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Absoluter Druck, Überdruck, Vakuum. Grundlagen der Vakuumtechnik

Bei der Auswahl einer Vakuumpumpe (oder eines Kompressors) und der Beurteilung ihrer Eignung für den Einsatz in einer bestimmten Technologie werden zwei Hauptmerkmale herangezogen:

DRUCK
LEISTUNG

Die Vakuumpumpe oder der Kompressor, die ein potenzieller Anwender sucht, muss zunächst einmal den erforderlichen Druck bereitstellen. Dann besteht die Aufgabe darin, diesen Druck innerhalb einer bestimmten Zeitspanne zu erreichen. Die Geschwindigkeit, mit der der eingestellte Druckwert erreicht wird, wird durch das Saugvermögen der Vakuumpumpe bestimmt. In diesem Fall pumpen Gaskompressoren Gase und erzeugen Drücke über dem Atmosphärendruck. Vakuumpumpen erzeugen Drücke unterhalb des Atmosphärendrucks, d. h. ein Vakuum erzeugen.

In diesem Artikel wird darüber gesprochen niedriger Druck, d.h. über VAKUUM als wichtigstes technisches Merkmal aller Vakuumpumpen. Die Erzeugung oder Erzeugung eines Vakuums durch ein Gerät ist ein dynamischer Prozess zur Volumen- und Zeitsenkung des Atmosphärendrucks. Bei der Suche und Auswahl einer Vakuumpumpe anhand des Vakuumniveaus spricht man normalerweise von zwei druckbezogenen Merkmalen einer Vakuumpumpe:

ultimativer Restdruck (oder ultimatives Vakuum, ultimativer Druck)
Arbeitsdruck (oder Arbeitsvakuum, Arbeitsdruck)

Endgültiger Restdruck - Dies ist der beste (höchste) Vakuumwert, den die Konstruktion dieser Vakuumpumpe erreichen kann. Es ist wichtig zu verstehen, dass die Gaspumpleistung Null wird, wenn die Vakuumpumpe diese Vakuumgrenze erreicht, d. h. Das Pumpen stoppt, und in der Zukunft, wenn die Pumpe in Betrieb ist, wird dieser Wert des maximalen Drucks als ein bestimmter erreichter Gleichgewichtszustand des Systems „Pumpen-abgepumptes Volumen“ beibehalten.

Der Wert des maximalen Restdrucks wird in der Regel nur dann erreicht, wenn die Vakuumpumpe im „selbstfahrenden“ Modus arbeitet, d. h. mit verstopftem Einlassrohr. Dies lässt sich ganz einfach erklären: Wenn technologische Volumina (Behälter, Rohrleitungen, Verbindungen, Kammern usw.) an die Pumpe angeschlossen werden, kommt es immer wieder zu Undichtigkeiten (Lecks) oder Gasdesorptionsphänomenen, die es dem gepumpten Volumen nicht ermöglichen, das Maximum zu erreichen Vakuumwert, den die Pumpe selbst erzeugen kann.

Betriebsdruck - Hierbei handelt es sich um einen vorgegebenen Vakuumwert, der von einer Vakuumpumpe in einer bestimmten Technologie oder einem bestimmten Prozess bereitgestellt und aufrechterhalten werden muss.

Bei der Wahl einer Vakuumpumpe sollte deren maximaler Restdruck etwas besser sein als der Betriebsdruck. Dies scheint einen gewissen „Sicherheitsspielraum“ zu bieten, d. h. gewährleisten, dass mit dieser speziellen Vakuumpumpe der im Prozess erforderliche Druck erreicht wird.

2. Gasdruck im Volumen. Atmosphärendruck. Das Konzept des „VACUUM“.

Der Druck von Gasen in einem geschlossenen Volumen ist die Gesamtkraft, die durch Stöße (Stöße) sich ständig bewegender Gasmoleküle in die Wände des Volumens als Ergebnis ihrer ständigen Brownschen Bewegung und der Kollision untereinander und mit den festen Wänden des Volumens ausgeübt wird Schiff.

Die grundlegende SI-Einheit des Drucks ist „Pa“ (Pascal):

1 Pa = 1 N/m2 = 0,01 mbar [1]

Weitere allgemein anerkannte Druckeinheiten und ihre Beziehungen sind in Tabelle 1 aufgeführt:

Tabelle 1
Druckeinheit	Bar	mbar	mm. rt. Kunst.	M Wasser Kunst.	Pa	kPa	MPa	Geldautomat.	bei.	kgf/cm²	psi
Bar	1	1000	750	10,2	100 000	100	0,1	0,9869	1,02	1,02	14,5

Atmosphärendruck - Dies ist der Druck, den die Masse der Luftsäule als Gasgemisch ausübt, die sich bis zu einer Höhe von mehr als 1000 km von der Erd- und Meeresoberfläche aus erstreckt. Es sollte verstanden werden, dass je höher der Messpunkt dieses atmosphärischen Drucks von der Meeresoberfläche aus liegt, desto weniger konzentriert ist die Atmosphäre, desto seltener ist das Gasgemisch (als ob ihre Masse in einem riesigen Volumen verdünnt wäre, das mit der Höhe zunimmt) und Dadurch sinkt der Druck dieses Gasgemisches mit zunehmender Höhe (siehe Abb. 2). Warum? Es ist nur so, dass sich der Planet Erde seit langem verdreifacht hat, um den sich eine Atmosphäre befindet, wie eine Gasaura um eine Kugel. Dank dieser atmosphärischen Aura leben Organismen und es finden die lebenswichtigsten Reaktionen von Stoffen statt, die ständig Sauerstoff verbrauchen, und Pflanzen, die diesen Sauerstoff ständig produzieren und den sogenannten wiederherstellen. Luftsauerstoffhaushalt. Die auffälligsten Beispiele sind Wind, Verbrennung (als Oxidationsprozess) und die Atmung lebender Organismen, Tiere und Menschen.

Die Kurve der Änderungen des Luftdrucks bis zu einer Höhe von 12 km über dem Meeresspiegel ist in Abb. dargestellt. 3.

Erdatmosphäre . Es ist allgemein anerkannt, dass es sich um eine Mischung aus 14 „erdlichen“ Hauptgasen handelt (siehe Abb. 1), von denen drei den Löwenanteil ausmachen, insgesamt mehr als 99 % (Stickstoff – mehr als 78 %, Sauerstoff – mehr als). 20 %, Wasserdampf darf mehr als 1 % betragen.

Die Erdatmosphäre wird anhand von Druck- und Temperaturparametern in Zonen eingeteilt: Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre und Thermosphäre (siehe Abb. 4).

Vakuum - Dies ist jeder Druck, dessen Wert unter dem Atmosphärendruck liegt. Als normaler Atmosphärendruck unter terrestrischen Bedingungen gilt der absolute Druck der Atmosphärensäule auf der Oberfläche der Weltmeere (Meere). Dieser Wert beträgt 1013 mbar abs. "Abs." - hier meinen wir den absoluten Druck, der gleich Null ist, wenn sich kein einziges Gasmolekül im Volumen befindet. Weil Auf der Erdoberfläche, in ihren Tiefen und in der Atmosphäre befinden sich immer gasförmige Stoffe und Dämpfe flüssiger Stoffe, dann ist absolutes Vakuum unter irdischen Bedingungen unerreichbar. Egal wie schnell und gut die Volumina durch moderne Vakuumpumpen abgepumpt werden, egal wie dicht sie sind, in der mikroskopischen Rauheit der Wände der Volumina befindet sich immer eine gewisse Menge an Gasmolekülen, die aus diesen Mikroreliefs nicht entfernt werden können. Wenn von außen Druck auf die Wände von Gefäßen ausgeübt wird, schlüpfen außerdem immer Gasmoleküle wie durch ein Sieb ins Innere, selbst durch feste Kristallgitter aus Metallen. In geschlossenen Volumina kommt es immer zu Phänomenen der Gasdesorption, d.h. Durch die Freisetzung von Gasmolekülen aus den Wänden des Volumens nach innen entstehen immer Mikroporen und Mikrorisse, durch die Gase in Niederdruckzonen eindringen. All dies erlaubt es uns nicht, unter terrestrischen Bedingungen ein absolutes Vakuum zu erreichen.

Daten: Die Alpen sind ein Gebirge, das die Grenzen von sechs Ländern überschreitet. In ihrem Herzen erhebt sich der berühmte Berg Mont Blanc an der Grenze zwischen Frankreich und Italien.

Die Alpen selbst sind ein Gebirge, das sich über fast 1.200 km über Europa erstreckt; an seiner breitesten Stelle zwischen dem italienischen Verona und dem deutschen Garmisch-Partenkirchen ist es etwa 260 km breit und nimmt eine Gesamtfläche von 190.000 Quadratmetern ein. km. Die Alpen liegen ganz oder teilweise auf dem Territorium von 8 Ländern. Nach dem Anteil der Alpen an der Gesamtfläche des Staates sind dies folgende Länder: Liechtenstein (100 %), Monaco (100 %), Österreich (65 %), Schweiz (60 %), Slowenien ( 40 %), Italien (17 %), Frankreich (7 %), Deutschland (3 %).

Daten: Der Everest, auch Chomolungma genannt, ist der höchste Gipfel der Welt, die Höhe dieses Berges beträgt 8848 Meter. Der Everest liegt im Himalaya-Gebirge, das sich über das tibetische Plateau und die Indo-Ganges-Ebene auf dem Territorium mehrerer Länder erstreckt: Nepal, Indien, Bhutan, China.

Der Gipfel des Everest liegt in China, aber der Berg selbst liegt an der Grenze zwischen China und Nepal.

Daten: In der zivilen und militärischen Luftfahrt ist es sehr wichtig, den atmosphärischen Druck im Flugzeug aufrechtzuerhalten, weil... Wenn es von der Erdoberfläche auf eine beliebige Höhe angehoben wird, sinkt der Außendruck, was zu einem Luftaustritt aus der Flugzeugkabine in die Außenumgebung führt. Um dies zu verhindern, müssen zwei Grundvoraussetzungen für einen normalen Flug mit Pilot oder Passagieren im Flugzeug erfüllt sein:

Der Flugzeugkörper muss abgedichtet sein (maximal keine Luftlecks nach außen);
- Luft muss durch Kompressoren unter Überdruck in das Gehäuse zugeführt werden, um die immer vorhandenen Undichtigkeiten und Mikrolecks von Luft nach außen auszugleichen.

Lässt sich in Militärflugzeugen das Leckageproblem durch den Einsatz individueller Pilotenmasken lösen, so entstehen in Zivilflugzeugen mit vielen Passagieren spezielle automatisierte Systeme zur Aufrechterhaltung des Atmosphärendrucks.

Reis. 3. Diagramm der Abnahme des Luftdrucks mit der Höhe über dem Meeresspiegel (von 0 bis 12) km.

Reis. 4. Diagramm der Lufttemperaturverteilung in 4 Schichten der atmosphärischen Säule:
Troposphäre(bis zu 11 km), Stratosphäre(von 11 bis 47 km), Mesosphäre(von 47 bis 80 km), Thermosphäre(über 80 km).

3. Vakuumtiefenabstufung (technische Vakuumniveaus).

Es gibt verschiedene Methoden, die gesamte mögliche Tiefdruckskala in verschiedene Intervalle (Segmente) zu unterteilen. Am häufigsten sind akademische Abschlüsse und Industrieabschlüsse.

Akademisch basiert auf der Beurteilung der Dichte (Verdünnungsgrad) von Gasen anhand der Art der Bewegung ihrer Moleküle in Volumina, indem die Weglängen von Molekülen zwischen ihren Kollisionen untereinander und mit den Wänden von Gefäßen gemessen werden, d. h. sog. angemessen freie Weglängen. Je länger die mittlere freie Weglänge eines Moleküls ist, desto besser ist das Vakuum. Wenn es beispielsweise einem Gasmolekül in einem Volumen gelingt, von Wand zu Wand zu fliegen, ohne mit anderen Molekülen zusammenzustoßen, ist dies ein Indikator dafür, dass in diesem Volumen ein Ultrahochvakuum erreicht wurde.

Da wir uns auf die Lieferung von Geräten für industrielle Anwendungen spezialisiert haben, betrachten wir in diesem Artikel einen industriellen Ansatz zur Einteilung des Vakuums in 4 Klassen (Intervalle). Dieses Verfahren entspricht der europäischen Norm DIN 28400. Die Vakuumklassen sind in Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 2
Technische Vakuumniveaus (Klassen)	Druckbereich
VORVAKUUM (Grobvakuum)	(1000 zu 1) mbar abs.
MITTELVAKUUM (Feinvakuum)	(von 1 bis 10 -3) mbar abs.
HOHES VAKUUM	(10 -3 bis 10 -7) mbar abs.
Ultrahochvakuum	(10 -7 und darunter) mbar abs.

4. Grundgesetze der GASPHYSIK und die Zustandsgleichung eines idealen Gases.

Boyle-Marriott-Gesetz.

Das Boyle-Mariotte-Gesetz wurde 1662 vom englischen Physiker Robert Boyle und unabhängig davon 1679 vom französischen Wissenschaftler Edme Mariotte aufgestellt und lautet wie folgt:

Für eine gegebene Gasmasse bei konstanter Temperatur beträgt das Produkt aus ihrem Druck P pro Band V es gibt einen konstanten Wert:

PV = const [ 2 ]

Dieses Gesetz wird auch das GESETZ DES ISOTHERMISCHEN PROZESSES genannt.

Als Beispiel:

Wenn das Volumen einer bestimmten Gasmenge allmählich zunimmt, muss auch der Gasdruck allmählich abnehmen, um die Temperatur konstant zu halten.

Gay-Lussacs Gesetz.

Gesetz über die Gasmenge V und seine Temperatur T wurde 1802 vom französischen Wissenschaftler Joseph Gay-Lussac gegründet.

Für eine gegebene Gasmasse bei konstantem Druck ist das Verhältnis des Gasvolumens zu seiner Temperatur ein konstanter Wert.

VT = const [ 3 ]

Dieses Gesetz wird auch das Gesetz des ISOBAR-Prozesses genannt.

Als Beispiel:

Wenn eine bestimmte Menge Gas allmählich erhitzt wird, muss sich das Gas ebenfalls allmählich ausdehnen, um den Druck konstant zu halten.

Charles' Gesetz.

Gesetz über den Gasdruck P und seine Temperatur T, 1787 von Jacques Charles installiert.

Für eine gegebene Gasmasse in einem geschlossenen, versiegelten Volumen ist der Gasdruck immer direkt proportional zu seiner Temperatur.

PT = const [ 4 ]

Dieses Gesetz wird auch das GESETZ DES ISOCHORISCHEN PROZESSES genannt.

Als Beispiel:

Wenn eine bestimmte Menge Gas in einem geschlossenen Volumen allmählich erhitzt wird, erhöht sich auch sein Druck allmählich.

Zustandsgleichung eines idealen Gases.

Die Gleichung, die es uns ermöglicht, alle drei grundlegenden Gasgesetze der Thermodynamik zu verallgemeinern, wird als ideale Gaszustandsgleichung oder Mendeleev-Clapeyron-Gleichung bezeichnet. Es gibt die Beziehung zwischen den drei wichtigsten makroskopischen Parametern an, die den Zustand eines idealen Gases beschreiben: Druck p, Volumen V, Temperatur T, und hat die Form:

[ 5 ]

p∗V	= Const = f, wobei f von der Gasart abhängt
T

oder in einer anderen Form geschrieben: [ 6 ]

p ∗ V =	M	∗R∗T
	μ

P- Gasdruck, Pa(N/m²)

V- Gasvolumen, m 3

M- Gasmasse, kg

μ - Molmasse des Gases

R = 8,31 J/mol ∗ K- Universelle Gas Konstante,

T- Gastemperatur, °K(Grad absolute Kelvin-Skala).

Ein ideales Gas ist ein Gas, dessen Teilchen materielle Punkte sind, die in der Ferne nicht interagieren und absolut elastische Stöße untereinander und mit den Gefäßwänden erfahren.

Es ist wichtig zu verstehen, dass alle Gasgesetze für eine feste Gasmasse (Menge) gelten.

Diese Gesetze funktionieren gut für Vakuumbedingungen und sind bei sehr hohen Drücken und Temperaturen nicht akzeptabel.

5. Bauarten von Vakuumpumpen.

Wenn wir über das Vakuumniveau und seine Verwendung für Industrie- und Forschungszwecke sprechen, dann:

In der globalen Massenindustrie werden Vorvakuum und Mittelvakuum sehr häufig eingesetzt;

In selteneren Hochtechnologien werden Vorvakuum, Mittel- und Hochvakuum verwendet;

In Labor und Forschung findet man alle Vakuumklassen, inkl. und super hoch.

Um alle Klassen zu erreichen, werden in der Industrie verschiedene Bauformen von Vakuumpumpen eingesetzt, deren Haupttypen in Tabelle 3 aufgeführt sind.

Tisch 3
Pumpentyp	Strukturansicht (planen)	Betriebsdruckbereich
Membran-Vakuumpumpe: 1 Pumpstufe - 2 Pumpstufen - 3 Pumpstufen - 4 Pumpstufen		Arbeiten Sie dementsprechend im Bereich: Ab 100 mbar abs. bis zum atmosphärischen Druck - ab 10 mbar abs. bis zum atmosphärischen Druck - ab 2 mbar abs. bis zum atmosphärischen Druck - ab 0,5 mbar abs. bis zum atmosphärischen Druck
Wirbelgebläse		ab 600 mbar abs. bis zum atmosphärischen Druck
Doppelrotorgebläse		ab 400 mbar abs. bis zum atmosphärischen Druck
Trockener Flügelrotor Vakuumpumpe		ab 150 mbar abs. bis zum atmosphärischen Druck
Wasserring-Vakuumpumpe		ab 33 mbar abs. bis zum atmosphärischen Druck
Trockennocken-Vakuumpumpe		ab 20 mbar abs. bis zum atmosphärischen Druck
Drehschieber-Vakuumpumpe mit Umlaufschmierung		ab 0,5 mbar abs. bis zum atmosphärischen Druck
Trockene Scroll-Vakuumpumpe
Trockene Schraubenvakuumpumpe		ab 0,01 mbar abs. bis zum atmosphärischen Druck
2-stufige Ölbad-Drehschieber-Vakuumpumpe		ab 0,0005 mbar abs. bis zum atmosphärischen Druck
Roots-Trockenvakuumpumpe (Booster)		von 0,001 bis 25 mbar abs.
Hochvakuumpumpen: Turbomolekular - Diffusionsdampföl - kryogen - magnetische Entladung - Sorption, ionisch und heteroionisch		von 10 -11 bis 5 mbar abs.

In diesem Abschnitt liegt der Schwerpunkt auf Pumpen zur Erzeugung von Vorvakuum, denn... Dies ist die beliebteste Nische auf dem Markt für Vakuumausrüstung, und zwar nicht nur in Russland und den GUS-Staaten, sondern auf der ganzen Welt.

Sie sollten auch wissen, dass Hochvakuumpumpen nicht ohne Vor- und Mittelvakuumpumpen funktionieren können, weil Sie beginnen erst bei niedrigen Drücken (in der Regel bei mittlerem Vakuum) zu arbeiten und ihre Absaugung muss in der Vakuumzone erfolgen, da sonst Hoch- und Ultrahochvakuum nicht erreichbar ist. Das. Vorvakuum- und Mittelvakuumpumpen sind in allen Branchen, High-Tech-Bereichen und der wissenschaftlichen Forschung gefragt.

Der Zahlenwert des Drucks wird nicht nur durch das verwendete Einheitensystem, sondern auch durch den gewählten Bezugspunkt bestimmt. Historisch gesehen haben sich drei Druckreferenzsysteme entwickelt: Absolutdruck, Überschussdruck und Vakuum (Abb. 2.2).

Reis. 2.2. Druckwaagen. Zusammenhang zwischen Druck

Absolut, Überschuss und Vakuum

Absoluter Druck gemessen vom absoluten Nullpunkt (Abb. 2.2). Dieses System steht unter Atmosphärendruck. Daher ist der absolute Druck

Der absolute Druck ist immer ein positiver Wert.

Überdruck gemessen vom atmosphärischen Druck, d.h. vom bedingten Nullpunkt. Um vom absoluten zum Überdruck zu gelangen, muss der Atmosphärendruck vom absoluten Druck abgezogen werden, der in Näherungsberechnungen gleich 1 angenommen werden kann bei:

Manchmal wird Überdruck auch Überdruck genannt.

Vakuumdruck oder Vakuum sogenannter Mangel an atmosphärischem Druck

Überdruck bedeutet entweder einen Überdruck über dem Atmosphärendruck oder einen Mangel unter dem Atmosphärendruck. Es ist klar, dass Vakuum als negativer Überdruck dargestellt werden kann

Wie Sie sehen, unterscheiden sich diese drei Druckskalen entweder im Anfang oder in der Zählrichtung voneinander, obwohl die Zählung selbst im gleichen Einheitensystem erfolgen kann. Wird der Druck in technischen Atmosphären bestimmt, so ist die Bezeichnung der Druckeinheit ( bei) wird ein anderer Buchstabe zugewiesen, abhängig davon, welcher Druck als „Null“ angenommen wird und in welche Richtung die positive Zählung erfolgt.

Zum Beispiel:

Der absolute Druck beträgt 1,5 kg/cm2;

Der Überdruck beträgt 0,5 kg/cm2;

Das Vakuum beträgt 0,1 kg/cm2.

Meistens ist ein Ingenieur nicht am absoluten Druck interessiert, sondern an seinem Unterschied zum atmosphärischen Druck, da die Wände von Bauwerken (Tank, Rohrleitung usw.) normalerweise dem Unterschied zwischen diesen Drücken ausgesetzt sind. Geräte zur Druckmessung (Manometer, Vakuummeter) zeigen daher in den meisten Fällen direkt Überdruck bzw. Vakuum an.

Druckeinheiten. Wie aus der Definition des Drucks hervorgeht, stimmt seine Dimension mit der Dimension der Spannung überein, d.h. stellt die Kraftdimension dividiert durch die Flächendimension dar.

Die Druckeinheit im Internationalen Einheitensystem (SI) ist Pascal – der Druck, der durch eine Kraft verursacht wird, die gleichmäßig über eine dazu senkrechte Fläche verteilt ist, d. h. Neben dieser Druckeinheit werden vergrößerte Einheiten verwendet: Kilopascal (kPa) und Megapascal (MPa):

In der Technik werden teilweise weiterhin die technischen Einheitensysteme MKGSS (Meter, Kilogramm-Kraft, Sekunde, a) und physikalische Einheitensysteme GHS (Zentimeter, Gramm, Sekunde) verwendet. Es werden auch systemfremde Einheiten verwendet – technische Atmosphäre und Bar:

Man sollte die technische Atmosphäre auch nicht mit der physikalischen Atmosphäre verwechseln, die als Druckeinheit immer noch einigermaßen üblich ist:

2.1.3. Eigenschaften des hydrostatischen Drucks

Hydrostatischer Druck hat zwei Haupteigenschaften.

1. Anwesen. Die Kräfte des hydrostatischen Drucks in einer ruhenden Flüssigkeit sind immer entlang der Normalen zum Wirkungsbereich nach innen gerichtet, d.h. sind komprimierend.

Diese Eigenschaft kann durch Widerspruch bewiesen werden. Wenn wir davon ausgehen, dass die Kräfte normal nach außen gerichtet sind, dann ist dies gleichbedeutend mit dem Auftreten von Zugspannungen in der Flüssigkeit, die sie nicht wahrnehmen kann (dies ergibt sich aus den Eigenschaften der Flüssigkeit).

2. Eigentum. Die Größe des hydrostatischen Drucks ist an jedem Punkt der Flüssigkeit in alle Richtungen gleich, d. h. hängt nicht von der räumlichen Ausrichtung des Ortes ab, auf den es wirkt

wo sind hydrostatische Drücke in Richtung der Koordinatenachsen;

Das Gleiche in jede Richtung.

Um diese Eigenschaft zu beweisen, wählen wir ein Elementarvolumen in einer stationären Flüssigkeit in Form eines Tetraeders mit Kanten parallel zu den Koordinatenachsen und entsprechend gleich , Und (Abb. 2.3).

Reis. 2.3. Schema zum Nachweis der Immobilie

über die Unabhängigkeit des hydrostatischen Drucks von der Richtung

Lassen Sie uns die folgende Notation einführen: - hydrostatischer Druck, der auf eine Fläche senkrecht zur Achse wirkt;

Druck auf die Fläche senkrecht zur Achse;

Druck, der auf eine geneigte Fläche wirkt;

Der Bereich dieses Gesichts;

Flüssigkeitsdichte.

Schreiben wir die Gleichgewichtsbedingungen für das Tetraeder (wie für einen starren Körper) in Form von drei Kraftprojektionsgleichungen und drei Momentengleichungen:

Wenn das Volumen des Tetraeders im Grenzfall auf Null abnimmt, verwandelt sich das System der einwirkenden Kräfte in ein System von Kräften, die durch einen Punkt verlaufen, und somit verlieren die Momentengleichungen ihre Bedeutung.

Somit wirkt innerhalb des ausgewählten Volumens eine Einheitsmassenkraft auf die Flüssigkeit, deren Beschleunigungsprojektionen gleich sind , , Und . In der Hydraulik ist es üblich, Massenkräfte mit einer Masseneinheit in Beziehung zu setzen, und seitdem ist die Projektion einer Massenkrafteinheit numerisch gleich der Beschleunigung.

wobei ,, die Projektionen einer Einheitsmassenkraft auf die Koordinatenachsen sind;

Flüssigkeitsmasse;

Beschleunigung.

Erstellen wir eine Gleichgewichtsgleichung für das ausgewählte Flüssigkeitsvolumen in Richtung der Achse , unter Berücksichtigung der Tatsache, dass alle Kräfte entlang der Normalen auf die entsprechenden Bereiche innerhalb des Flüssigkeitsvolumens gerichtet sind:

Wo ist die Kraftprojektion aus dem hydrostatischen Druck?

Kraftübertragung durch Druck;

Gasmoleküle λ und charakteristische Größe des Mediums D. Unter D Der Abstand zwischen den Wänden der Vakuumkammer, der Durchmesser der Vakuumleitung usw. können berücksichtigt werden. Abhängig vom Wert des Verhältnisses λ/ D Es gibt niedriges (), mittleres () und hohes () Vakuum.

Es ist notwendig, zwischen Konzepten zu unterscheiden physikalisches Vakuum Und technisches Vakuum.

In der Praxis spricht man von einem stark verdünnten Gas technisches Vakuum. In makroskopischen Volumina ist ein ideales Vakuum in der Praxis nicht erreichbar, da bei einer endlichen Temperatur alle Materialien eine gesättigte Dampfdichte ungleich Null haben. Darüber hinaus lassen viele Materialien (einschließlich dicker Metall-, Glas- und anderer Gefäßwände) Gase durch. In mikroskopisch kleinen Volumina ist es jedoch prinzipiell möglich, ein ideales Vakuum zu erreichen.

Ein Maß für den Grad der Vakuumverdünnung ist die freie Weglänge der damit verbundenen Gasmoleküle gegenseitig Kollisionen im Gas und die charakteristische lineare Größe des Behälters, in dem sich das Gas befindet.

Streng genommen handelt es sich bei technischem Vakuum um ein Gas in einem Behälter oder einer Rohrleitung, dessen Druck geringer ist als der der umgebenden Atmosphäre. Einer anderen Definition zufolge kollidieren Gasmoleküle oder -atome nicht mehr miteinander und die gasdynamischen Eigenschaften werden durch viskose ersetzt (bei einem Druck von ca 1 Torr) über Leistung sprechen niedriges Vakuum() (10 16 Moleküle pro 1 cm³). Normalerweise befindet sich zwischen atmosphärischer Luft und der Hochvakuumpumpe eine sogenannte Vorvakuumpumpe, die ein Vorvakuum erzeugt, weshalb auch oft von Niedervakuum gesprochen wird Vorvakuum. Mit einem weiteren Druckabfall in der Kammer erhöht sich die mittlere freie Weglänge λ der Gasmoleküle. Wenn Gasmoleküle viel häufiger mit Wänden kollidieren als untereinander. In diesem Fall reden sie darüber Hochvakuum(10 −5 Torr) (10 11 Moleküle pro 1 cm³). Ultrahochvakuum entspricht einem Druck von 10 −9 Torr und darunter. Im Ultrahochvakuum beispielsweise werden Experimente typischerweise mit einem Rastertunnelmikroskop durchgeführt. Zum Vergleich: Der Druck im Weltraum ist mehrere Größenordnungen niedriger, während er im Weltraum sogar 10 −16 Torr und weniger erreichen kann (1 Molekül pro 1 cm³).

In den mikroskopisch kleinen Poren einiger Kristalle wird bereits bei Atmosphärendruck ein Hochvakuum erreicht, da der Porendurchmesser viel kleiner ist als die freie Weglänge des Moleküls.

Die zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Vakuums verwendeten Geräte werden Vakuumpumpen genannt. Getter werden verwendet, um Gase zu absorbieren und das erforderliche Vakuum zu erzeugen. Weiter gefasster Begriff Vakuumtechnik Dazu gehören auch Instrumente zur Messung und Steuerung des Vakuums, zur Manipulation von Objekten und zur Durchführung technologischer Vorgänge in einer Vakuumkammer usw. Hochvakuumpumpen sind komplexe technische Geräte. Die Haupttypen von Hochvakuumpumpen sind Diffusionspumpen, die auf der Mitnahme restlicher Gasmoleküle durch den Arbeitsgasstrom basieren, Getter, Ionisationspumpen, die auf der Einführung von Gasmolekülen in Getter (z. B. Titan) basieren, und Kryosorptionspumpen (hauptsächlich zur Erzeugung). ein Vorvakuum).

Es ist erwähnenswert, dass selbst in einem perfekten Vakuum bei einer endlichen Temperatur immer etwas Wärmestrahlung (Photonengas) vorhanden ist. So gelangt ein im idealen Vakuum befindlicher Körper früher oder später durch den Austausch thermischer Photonen in ein thermisches Gleichgewicht mit den Wänden der Vakuumkammer.

Vakuum ist ein guter Wärmeisolator; Die Übertragung von Wärmeenergie erfolgt darin ausschließlich durch Wärmestrahlung, Konvektion und Wärmeleitfähigkeit sind ausgeschlossen. Diese Eigenschaft wird zur Wärmedämmung bei Thermoskannen (Dewargefäßen) genutzt, die aus einem Behälter mit Doppelwänden bestehen, deren Zwischenraum evakuiert ist.

Vakuum wird häufig in elektrischen Vakuumgeräten verwendet – Radioröhren (z. B. Magnetrons von Mikrowellenherden), Kathodenstrahlröhren usw.

Physikalisches Vakuum

Unter dem physikalischen Vakuum versteht man in der Quantenphysik den niedrigsten (Grund-)Energiezustand eines quantisierten Feldes, das Impuls, Drehimpuls und andere Quantenzahlen Null aufweist. Darüber hinaus entspricht ein solcher Zustand nicht unbedingt der Leere: Das Feld im niedrigsten Zustand kann beispielsweise das Feld der Quasiteilchen in einem Festkörper oder sogar im Atomkern sein, wo die Dichte extrem hoch ist. Ein physikalisches Vakuum wird auch als Raum bezeichnet, der völlig frei von Materie ist und in diesem Zustand mit einem Feld gefüllt ist. Dieser Zustand ist keine absolute Leere. Die Quantenfeldtheorie besagt, dass gemäß der Unschärferelation ständig virtuelle Teilchen im physikalischen Vakuum entstehen und verschwinden: Es kommt zu sogenannten Nullpunktsfeldschwingungen. In einigen spezifischen Feldtheorien kann das Vakuum nicht triviale topologische Eigenschaften haben. Theoretisch können mehrere verschiedene Vakua existieren, die sich in der Energiedichte oder anderen physikalischen Parametern unterscheiden (abhängig von den verwendeten Hypothesen und Theorien). Die Entartung des Vakuums während der spontanen Symmetriebrechung führt zur Existenz eines kontinuierlichen Spektrums von Vakuumzuständen, die sich in der Anzahl der Goldstone-Bosonen voneinander unterscheiden. Lokale Energieminima bei unterschiedlichen Werten eines Feldes, die sich in ihrer Energie vom globalen Minimum unterscheiden, werden als falsches Vakuum bezeichnet. Solche Zustände sind metastabil und neigen dazu, unter Freisetzung von Energie zu zerfallen und in ein echtes Vakuum oder in eines der zugrunde liegenden falschen Vakua überzugehen.

Einige dieser feldtheoretischen Vorhersagen wurden bereits erfolgreich experimentell bestätigt. Somit werden der Casimir-Effekt und die Lamb-Verschiebung atomarer Niveaus durch Nullpunktschwingungen des elektromagnetischen Feldes im physikalischen Vakuum erklärt. Moderne physikalische Theorien basieren auf einigen anderen Vorstellungen über Vakuum. Beispielsweise ist die Existenz mehrerer Vakuumzustände (das oben erwähnte falsche Vakuum) eine der Hauptgrundlagen der Inflationstheorie des Urknalls.

siehe auch

Dielektrizitätskonstante des Vakuums
Vakuumdurchschnitt
Vakuumkondensat

Anwendungen:

Anmerkungen

Literatur

L. B. OkunÜber die Konzepte von Vakuum und Masse und die Suche nach Higgs (Englisch) // Moderne Physikbriefe A. - 2012. - Bd. 27. - S. 1230041. - DOI:10.1142/S0217732312300418 - arΧiv:1212.1031

Wikimedia-Stiftung. 2010.

Synonyme:

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- (vom lateinischen Vakuum, Leere) der Zustand eines Gases bei Drücken p, die niedriger als der Atmosphärendruck sind. Es gibt niedriges Vakuum (in Vakuumgeräten und -anlagen entspricht es einem Druckbereich p über 100 Pa), mittleres (0,1 Pa p 100 Pa), hohes (10 5 Pa p... ... Großes enzyklopädisches Wörterbuch

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Reis. 2.2. Druckwaagen. Zusammenhang zwischen Absolut-, Relativ- und Vakuumdruck

Der Absolutdruck wird vom absoluten Nullpunkt aus gemessen (Abb. 2.2). In diesem System herrscht der atmosphärische Druck . Daher ist der absolute Druck

Der absolute Druck ist immer ein positiver Wert.

Manchmal wird Überdruck auch Überdruck genannt.

Vakuumdruck oder Vakuum sogenannter Mangel an atmosphärischem Druck

Überdruck bedeutet entweder einen Überdruck über dem Atmosphärendruck oder einen Mangel unter dem Atmosphärendruck. Es ist klar, dass Vakuum als negativer Überdruck dargestellt werden kann

Zum Beispiel:

- der absolute Druck beträgt 1,5 kg/cm2;

- Überdruck beträgt 0,5 kg/cm2;

- Das Vakuum beträgt 0,1 kg/cm².

Die Druckeinheit im Internationalen Einheitensystem (SI) ist Pascal – der Druck, der durch eine Kraft verursacht wird, die gleichmäßig über eine dazu senkrechte Fläche verteilt ist, d. h. . Neben dieser Druckeinheit werden auch vergrößerte Einheiten verwendet: Kilopascal (kPa) und Megapascal (MPa).

Drücke, die auf einer Skala gemessen werden, die den Nullpunkt als Bezugspunkt verwendet, werden als absolute Drücke bezeichnet. Der atmosphärische Druck an der Erdoberfläche variiert, beträgt jedoch etwa 10 5 Pa (1000 mbar). Dies ist der absolute Druck, da er als Null ausgedrückt wird.

Ein Sensor, der den Druck im Verhältnis zum atmosphärischen Druck misst und somit Null anzeigt, wenn sein Messanschluss Moleküle bei atmosphärischem Druck enthält. Die von einem solchen Sensor durchgeführten Messungen werden als Relativdruckmessungen bezeichnet. Somit ist die Differenz zwischen dem absoluten Druckwert und dem Überdruckwert ein variabler atmosphärischer Wert:

Absolut = Überschuss + atmosphärisch.

Um schwerwiegende Fehler zu vermeiden, ist es wichtig zu wissen, welcher Vakuummessmodus verwendet wird: absolut oder relativ. Beachten Sie, dass die Referenzlinie für die Messungen im Kalibrierungsmodus nicht gerade ist, was die Variabilität des Atmosphärendrucks veranschaulicht.

Vakuum- und Druckgeräte

Historische Einheiten

Leider gibt es in der Vakuum- und Druckmessung eine Vielzahl unterschiedlicher Geräte, was sowohl für Einsteiger als auch für erfahrene Techniker erhebliche Herausforderungen mit sich bringt. Glücklicherweise wird das Leben einfacher, da veraltete und schlecht definierte Einheiten zugunsten der SI-Maßeinheit verschwinden.

Viele ältere Einheiten haben offensichtlich praktische und historische Ursprünge; Beispielsweise wurde der Zoll Wassersäule als Einheit verwendet, wenn der Druck an einer Wassersäule gemessen wurde, deren Oberfläche auf der Zollskala sichtbar war. Anfänglich entsprach die für solche Systeme erforderliche Genauigkeit der Vakuummessungen eher groben Methoden zur Vakuummessung, und es interessierte niemanden, ob das Wasser heiß oder kalt war. Da der Technologiebedarf gestiegen ist, ist auch der Bedarf an konsistenteren Messungen gewachsen. Mathematische Modelle von Messgeräten wurden deutlich verbessert. Beispielsweise wurden bei einem traditionellen Entwurf zur Messung des Vakuums eines Quecksilberbarometers unterschiedliche Zersetzungen zwischen dem Quecksilber in der Säule, dem Glas, aus dem die Säule hergestellt war, dem Messing, aus dem die Skala bestand, und dem Stahlbehälter übernommen. Doch selbst mit verfeinerten Definitionen und der damit verbundenen Mathematik können viele traditionelle Einheiten in der modernen Technologie nicht verwendet werden.

SI-Einheit

Die SI-Maßeinheit ist Pascal, abgekürzt Pa, die Bezeichnung für den Druck von einem Newton pro Quadratmeter (N/m2). Während sich ein Quadratmeter leicht vorstellen lässt, ist ein Newton schwieriger, aber er entspricht ungefähr der nach unten gerichteten Kraft, die auf die Hand ausgeübt wird, wenn man einen kleinen Apfel hält (wenn der Halter auf der Erdoberfläche steht!). Wie im Alltag Leben stellt ein Pascal eine sehr kleine Größe dar, während der Atmosphärendruck etwa 100.000 Pa beträgt. Am Boden einer mit Wasser gefüllten Pfanne ist der Druck aufgrund der Wassertiefe etwa 1000 Pa größer als an der Wasseroberfläche. Um die Verwendung unhandlicher Zahlen zu vermeiden, werden Vielfachen von 103 und 0,001 Präfixe zugewiesen, sodass beispielsweise 100.000 Pa (105 Pa) als 100 kPa oder 0,1 MPa geschrieben werden könnten.

Vakuumeinheiten und Umbau

Die Beziehungen zwischen Pascal und mehreren anderen Einheiten sind in der Tabelle aufgeführt. Beachten Sie jedoch, dass nicht alle genau ausgedrückt werden können. Hochgestellte römische Ziffern in einer Tabelle verweisen auf die darauf folgenden Anmerkungen.

Vakuummessmethoden

Allgemeine Bestimmungen

Vakuummessgeräte nutzen eine Reihe sehr unterschiedlicher Prinzipien. Einige davon sind grundlegender Natur, beispielsweise die Messung der Höhe einer Flüssigkeitssäule mit bekannter Dichte. Ein Beispiel dafür ist das Quecksilberbarometer, bei dem der atmosphärische Druck durch eine Quecksilbersäule ausgeglichen werden kann. Eine Erweiterung dieser Idee für den Einsatz bei hohen Drücken ist die Verwendung von Metallgewichten, die über eine bekannte Fläche wirken, um der Flüssigkeit Kraft statt Gewicht zu verleihen.

Vakuum kann häufig durch Messung der mechanischen Verformung eines Sensorelements bestimmt werden, das eine elastische Verformung erfährt, wenn sich der Druckunterschied über seine Oberflächen ändert. Mechanische Durchbiegung kann auf verschiedene Arten realisiert und wahrgenommen werden. Eine der häufigsten Arten beweglicher mechanischer Elemente ist die elastische Membran. Ein weiteres Beispiel ist ein Bourdon-Rohr, bei dem der Innendruck ein gebogenes Rohr dazu zwingt, sich zu begradigen.

Eine solche mechanische Verformung kann auf verschiedene Arten erfasst werden: durch eine Reihe mechanischer Arme zur direkten Anzeige der Verformung, durch Messung des Widerstands in einem Dehnungsmessstreifen, durch Messung der Kapazität, durch Änderung der Frequenz des Resonanzelements bei Dehnung oder Kompression usw.

Wenn das Vakuum tief ist und daher die mechanische Auslenkung zu gering ist, um das Vakuum zu messen, werden indirekte Mittel verwendet, um physikalische Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Ionisierung oder Viskosität zu messen, die von der Dichte der Anzahl der Moleküle abhängen.

Flüssigkeitssäule

Eine der frühesten Methoden zur Messung des Vakuums und auch heute noch eine der genauesten besteht darin, dass eine Flüssigkeitssäule in der Lage ist, Flüssigkeit aus einem Rohr zu drücken.

Das in der Abbildung dargestellte Manometer ist im Wesentlichen ein mit Flüssigkeit gefülltes U-Rohr, bei dem die vertikale Trennung der Flüssigkeitsoberflächen eine Druckdifferenzmessung ermöglicht. Auf der Ebene des Nullpunkts d; Der Druck L wird durch die Flüssigkeit darüber erzeugt, plus dem Druck p 2 am oberen Ende des Rohrs. Im Gleichgewicht wird die Säule durch einen Aufwärtsdruck p 1 gehalten, der durch die Flüssigkeit vom anderen Schenkel übertragen wird.

Der Druck p 1 auf der unteren Oberfläche der Flüssigkeit ist definiert als:

Dabei ist h die vertikale Höhe der Flüssigkeitssäule über dem Nullpunktniveau, P die Dichte der Flüssigkeit und g der lokale Wert der Erdbeschleunigung. Wenn das Oberrohr mit der Atmosphäre verbunden ist (p2 = Atmosphärendruck), dann ist p1 der Kalibrierdruck; Wenn das Oberrohr evakuiert ist (d. h. P2 = Null), dann ist P1 der absolute Druck und das Instrument wird zum Barometer.

Quecksilber, Wasser und Öl werden in verschiedenen Manometerkonstruktionen verwendet, obwohl Quecksilber immer für barometrische Zwecke verwendet wird; Seine Dichte ist mehr als 13-mal so groß wie die von Wasser oder Öl und erfordert daher eine viel kürzere Säule. Etwa 0,75 m bei der Messung des Atmosphärendrucks. Auch die Dichte von Quecksilber ist viel stabiler als die anderer Flüssigkeiten.

Vakuummessung durch Verformung eines elastischen Elements.

Wenn Druck auf ein sich verformendes Element ausgeübt wird, bewegt es sich. Um einen Drucksensor zu erstellen, muss die Verschiebung klein genug sein, um innerhalb der Elastizitätsgrenze des Materials zu bleiben, aber groß genug, um mit ausreichender Auflösung erfasst zu werden. Daher werden bei niedrigeren Drücken dünne, flexible Bauteile verwendet, bei höheren Drücken steifere. Es gibt verschiedene Methoden, um den Grad der Abweichung zu bestimmen. Diese reichen von der mechanischen Verstärkung, die einen sichtbaren Zeigerausschlag erzeugt, bis hin zu elektronischen Erkennungsmethoden.

Die unten aufgeführten Werkzeuge umfassen nicht alle Arten, sondern diejenigen, die in der Industrie häufig verwendet werden.

Membranen

Eine an einer starren Unterlage befestigte Membran wird einer Kraft ausgesetzt, wenn zwischen beiden Seiten ein Druckunterschied besteht. Es ist einfacher, Membranen rund herzustellen, es sind aber auch andere Formen möglich. Der Unterschied führt dazu, dass sich die Membran mit maximaler Auslenkung in der Mitte durchbiegt. Diese Auslenkung kann mithilfe verschiedener mechanischer und elektronischer Sensoren gemessen werden. Durch die Durchbiegung des Zentrums wird auch die Oberfläche der Membran beansprucht und kann einerseits Druckspannungen am äußeren Rand und Zugspannungen im mittleren Teil der Membran aufweisen. Mithilfe von Dehnungsmessstreifen lässt sich dieser Spannungsverlauf erfassen und daraus das Vakuum berechnen.

Kapseln. Im Wesentlichen bestehen die Kapseln aus einem Paar Membranen, die an ihren Außenkanten verbunden sind. Eine davon verfügt über eine zentrale Armatur, durch die der Druck ausgeübt wird, und die Bewegung der Mitte der anderen Membran relativ zur ersten wird durch eine Art Sensor bestimmt. Es ist klar, dass die Wirkung zweier in Reihe wirkender Membranen die Auslenkung verdoppeln sollte.

Balg. Es gibt keine klare Unterscheidung zwischen Bälgen und Kapseln, aber Bälge bestehen normalerweise aus mehreren in Reihe gestapelten Abschnitten und im Allgemeinen sind die Bälge im Verhältnis zum Durchmesser klein. Faltenbälge können aus einem Rohr gerollt, unter Druck geformt oder aus geschweißten Elementen geformt werden.

Rohrfeder

Es gibt verschiedene Ausführungen, die typische Form ist jedoch ein geschlossenes Rohr mit ovalem Querschnitt, das über die gesamte Länge gebogen ist. Wenn der Schlauch unter Druck steht, neigt er dazu, sich zu strecken, und der Sensor erkennt diese Bewegung. Sie können für den Betrieb in einem weiten Bereich sowie im Relativ-, Absolut- und Differentialmodus ausgelegt werden. Es sind einfache „C“-förmige, spiralförmige und spiralförmige Typen erhältlich. Die elektronische Endbewegungserkennung wird üblicherweise bei spiralförmigen Quarzgeräten verwendet.

Vakuummessungen durch Wärmeleitfähigkeitsmessungen

Zur Messung des Vakuums kann die Energieübertragung von einem heißen Draht durch ein Gas genutzt werden. Die Wärmeübertragung im Gas erfolgt durch molekulare Kollisionen mit dem Draht, d. h. Wärmeleitfähigkeit, und die Wärmeübertragungsrate hängt von der Wärmeleitfähigkeit des Gases ab. Daher hängt die Genauigkeit dieser Instrumente stark von der Gaszusammensetzung ab. Im Tiefvakuumbereich, in dem molekularer Fluss herrscht (Knudsen-Zahl größer als 3, wobei Knudsen-Zahl = mittlere freie Weglänge / charakteristische Größe des Systems), ist die Wärmeübertragung proportional zum Vakuum. Mit zunehmender Molekülzahl wird das Gas dichter und die Moleküle beginnen häufiger miteinander zu kollidieren. In diesem sogenannten Übergangsströmungsbereich (oder Gleitströmung, 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.

Pirani-Vakuummeter

Der Wärmeverlust eines Drahtes (typischerweise 5 bis 20 µm) kann indirekt mithilfe einer Wheatstone-Brückenschaltung bestimmt werden, die den Draht erwärmt und seinen Widerstand und damit seine Temperatur misst. Es gibt zwei Haupttypen von Heizelementen. Die traditionelle und viel häufigere Konfiguration besteht aus einem dünnen Metalldraht, der in einem Messkopf aufgehängt ist. Eine andere Konfiguration ist eine mikrobearbeitete Struktur, die normalerweise aus Silizium besteht, das mit einem dünnen Metallfilm wie Platin beschichtet ist. In einer typischen Konfiguration ist ein dünner Metalldraht an mindestens einer Seite elektrisch isoliert im Messkopf aufgehängt und steht in Kontakt mit dem Gas. Für den Draht können Wolfram, Nickel, Iridium oder Platin verwendet werden. Der Draht wird elektrisch erhitzt und der Wärmeübergang elektronisch gemessen. Es gibt drei allgemeine Betriebsmethoden: Konstanttemperaturmethode, Konstantspannungsbrücke und Konstantstrombrücke. Alle diese Methoden messen die Temperatur des Drahtes indirekt über seinen Widerstand. Der Hauptnachteil der Verwendung von Pirani-Sensoren ist ihre starke Abhängigkeit von der Gaszusammensetzung und ihre begrenzte Genauigkeit. Die Wiederholgenauigkeit von Pirani-Sensoren ist im Allgemeinen recht gut, solange keine starke Verschmutzung auftritt. Der Vakuummessbereich von Pirani-Sensoren liegt zwischen etwa 10-2 Pa und 105 Pa, die beste Leistung wird jedoch normalerweise zwischen etwa 0,1 Pa und 1000 Pa erzielt.

Ionisationssensoren zur Vakuummessung

Wenn das Vakuum im System unter ca. 0,1 Pa (10 -3 mbar) liegt, können direkte Methoden zur Messung des Vakuums mittels Auslenkung der Membran oder Messung von Gaseigenschaften wie der Wärmeleitfähigkeit nicht mehr einfach angewendet werden. Dies ist daher der Fall notwendig, auf Methoden zurückzugreifen, die grundsätzlich die Anzahl der vorhandenen Gasmoleküle zählen, also die Dichte und nicht das Vakuum messen. Aus der kinetischen Gastheorie geht hervor, dass für ein gegebenes Gas mit einer bekannten Temperatur T der Druck p über die folgende Gleichung direkt mit der Dichte der Zahl n zusammenhängt (im Grenzfall eines idealen Gases):

Wobei c eine Konstante ist. Eine der bequemsten Methoden zur Messung der Zahlendichte besteht darin, eine Technik zur Ionisierung von Gasmolekülen und zum anschließenden Sammeln der Ionen anzuwenden. Die meisten praktischen Vakuumsensoren verwenden Elektronen mittlerer Energie (50 eV bis 150 eV), um eine Ionisierung zu erreichen. Der resultierende Ionenstrom steht in direktem Zusammenhang mit dem Vakuum und somit kann eine Kalibrierung durchgeführt werden. Die letzte Aussage gilt nur für einen endlichen Druckbereich, der den Betriebsbereich des Geräts bestimmt. Die Obergrenze des Drucks wird erreicht, wenn die Dichte des Gases groß genug ist, dass bei der Bildung eines Ions eine erhebliche Wahrscheinlichkeit besteht, dass es mit neutralen Gasmolekülen oder freien Elektronen im Gas interagiert, sodass das Ion selbst neutralisiert wird und das Ion nicht erreichen kann Kollektor, für praktische Zwecke in typischen Laborsystemen oder in Industrieanlagen kann dieser mit 0,1 Pa (10 -3 mbar) angenommen werden.

Die Untergrenze des Vakuums eines Messgeräts wird erreicht, wenn der elektrische Leckstrom im Messkopf oder in der Messelektronik mit dem gemessenen Ionenstrom vergleichbar wird oder wenn ein anderer physikalischer Effekt (z. B. der Einfluss fremder Röntgenstrahlen) Ströme verursacht dieser Größenordnung erscheint. Bei den meisten in diesem Handbuch beschriebenen Sensoren liegen diese Grenzwerte unter 10 –6 Pa (10 –8 mbar).

Die grundlegende Kalibrierungsgleichung für die Ionisationskalibrierung lautet:

Ic – Ionenstrom K – Konstante, die die Wahrscheinlichkeit der Ionisierung eines Gasmoleküls auf irgendeine Weise und die Wahrscheinlichkeit, das resultierende Ion zu sammeln, enthält. n – Dichte der Anzahl der Gasmoleküle Ie – Strom des ionisierenden Elektrons.

Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Gasmolekül ionisiert, hängt von vielen Faktoren ab, weshalb ein Ionisationssensor für verschiedene Gasarten unterschiedliche Empfindlichkeitswerte aufweist. Die meisten praktischen Vakuumsensoren verwenden elektronische Stimulation, um Gasmoleküle zu ionisieren. Dies kann erreicht werden, indem man einfach Elektronen aus einem heißen Drahtfaden „kocht“ und sie zu einer Art elektronischem Kollektor anzieht. Die Ionen werden dann vom Kollektor angezogen. Leider ist die Wahrscheinlichkeit, ein Gasmolekül durch ein Elektron in einem einzigen Durchgang in einem Messgerät normaler Größe zu ionisieren, so gering, dass es notwendig ist, die Elektronenweglänge zu vergrößern und dadurch die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass ein Elektron ein Ion erzeugt.

Zwei Methoden werden häufig verwendet. Bei einem Kalibrier-Ionisationssensor mit heißer Kathode werden in einem heißen Glühfaden erzeugte Elektronen von einem Gitter aus sehr feinem Draht und einem positiven elektrischen Potenzial angezogen. Da das Netz offen ist, besteht eine sehr gute Chance, dass das Elektron das Netz passiert, ohne auf den Draht zu treffen. Wenn das Gitter von einem Schirm mit negativem elektrischem Potenzial umgeben ist, wird das Elektron von diesem Schirm reflektiert und vom Gitter zurückgezogen. Dieser Vorgang kann viele Male passieren, bevor das Elektron schließlich auf das Gitter trifft. Dadurch können sehr lange Elektronenbahnen in einem kleinen Volumen erreicht werden. Im Gegensatz dazu werden Ionen direkt in den Kollektor gezogen.

Eine Kaltkathoden-Ionisationslampe verzichtet auf einen heißen Glühfaden und nutzt eine Kombination aus elektrischen und magnetischen Feldern. Jedes Elektron dreht sich um die magnetischen Kraftlinien, bevor es schließlich an der positiv geladenen Anode gesammelt wird. Tatsächlich wird die Weglänge so lang und die Wahrscheinlichkeit einer Ionisierung so groß sein, dass nach dem Auslösen eine selbsterhaltende Gasentladung entsteht, sofern die Ionen durch den Ionenkollektor schnell aus dem Entladungsbereich verdrängt werden.

Auswahl eines Vakuummessgeräts

Bevor Sie ein Vakuumgerät auswählen und einen geeigneten Lieferanten identifizieren, ist es wichtig, Auswahlkriterien festzulegen. Dazu gehören viele Faktoren und dieser Abschnitt soll dem potenziellen Benutzer bei der Auswahl helfen.

Vakuummesstiefe

Umgebungsmerkmale

Außenumgebung

Physikalische Eigenschaften des Geräts

Art der Nutzung

Sicherheit

Installation und Wartung

Signalumwandlung

Typ