть; Його щільність більш ніж в 13 разів перевищує щільність води або масла, і тому потрібно набагато коротша колона. Близько 0,75 м при вимірі атмосферного тиску. Щільність ртуті також значно більш стабільна, ніж щільність інших рідин.

Вимірювання вакууму шляхом деформації пружного елемента.

Коли тиск докладено до деформуючого елементу, він буде рухатися. Для створення датчика тиску переміщення повинно бути досить маленьким, щоб залишатися в межі пружності матеріалу, але досить великим, щоб бути виявленими з достатнім дозволом. Тому при більш низькому тиску використовуються тонкі гнучкі компоненти, а при більш високому тиску - більш жорсткі. Існує кілька методів, використовуваних для визначення ступеня відхилення. Вони варіюються від механічного посилення, виробляючи видиме відхилення покажчика до електронних методів виявлення.

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

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

Капсули. По суті капсули виготовляються з пари діафрагм, з'єднаних по їх зовнішніх краях. У одного буде центральна арматура, через яку надходить тиск, а переміщення центру інший діафрагми щодо першого визначається датчиком деякого типу. Ясно, що дія двох діафрагм, що діють послідовно, має подвоїти відхилення.

Сильфони. Не існує чіткого відмінності між сильфоном і капсулами, але сильфони зазвичай мають кілька секцій, послідовно покладених один в одного, і, як правило, гофри малі в порівнянні з діаметром. Сильфони можуть бути згорнуті з труби, утворені під тиском або утворені з зварних елементів.

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

Вимірювання вакууму шляхом вимірювання теплопровідності

Для вимірювання вакууму можна використовувати передачу енергії від гарячої дроту через газ. Тепло переноситься в газі шляхом молекулярних зіткнень з дротом, тобто теплопровідністю, а швидкість передачі тепла залежить від теплопровідності газу. Таким чином, точність цих приладів має сильну залежність від складу газу. В області глибокого вакууму, де є молекулярний потік (число Кнудсена більше 3, де число Кнудсена = довжина вільного пробігу / характерний розмір системи), теплопередача пропорційна вакууму. Коли число молекул збільшується, газ стає більш щільним, і молекули починають стикатися один з одним частіше. У цій так званій перехідній області потоку (або потоку ковзання, 0,01 <число Кнудсена <3) простая пропорция теплоотдачи к давлению не действительна. При еще более высоких давлениях (число Кнудсена <0,01) теплопроводность практически не зависит от него. Здесь конвекционное охлаждение горячих поверхностей обычно является основным источником теплообмена.

Теплові втрати від проводу (зазвичай від 5 до 20 мкм) можуть бути визначені побічно за допомогою мостової схеми Уитстона, яка нагріває дріт і вимірює його опір і, отже, його температуру. Існує два основних типи нагріваються елементів. Традиційна і набагато більш поширена конфігурація складається з тонкого металевого дроту, підвішеною в вимірювальної голівці. Інша конфігурація - мікрообработанная структура, зазвичай виготовлена ​​з кремнію, покритого тонкою металевою плівкою, такий як платина. У стандартній конфігурації тонкий металевий дріт підвішена, щонайменше, з одного боку, електрично ізольованою в вимірювальної голівці і знаходиться в контакті з газом. Вольфрам, нікель, іридій або платина можуть бути використані для дроту. Провід електрично нагрівається, і теплопередача вимірюється електронним способом. Існує три загальних методу роботи: метод постійної температури, міст з постійною напругою і міст з постійним струмом. Всі ці методи побічно вимірюють температуру дроти по його опору. Основним недоліком використання датчиків Пірані є їх сильна залежність від складу газу і їх обмежена точність. Відтворюваність датчиків Пірані, як правило, досить хороша до тих пір, поки не відбудеться сильне забруднення. Діапазон вимірювання вакууму датчиків Пірані становить приблизно від 10-2 Па до 105 Па, але найкращі характеристики зазвичай отримують між приблизно 0,1 Па і 1000 Па.

Іонізаційні датчики вимірювання вакууму

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

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

Нижня межа вакууму манометра буде досягнутий, коли електричний струм витоку в вимірювальної голівці або вимірювальної електроніці стане порівнянним з вимірюваним іонним струмом або коли інший фізичний ефект (наприклад, вплив сторонніх рентгенівських променів) викличе появу струмів цього величина. Для більшості датчиків, описаних в Керівництві, ці межі лежать нижче 10 -6 Па (10 -8 мбар).

Основним калібрувальним рівнянням для ионизационной калібрування є:

Ic - іонний струм K - постійна, яка містить ймовірність іонізації молекули газу якими б то не було засобами і ймовірність збору результуючого іона n - щільність числа молекул газу Ie - ток іонізуючого електрона.

Імовірність іонізації молекули газу буде залежати від безлічі факторів, і тому іонізаційний датчик буде мати різні значення чутливості для різних видів газу. Більшість практичних вакуумних датчиків використовують електронне вплив для іонізації молекул газу, і це може бути досягнуто просто «киплять» електронами від нитки напруженій дроту і притягує їх до якогось електронного колектора. Потім іони притягуються до колектора. На жаль, ймовірність іонізації молекули газу електроном настільки мала за один прохід в калібрування нормальних розмірів, що необхідно збільшити довжину пробігу електронів і тим самим збільшити ймовірність того, що який-небудь один електрон створює іон.

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

Іонізаційна лампа з холодним катодом обходиться без гарячої нитки і використовує комбінацію електричних і магнітних полів. Будь-електрон буде обертатися навколо магнітних силових ліній до того, як він, в кінцевому рахунку, буде зібраний на позитивно зарядженому аноді. Фактично, довжина шляху буде такий великий, а ймовірність іонізації настільки велика, що після запуску буде створено самоподдерживающийся газовий розряд, за умови, що іони будуть швидко витіснятися з області розряду іонним колектором.

Вибір пристрою для вимірювання вакууму

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

Глибина вимірювання вакууму