Что такое вакуумное давление
Информация о вакуумных системах и компонентах: понятие вакуума, примеры использования
Общая информация: понятие вакуума и единицы измерения
Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление. Основной единицей измерения давления в Международной системе (СИ) служит Паскаль (1 Па = 1Н/м 2 ). Однако, на практике встречаются и другие единицы измерения, такие как миллибары (1 мбар = 100Па) и Торры или миллиметры ртутного столба (1 мм.рт.ст. = 133,322 Па). Данные единицы не относятся к СИ, но допускаются для измерения кровяного давления.
Уровни вакуума
В зависимости от того, на сколько давление ниже атмосферного (101325 Па), могут наблюдаться различные явления, вследствие чего могут использоваться различные средства для получения и измерения такого давления. В наше время выделяют несколько уровней вакуума, каждый из которых имеет свое обозначение в соответствии с интервалами давления ниже атмосферного:
Данные уровни вакуума в зависимости от области применения разделяют на три производственные группы.
— Низкий вакуум: в основном используется там где требуется откачка большого количества воздуха. Для получения низкого вакуума используют электромеханические насосы лопастного типа, центробежного, насосы с боковым каналом, генераторы потока и т.д.
Низкий вакуум применяется, например, на фабриках шелкотрафаретной печати.
Такой уровень вакуума используется в основном при лиофилизации, металлизации и термообработке. В науке технический вакуум используется в качестве симуляции космического пространства.
Наивысшее значение вакуума на земле значительно меньше значения абсолютного вакуума, которое остается чисто теоретическим значением. Фактически, даже в космосе, несмотря на отсутствие атмосферы, имеется небольшое количество атомов.
Основным толчком к развитию вакуумных технологий послужили исследования в промышленной области. В настоящий момент существует большое количество применений в различных секторах. Вакуум используется в электролучевых трубках, лампах накаливания, ускорителях частиц, в металлургии, пищевой и аэрокосмической индустрии, в установках для контроля ядерного синтеза, в микроэлектронике, в стекольной и керамической промышленности, в науке, в промышленной роботехнике, в системах захвата с помощью вакуумных присосок и т.д.
Что такое вакуум и с чем его едят?
Рассмотрим для наглядности на примере, что такое вакуум и как его измеряют.
На нашей планете существует атмосферное давление, принятое за единицу (одна атмосфера). Оно меняется в зависимости от погода, от высоты над уровнем моря и так далее, но это мы не будем принимать во внимание, так как оно ни как не будет влиять на понятие вакуум в нашем случае. Итак, мы имеем давление на поверхности земли равное 1 атмосфере, все, что ниже 1 атмосферы и будет техническим вакуумом.
Возьмем какой нибудь сосуд и закроем его герметичной крышкой. Давление в сосуде будет равно 1 атмосфере. Если мы начнем откачивать из сосуда воздух, то в нем возникнет разряжение, которое и будет называться вакуумом.
Так как в сосуде всего одна атмосфера, то теоритически максимальный вакуум мы можем получить ноль атмосфер. Почему теоритически? Потому, что абсолютно все молекулы из сосуда выловить невозможно.
Поэтому в любом сосуде, в котором откачали воздух (газ) всегда остается какое то минимальное его количество. И это количество называется остаточным давлением, т.е. давление которое осталось в сосуде после откачки из него газов.
Существуют специальные насосы, которые могут достичь глубокого вакуума до 0,00001 Па, но все равно не до нуля.
Есть несколько вариантов измерения вакуума, которые зависят от выбора точки отсчета.
За единицу принимается атмосферное давление, т.е. все, что ниже атмосферного давления технический вакуум. Шкала вакууметра от 1,0 атм. до 0 атм.
Так шкалы могут быть в других единицах измерения, к примеру кПа, mBar и так далее, но все это аналогично шкалам в атмосферах. Но мы рекомендуем приобретать вакууметры все атки со шкалой кПа (Па), так как это соответствует международнйо системе измерения СИ.
На картинке показаны вакууметры с различными шкалами, но с одинаковым вакуумом.
Из всего сказанного выше видно, что величина вакуума не может быть больше атмосферного давления.
И они очень удивляются когда узнают, что это невозможно (кстати, каждый второй из них говорит, что «вы сами ничего не знаете», «а у соседа так» и т.д. и.т.п.)
На самом деле, все эти люди хотят формовать детали под вакуумом, но чтобы прижим детали был более 1 кг/см2 (1 атмосферы).
Этого можно достичь, если накрыть изделие плёнкой, откачать из под неё воздух (в этом случае, в зависимости от созданного вакуума, максимальный прижим составит 1 кг/см2 (1 атм=1 кг/см2)), и после этого поместить это всё в автоклав, в котором будет создано избыточное давление. То есть для создания прижима в 2 кг/см2, достаточно создать в автоклаве избыточное давление в 1 атм.
Теперь несколько слов о том, как многие клиенты измеряют вакуум:
включают насос, прикладывают палец (ладонь) к всасывающему отверстию вакуумного насоса и сразу делают вывод о величине вакуума.
Обычно, все очень любят сравнивать советский вакуумный насос 2НВР-5ДМ и предлагаемый нами его аналог VE-2100.
После такой проверки, всегда говорят одно и тоже – вакуум у 2НВР-5ДМ выше (хотя на самом деле оба насоса выдают одинаковые параметры по вакууму).
В чем же причина такой реакции? А как всегда – в отсутствии знаний законов физики и что такое давление вообще.
Немного ликбеза: давление «P» – это сила, которая действует на некоторую площадь поверхности, направленная перпендикулярно этой поверхности (отношение силы «F» к площади поверхности «S»), то есть P=F/S.
По-простому – это сила, распределённая по площади поверхности.
Из этой формулы видно, что чем больше площадь поверхности, тем меньше будет давление. А также сила, которая потребуется для отрыва руки или пальца от входного отверстия насоса, прямо пропорциональна величине площади поверхности (F=P*S).
Диаметр всасывающего отверстия у вакуумного насоса 2НВР-5ДМ – 25 мм (площадь поверхности 78,5 мм2).
Диаметр всасывающего отверстия у вакуумного насоса VE-2100 – 6 мм (площадь поверхности 18,8 мм2).
То есть для отрыва руки от отверстия диаметром 25 мм, требуется сила в 4,2 раза большая, чем для диаметра отверстия 6 мм (при одинаковом давлении).
Именно по этому, когда вакуум измеряют пальцами, получается такой парадокс.
Давление «P», в этом случае, рассчитывается как разница между атмосферным давлением и остаточным давлением в сосуде (то есть вакуумом в насосе).
Как посчитать силу прижима какой-либо детали к поверхности?
Очень просто. Можно воспользоваться формулой приведенной выше, но попробуем объяснить попроще.
Например, пусть требуется узнать, с какой силой может быть прижата деталь размером 10х10 см при создании под ней вакуума насосом ВВН 1-0,75.
Берём остаточное давление, которое создаёт этот вакуумный насос серии ВВН.
Конкретно у этого водокольцевого насоса ВВН 1-0,75 оно составляет 0,4 атм.
1 атмосфера равна 1 кг/см2.
Площадь поверхности детали – 100 см2 (10см х10 см).
То есть, если создать максимальный вакуум (то есть давление на деталь будет 1 атм), то деталь прижмётся с силой 100 кг.
Так как у нас вакуум 0,4 атм, то прижим составит 0,4х100=40 кг.
Но это в теории, при идеальных условиях, если не будет подсоса воздуха и т.п.
Реально нужно это учитывать и прижим будет на 20…40% меньше в зависимости от типа поверхности, скорости откачки, и т.п.
Теперь пару слов о механических вакуумметрах.
Эти устройства показывают остаточное давление в пределах 0,05…1 атм.
То есть он не покажет более глубокого вакуума (будет всегда показывать «0»). Например, в любом пластинчато-роторном вакуумном насосе, по достижении его максимального вакуума, механический вакуумметр всегда будет показывать «0». Если требуется визуальное отображение значений остаточного давления, то нужно ставить электронный вакуумметр.
Часто к нам приходят клиенты, которые формуют детали под вакуумом (например, детали из композиционных материалов: углепластика, стеклопластика и т.п.), это нужно для того, чтобы во время формовки из связующего вещества (смолы) выходил газ и тем самым улучшались свойства готового продукта, а так же деталь прижималась к форме плёнкой, из-под которой откачивают воздух.
Встаёт вопрос: каким вакуумным насосом пользоваться – одноступенчатым или двухступенчатым?
Обычно думают, что раз вакуум у двухступенчатого выше, то и детали получаться лучше.
Вакуум у двухступенчатого насоса 0,2 Па, а у одноступенчатого 2 Па. Кажется, что раз разница в давлении в 10 раз, то и прижиматься деталь будет гораздо сильнее.
Но так ли это на самом деле?
1 атм = 100000 Па = 1 кг/см2.
Значит разница в прижиме плёнки при вакууме 0,2 Па и 2 Па составит 0,00018 кг/см2 (кому не лень – посчитает сам).
То есть, практически, разницы никакой не будет, т.к. выигрыш в 0,18 г в силе прижима погоды не сделает.
Что такое вакуумное давление
Вакуумом (от лат. vacuum — пустота) называют состояние газа или пара при давлении ниже атмосферного. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление. Вакууму обычно соответствует область давления ниже 10^5 Па.
Вакуумная техника — прикладная наука, изучающая проблемы получения н поддержания вакуума, проведения вакуумных измерений, а также вопросы разработки, конструирования и применения вакуумных систем и их функциональных элементов. Разреженные газы по своим свойствам практически не отличаются от идеальных. В технике вакуум создают с помощью вакуумных насосов различных принципов действия.
Интенсивность протекания физикокимических процессов в вакууме зависит от соотношения между числом столкновений молекул газа со стенками ограничивающего его сосуда и числом взаимных столкновений молекул, характеризующимся отношением средней длины λ свободного пути молекул к характерному (определяющему) линейному размеру I сосуда; это отношение, называемое числом, Киудсена Кп, положено в основу условного разделения областей вакуума на следующие диапазоны; низкий, средний, высокий и сверхвысокий.
Степень вакуума в откачиваемых сосудах определяется равновесным давлением, устанавливающимся под действием противоположных процессов — откачки газа насосом и поступления газа в рабочий объем вследствие натекания через неплотности, а также технологического газовыделения.
Низкий вакуум характеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пути молекул газа значительно меньше характерного линейного размера сосуда, существенного для рассматриваемого процесса. Низкому вакууму обычно соответствует область давлений от 10^5 до 100 Па.
Средний вакуум характеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пути молекул соизмерима с характерным линейным размером. Среднему вакууму обычно соответствует область давлений от 100 до 0,1 Па.
Высокий вакуум характеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пути молекул значительно превышает характерный линейный размер. Высокому вакууму обычно соответствует область давлений от 0,1 до 10-6 Па.
Сверхвысокий вакуум характеризуется давлением газа, прн котором не происходит заметного изменения свойств поверхности, первоначально свободной от адсорбированного газа, за время, существенное для рабочего процесса. Сверхвысокому вакууму обычно соответствует область давлений менее 10-6 Па.
Термины и определения
Основные термины, применяемые в вакуумной технике, соответствуют ГОСТ 5197—85 (СТ СЭВ 4751—84; СТ СЭВ 4839—84; СТ СЭВ 4840—84); ГОСТ 26790—85; ГОСТ 27758—88. Кроме того, приведены термины, широко распространенные в технической литературе.
Общие понятия
Газ — состояние вещества, при котором движение молекул практически не ограничено межмолекулярными силами, и вещество может занимать любое доступное пространство. В вакуумной технике этот термин широко
2 м3/с.
Закрытый преобразователь давления — преобразователь давления, электродная система которого заключена в герметизированный корпус и проводимость между ее центром и выходным сечением присоединительного патрубка меньше 2 · 10—2 м3/с.
Измерительный блок вакуумметра — часть вакуумметра, которая предназначена для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, и содержит блок питания и все электрические цепи, необходимые для работы прибора.
Отсчетное устройство вакуумметра — часть измерительного блока вакуумметра, предназначенного для регистрации значений измеряемого параметра.
Массспектрометр — прибор для количественного и (или) качественного определения состава и структуры веществ, изучения физикохимических процессов и явлений по массспектрам этих веществ.
Индикатор с разрядной трубкой — прозрачная газоразрядная трубка, позволяющая по цвету и форме свечения разряда определить вид газа и его давление.
Жидкостный вакуумметр — вакуумметр полного давления, действие которого основано на уравновешивании измеряемого давления или разиости давлений давлением столба жидкости.
Мобразный вакуумметр — жидкостный вакуумметр, состоящий из сообщающихся сосудов, давление в которых определяют по одному нлн нескольким уровням жидкости.
Деформационный вакуумметр — вакуумметр полного давления, действие которого основано на зависимости деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления.
Мембранный вакуумметр — деформационный вакуумметр, в котором чувствительным элементом ивляется мембрана илн мембранная коробка.
Компрессионный вакуумметр — жидкостный вакуумметр, в котором для измерения давления разреженного газа последний предварительно сжимается.
Вязкостный вакуумметр — вакуумметр полного давления, действие которого основано на зависимости вязкости разреженного газа от скорости движения в нем твердого тела и измеряемого давления.
Тепловой вакуумметр — вакуумметр полного, давления, действие которого основано на зависимости теплопроводности разреженного газа от давления.
Термопарный вакуумметр — тепловой вакуумметр, в котором использована зависимость электродвижущей силы термопары от измеряемого давления.
Вакуумметр сопротивления — тепловой вакуумметр, действие которого основано на зависимости электрического сопротивления нагреваемого током элемента от давления газа.
Термомолекулярный вакуумметр — вакуумметр полного давления, действие которого основано иа передаче чувствительному элементу суммарного импульса молекул газа, отражающихся от поверхностей с различными температурами.
Ионизационный вакуумметр — вакуумметр полного давления, действие которого основано на зависимости ионного тока, возникшего в газе в результате ионизации молекул разреженного газа, от давления.
Радиоизотопный ионизационный вакуумметр — ионизационный вакуумметр, в котором для ионизации газа применяют излучение радиоактивных источников.
Магнитный электроразрядный вакуумметр — ионизационный вакуумметр, действие которого основано иа зависимости тонного тока электрического разряда в магнитном поле от измеряемого давления.
Вакуумметр Пеннинга — магнитный электроразрядный вакуумметр, в преобразователе которого один из электродов состоит из двух соединенных между собой пластин, а другой (обычно анод) помещен между ними и имеет форму замкнутой рамки; при этом направление магнитного поля перпендикулярно плоскости анодной рамки.
Электронный ионизационный вакуумметр — ионизационный вакуумметр, в преобразователе которого газ ионизируется электронами, ускоряемыми электрическим полем.
Электронный ионизационный вакуумметр с осевым коллектором — электронный ионизационный вакуумметр с уменьшенным фоновым давлением благодаря использованию в качестве коллектора ионов тонкой проволоки, помещенной соосно с цилиндрической сеткой, и укрепленного снаружи сетки катода.
Экстракторный вакуумметр — электронный ионизационный вакуумметр, в преобразователе которого фоновой ток уменьшен использованием в качестве коллектора ионов короткой и гонкой проволоки, находящейся иа оси аиода и выведенной из области ионизации.
Электронный ионизационный вакуумметр с магнитным полем — электронный ионизационный вакуумметр, преобразователь давления которого представляет собой цилиндрический магнетрон, в котором под действием магнитного поля увеличены траектория электронов и число образующихся иоиов.
Радиочастотный массспектрометр — массспектрометр, в котором иоиы разделяются в радиочастотном продольном электрическом поле, образованном последовательно расположенными сетчатыми электродами (радиочастотными каскадами); при этом
к коллектору проходят только иоиы, ускоренные в радиочастотных каскадах.
Квадрупольный массспектрометр — массспектрометр, в котором иоиы разделяются в высокочастотном электрическом поле аиализагора, образованного четырьмя параллельными цилиндрическими электродами.
Монополярный массспектрометр — массспектрометр, в котором иоиы разделяются в высокочастотном электрическом поле анализатора, состоящего из двух электродов.
Массспектрометр с магнитным отклонением — массспектрометр, в котором ускоренные иоиы, имеющие разные массы, под действием магнитного поля движутся по различным круговым траекториям.
Циклоидальный массспектро
метр — массспектрометр, в котором иоиы разделяются скрещенными электрическим и магнитным полями, в которых они следуют по различным циклоидным траекториям, в результате чего иоиы фокусируются в разных точках в зависимости от отношения массы к заряду.
Омегатронный массспектрометр — массспектрометр, в котором иоиы разделяются при движении по спиральным траекториям, в радиочастотном электрическом и постоянном магнитном полях, перпендикулярных одно другому.
Времяпролетный массспектрометр — массспектрометр, в котором газ Ионизируется электронным пучком с импульсной модуляцией, и ускоряющиеся в пространстве дрейфа иоиы разделяются по времени прибытия иа коллектор в зависимости от отношения массы иоиа к заряду.
Диапазон измерений вакуумметра — область давлений, в который нормированы допускаемые погрешности измерений.
Чувствительность вакуумметра — отношение изменения сигнала иа выходе вакуумметра к вызывающему его изменению давления.
Эквивалентное азотное давление — давление чистого азота, которое давало бы показание вакуумметра, равное показанию, вызванному воздействующим иа него газом.
Фоновое давление вакуумметра — условное давление чистого азота, соответствующее такому же показанию ионизационного вакуумметра, как при остаточном токе, независящем от давления.
Техника течеискания
Курс обучения «Основы течеискания и вакуумной техники» 12–14 октября 2021 года
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова и ООО «ВАКТРОН» приглашают сотрудников предприятий принять участие в курсе повышения квалификации «Основы течеискания и вакуумной техники».
Программа является подготовительным курсом к аттестации персонала в области контроля герметичности по требованиям РОСТЕХНАДЗОР (СДАНК-01-2020, СДАНК-02-2020) и РОСАТОМ ГОСТ Р 50.05.01-2018, ГОСТ Р 50.05.11-2018.
По результатам обучения сотрудник получает удостоверение о повышении квалификации государственного образца по университетской программе дополнительного профессионального образования. Курс проводится согласно лицензии на образовательную деятельность №1103.
Проводимый экзаменационный контроль может быть учтен аттестационным центром для выдачи удостоверения на право подготовки заключений о контроле герметичности. Курс на практике подготовит к квалифицированной эксплуатации и обслуживанию современного вакуумного оборудования.
Занятия будут проходить в очной форме в отеле «Новый Петергоф», Санкт-Петербург, Петергоф, Санкт-Петербургский проспект, 34. Для слушателей семинара действуют специальные цены на бронирование номеров. Мест в группе – 15. Необходима предварительная регистрация. Регистрация участников: 8 (812) 989-04-49 доб.2, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Актуальная информация в телеграм ВАКТРОН.
Вакуум
Следует различать понятия физического вакуума и технического вакуума.
Содержание
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 
» border=»0″ />, связанной с их взаимными столкновениями в газе, и характерного линейного размера 
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 (
) ( 10 16 молекул на 1 см³ ). Обычно между атмосферным воздухом и высоковакуумным насосом стоит так называемый форвакуумный насос, создавая предварительное разрежение, поэтому низкий вакуум часто называют форвакуум. При дальнейшем понижении давления в камере увеличивается средняя длина свободного пробега λ молекул газа. При 
молекулы газа гораздо чаще сталкиваются со стенками, чем друг с другом. В этом случае говорят о высоком вакууме ( 10 −5 торр ) ( 10 11 молекул на 1 см³ ). Сверхвысокий вакуум соответствует давлению 10 −9 торр и ниже. В сверхвысоком вакууме, например, обычно проводятся эксперименты с использованием сканирующего туннельного микроскопа. Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже, в дальнем же космосе и вовсе может достигать 10 −16 торр и ниже ( 1 молекула на 1 см³ ).
Высокий вакуум в микроскопических порах некоторых кристаллов достигается уже при атмосферном давлении, поскольку диаметр поры гораздо меньше длины свободного пробега молекулы.
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. Высоковакуумные насосы являются сложными техническими приборами. Основные типы высоковакуумных насосов — это диффузионные насосы, основанные на увлечении молекул остаточных газов потоком рабочего газа, геттерные, ионизационные насосы, основанные на внедрении молекул газа в геттеры (например титан) и криосорбционные насосы (в основном для создания форвакуума).
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.
Вакуум является хорошим термоизолятором; перенос тепловой энергии в нём происходит лишь за счёт теплового излучения, конвекция и теплопроводность исключены. Это свойство используется для теплоизоляции в термосах (сосудах Дьюара), состоящих из ёмкости с двойными стенками, пространство между которыми вакуумированно.
Вакуум широко применяется в электровакуумных приборах — радиолампах (например, магнетронах микроволновых печей), электронно-лучевых трубках и т. п.
Физический вакуум
Под физическим вакуумом в квантовой физике понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. При этом такое состояние вовсе не обязательно соответствует пустоте: поле в низшем состоянии может быть, например, полем квазичастиц в твёрдом теле или даже в ядре атома, где плотность чрезвычайно высока. Физическим вакуумом называют также полностью лишённое вещества пространство, заполненное полем в таком состоянии. Такое состояние не является абсолютной пустотой. Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. В некоторых конкретных теориях поля вакуум может обладать нетривиальными топологическими свойствами. В теории могут существовать несколько различных вакуумов, различающихся плотностью энергии или другими физическими параметрами (в зависимости от применяемых гипотез и теорий). Вырождение вакуума при спонтанном нарушении симметрии приводит к существованию непрерывного спектра вакуумных состояний, отличающихся друг от друга числом голдстоуновских бозонов. Локальные минимумы энергии при разных значениях какого-либо поля, отличающиеся по энергии от глобального минимума, носят название ложных вакуумов; такие состояния метастабильны и стремятся распасться с выделением энергии, перейдя в истинный вакуум или в один из нижележащих ложных вакуумов.
Некоторые из этих предсказаний теории поля уже были успешно подтверждены экспериментом. Так, эффект Казимира [1] и лэмбовский сдвиг атомных уровней объясняется нулевыми колебаниями электромагнитного поля в физическом вакууме. На некоторых других представлениях о вакууме базируются современные физические теории. Например, существование нескольких вакуумных состояний (упомянутых выше ложных вакуумов) является одной из главных основ инфляционной теории Большого взрыва.