La valeur numérique de la pression est déterminée non seulement par le système d'unités adopté, mais également par le point de référence choisi. Historiquement, trois systèmes de référence de pression se sont développés : absolu, excédentaire et vide (Fig. 2.2).
Riz. 2.2. Échelles de pression. Relation entre la pression absolue, relative et sous vide
La pression absolue est mesurée à partir de zéro absolu(Fig. 2.2). Dans ce système, la pression atmosphérique 
. La pression absolue est donc
.
La pression absolue est toujours une valeur positive.
Surpression mesuré à partir de la pression atmosphérique, c'est-à-dire à partir du zéro conditionnel. Pour passer de la pression absolue à la surpression, il est nécessaire de soustraire la pression atmosphérique de la pression absolue, qui dans les calculs approximatifs peut être prise égale à 1. à:
.
Parfois surpression appelé manométrique.
Pression à vide ou vide appelé manque de pression atmosphérique
.
Une pression excessive indique soit un excès au-dessus de la pression atmosphérique, soit un déficit en dessous de la pression atmosphérique. Il est clair que le vide peut être représenté comme une surpression négative.
.
Comme on peut le constater, ces trois échelles de pression diffèrent les unes des autres soit au début, soit dans le sens du comptage, bien que le comptage lui-même puisse être effectué dans le même système d'unités. Si la pression est déterminée dans des atmosphères techniques, alors la désignation de l'unité de pression ( à) une autre lettre est attribuée, en fonction de la pression considérée comme « nulle » et de la direction dans laquelle le comptage positif est effectué.
Par exemple:
- la pression absolue est de 1,5 kg/cm2 ;
- la surpression est de 0,5 kg/cm2 ;
- le vide est de 0,1 kg/cm 2.
Le plus souvent, un ingénieur ne s'intéresse pas à la pression absolue, mais à sa différence avec la pression atmosphérique, puisque les parois des structures (réservoir, pipeline, etc.) subissent généralement la différence entre ces pressions. Par conséquent, dans la plupart des cas, les instruments de mesure de pression (manomètres, vacuomètres) indiquent directement une surpression (jauge) ou un vide.
Unités de pression. Comme il ressort de la définition même de la pression, sa dimension coïncide avec la dimension de la contrainte, c'est-à-dire représente la dimension de la force divisée par la dimension de la surface.
L'unité de pression dans le Système international d'unités (SI) est le pascal - la pression provoquée par une force uniformément répartie sur une surface qui lui est normale, c'est-à-dire 
. Parallèlement à cette unité de pression, des unités agrandies sont utilisées : kilopascal (kPa) et mégapascal (MPa).
Et par technologie, ils entendent un milieu dans lequel le gaz est contenu sous une pression inférieure à la pression atmosphérique. Que sont les gaz raréfiés, quand ont-ils été découverts pour la première fois ?
Pages d'histoire
L'idée de vide est un sujet de controverse depuis de nombreux siècles. Les philosophes grecs et romains de l’Antiquité ont tenté d’analyser les gaz raréfiés. Démocrite, Lucrèce et leurs étudiants pensaient : s'il n'y avait pas d'espace libre entre les atomes, leur mouvement serait impossible.
Aristote et ses disciples ont réfuté ce concept : à leur avis, il ne devrait pas y avoir de « vide » dans la nature. Au Moyen Âge en Europe, l'idée de « peur du vide » est devenue une priorité et a été utilisée à des fins religieuses.
Mécanique La Grèce ancienne lors de la création de dispositifs techniques, ils étaient basés sur Par exemple, les pompes à eau, qui fonctionnaient en créant un vide au-dessus du piston, sont apparues à l'époque d'Aristote.
L'état raréfié du gaz, l'air, est devenu la base de la fabrication de pompes à vide à piston, aujourd'hui largement utilisées en technologie.
Leur prototype était la célèbre seringue à piston de Héron d'Alexandrie, créée par lui pour extraire le pus.
Au milieu du XVIIe siècle, la première chambre à vide fut développée et six ans plus tard, le scientifique allemand Otto von Guerick réussit à inventer la première pompe à vide.
Ce cylindre à piston pompait facilement l'air d'un récipient scellé et y créait un vide. Cela a permis d'étudier les principales caractéristiques du nouvel État et d'analyser ses propriétés opérationnelles.
Vide technique
En pratique, l’état raréfié du gaz et de l’air est appelé vide technique. Dans de grands volumes, il est impossible d'obtenir un tel état idéal, car à une certaine température, les matériaux ont une densité de vapeur saturée non nulle.
La raison de l'impossibilité d'obtenir un vide idéal est également la transmission de substances gazeuses par les parois en verre et en métal des récipients.
Il est tout à fait possible d'obtenir des gaz raréfiés en petites quantités. Comme mesure de raréfaction, la longueur du trajet sans entrave des molécules de gaz qui entrent en collision de manière aléatoire est utilisée, ainsi que la taille linéaire du récipient utilisé.
Entre la pompe à vide poussé et air atmosphérique un dépôt sous vide préalable est installé, ce qui crée un vide préalable. En cas de diminution ultérieure de la pression dans la chambre, on observe une augmentation de la longueur du trajet des particules de la substance gazeuse.
À des niveaux de pression de 10 à 9 Pa, un ultra-vide est créé. Ce sont ces gaz raréfiés qui sont utilisés pour mener des expériences à l'aide d'un microscope à effet tunnel.
Il est possible d'obtenir un tel état dans les pores de certains cristaux même à pression atmosphérique, car le diamètre des pores est bien inférieur à la longueur du trajet libre des particules.
Appareils basés sur le vide
L'état raréfié du gaz est activement utilisé dans des appareils appelés pompes à vide. Les getters sont utilisés pour absorber les gaz et obtenir un certain degré de vide. La technologie du vide implique également de nombreux appareils nécessaires au contrôle et à la mesure de cet état, ainsi qu'au contrôle des objets, à diverses opérations. processus technologiques. Le plus difficile appareils techniques, qui utilisent des gaz raréfiés, sont des pompes à vide poussé. Par exemple, les dispositifs de diffusion fonctionnent sur la base du mouvement de molécules de gaz résiduels sous l'influence d'un flux de gaz de travail. Même dans le cas d’un vide parfait, le rayonnement thermique est négligeable lorsque la température finale est atteinte. Ceci explique les propriétés fondamentales des gaz raréfiés, par exemple l'apparition de l'équilibre thermique après un certain intervalle de temps entre le corps et les parois. chambre à vide.
Le gaz monoatomique raréfié est un excellent isolant thermique. Dans celui-ci, le transfert d'énergie thermique s'effectue uniquement par rayonnement, la conductivité thermique et la convection n'y sont pas observées. Cette propriété utilisé dans (thermoses) constitués de deux récipients entre lesquels il y a un vide.
Le vide a également trouvé de nombreuses applications dans les tubes radio, par exemple les magnétrons des tubes cathodiques et les fours à micro-ondes.
Vide physique
En physique quantique, cet état désigne l'état d'énergie fondamental (le plus bas) champ quantique, qui est caractérisé par des valeurs nulles
Dans cet état, un gaz monoatomique n’est pas complètement vide. Selon théorie des quanta, dans le vide physique, des particules virtuelles apparaissent et disparaissent systématiquement, ce qui provoque des oscillations de champ nulles.
Théoriquement, plusieurs vides différents peuvent exister simultanément, qui diffèrent les uns des autres par leur densité d'énergie ainsi que par d'autres caractéristiques physiques. Cette idée est devenue la base de la théorie de l’inflation du big bang.
Faux vide
Il fait référence à un état de champ dans la théorie quantique qui n'est pas l'état d'énergie minimale. Elle est stable sur une certaine période de temps. Il existe une possibilité de « canalisation » d'un faux état dans un véritable vide lorsque les valeurs requises des grandeurs physiques de base sont atteintes.
Espace
Lorsqu'on discute de ce que signifie le gaz raréfié, il est nécessaire de s'attarder sur le concept de « vide cosmique ». Il peut être considéré comme proche d’un vide physique, mais existant dans l’espace interstellaire. Les planètes en ont satellites naturels, de nombreuses étoiles ont certaines forces gravitationnelles qui maintiennent leur atmosphère à une certaine distance. À mesure que l'on s'éloigne de la surface d'un objet stellaire, la densité du gaz raréfié change.
Par exemple, il y a la ligne Karman, qui est considérée comme une définition commune avec l’espace de la limite planétaire. Derrière lui, la pression isotrope du gaz diminue fortement par rapport à radiation solaire et la pression dynamique du vent solaire, il est donc difficile d'interpréter la pression du gaz raréfié.
Il existe de nombreux photons et neutrinos reliques dans l’espace qui sont difficiles à détecter.
Caractéristiques de mesure
Le degré de vide est généralement déterminé par la quantité de substance restant dans le système. La principale caractéristique de la mesure de cet état est la pression absolue ; en outre, elle prend en compte composition chimique gaz, sa température.
Un paramètre important pour le vide est la distance moyenne de déplacement des gaz restant dans le système. Il existe une division du vide en certaines plages selon la technologie nécessaire aux mesures : fausse, technique, physique.
Formage sous vide
Il s'agit de la production de produits à partir de matériaux thermoplastiques modernes sous forme chaude en utilisant basse pression action de l'air ou du vide.
Le formage sous vide est considéré comme une méthode d'étirage, à la suite de laquelle la feuille de plastique située au-dessus de la matrice est chauffée à une certaine valeur de température. Ensuite, la feuille reprend la forme de la matrice, cela s'explique par la création d'un vide entre elle et le plastique.
Appareils à électrovide
Ce sont des appareils conçus pour créer, amplifier et convertir l’énergie électromagnétique. Dans un tel dispositif, l'air est évacué de l'espace de travail et pour se protéger contre environnement une coque imperméable est utilisée. Des exemples de tels dispositifs sont les dispositifs électroniques à vide, dans lesquels les électrons sont libérés dans le vide. Les lampes à incandescence peuvent également être considérées comme des appareils électriques à vide.
Gaz à basse pression
Un gaz est dit raréfié si sa densité est insignifiante et si la longueur du trajet des molécules est comparable à la taille du récipient dans lequel se trouve le gaz. Dans un tel état, on observe une diminution du nombre d'électrons proportionnellement à la densité du gaz.
Dans le cas d'un gaz très raréfié, il n'y a pratiquement pas de frottement interne. Au lieu de cela, un frottement externe du gaz en mouvement contre les parois apparaît, ce qui s'explique par le changement de l'ampleur de l'impulsion des molécules lorsqu'elles entrent en collision avec le récipient. Dans une telle situation, il existe une proportionnalité directe entre la vitesse de déplacement des particules et la densité du gaz.
Dans le cas d'un vide poussé, on observe de fréquentes collisions entre particules de gaz en plein volume, qui s'accompagnent d'un échange stable d'énergie thermique. Ceci explique le phénomène de transfert (diffusion, conductivité thermique) et est activement utilisé dans la technologie moderne.
Obtention de gaz raréfiés
L’étude scientifique et le développement des instruments à vide ont commencé au milieu du XVIIe siècle. En 1643, l'Italien Torricelli réussit à déterminer la valeur de la pression atmosphérique, et après l'invention d'O. Guericke une pompe à piston mécanique avec un joint hydraulique spécial, réelle opportunité réaliser de nombreuses études sur les caractéristiques des gaz raréfiés. Parallèlement, les possibilités de l'effet du vide sur les êtres vivants ont été étudiées. Expériences réalisées sous vide avec decharge electrique, a contribué à la découverte de l’électron négatif, les rayons X.
Grâce à la capacité d'isolation thermique du vide, il est devenu possible d'expliquer les méthodes de transfert de chaleur et d'utiliser des informations théoriques pour le développement de la technologie cryogénique moderne.
Application sous vide
En 1873, le premier appareil électrique à vide est inventé. C'était une lampe à incandescence créée par le physicien russe Lodygin. C'est à partir de cette époque que l'utilisation pratique de la technologie du vide se développe et que de nouvelles méthodes pour obtenir et étudier cet état apparaissent.
En peu de temps, ils ont été créés différentes sortes Les pompes à vide:
- rotation;
- cryosorption;
- moléculaire;
- la diffusion.
Au début du XXe siècle, l'académicien Lebedev a réussi à améliorer les fondements scientifiques de l'industrie du vide. Jusqu'au milieu du siècle dernier, les scientifiques n'admettaient pas la possibilité d'obtenir une pression inférieure à 10-6 Pa.
Actuellement, ils sont entièrement métalliques pour éviter les fuites. Les pompes cryogéniques sous vide sont utilisées non seulement dans les laboratoires de recherche, mais également dans champs variés industrie.
Par exemple, après le développement de moyens de pompage spéciaux qui ne polluent pas l'objet utilisé, de nouvelles perspectives d'utilisation de la technologie du vide sont apparues. En chimie, de tels systèmes sont activement utilisés pour l'analyse qualitative et quantitative des propriétés de séparation d'un mélange en composants et pour l'analyse de la vitesse d'apparition de divers processus.
Les pressions mesurées sur une échelle utilisant zéro comme point de référence sont appelées pressions absolues. La pression atmosphérique à la surface de la Terre varie, mais elle est d'environ 10 5 Pa (1 000 mbar). Il s’agit d’une pression absolue car elle est exprimée en termes de zéro.
Capteur conçu pour mesurer une pression exprimée par rapport à la pression atmosphérique, et indiquant ainsi zéro lorsque son port de mesure contient des molécules à pression atmosphérique. Les mesures effectuées par un tel capteur sont dites mesures de pression relative. Ainsi, la différence entre la valeur de pression absolue et la valeur de surpression est une valeur atmosphérique variable :
Absolu = excès + atmosphérique.
Pour éviter de graves erreurs, il est important de savoir quel mode de mesure du vide est utilisé : absolu ou relatif. Notez que la ligne de référence pour les mesures du mode d'étalonnage n'est pas droite, illustrant la variabilité de la pression atmosphérique.
Unités de vide et de pression
Unités historiques
Malheureusement, il existe une grande variété d'unités de mesure du vide et de la pression, ce qui crée des défis importants tant pour les techniciens débutants que expérimentés. Heureusement, la vie devient plus facile à mesure que les unités obsolètes et mal définies disparaissent au profit de l’unité de mesure SI.
De nombreuses unités plus anciennes ont des origines pratiques et historiques évidentes ; Par exemple, le pouce d’eau était l’unité utilisée lorsque la pression était mesurée par une colonne d’eau dont la surface supérieure était visible sur l’échelle en pouces. Initialement, la précision des mesures de vide requise pour de tels systèmes correspondait à des méthodes de mesure du vide plutôt rudimentaires, et personne ne se souciait de savoir si l'eau était chaude ou froide. À mesure que les besoins technologiques ont augmenté, le besoin de mesures plus cohérentes est apparu. Modèles mathématiques les instruments de mesure ont été considérablement améliorés. Par exemple, dans une conception traditionnelle pour mesurer le vide d'un baromètre à mercure, des décompositions différentielles ont été adoptées entre le mercure dans la colonne, le verre à partir duquel la colonne a été fabriquée, le laiton à partir duquel la balance a été fabriquée et le réservoir en acier. Cependant, même avec des définitions raffinées et les mathématiques associées, de nombreuses unités traditionnelles ne peuvent pas être utilisées dans le cadre de la technologie moderne.
Unité SI
L'unité de mesure SI est le pascal, en abrégé Pa, nom donné à la pression d'un newton par mètre carré(N/m2). S'il est facile de visualiser un mètre carré, un newton est plus difficile, mais il est à peu près égal à la force vers le bas exercée sur la main lorsqu'elle tient une petite pomme (si le détenteur est posé à la surface de la terre !). Vie courante, un pascal est une très petite valeur, la pression atmosphérique étant d'environ 100 000 Pa. Au fond d'une casserole remplie d'eau, la pression due à la profondeur de l'eau sera d'environ 1000 Pa supérieure à celle à la surface de l'eau. Pour éviter l'utilisation de nombres compliqués, des multiples de 103 et 0,001 se voient attribuer des préfixes, de sorte que, par exemple, 100 000 Pa (105 Pa) pourrait être écrit sous la forme 100 kPa ou 0,1 MPa.
Unités de vide et conversion
Les relations entre le pascal et plusieurs autres unités sont indiquées dans le tableau, mais notez que toutes ne sont pas ou ne peuvent pas être exprimées avec précision. Les chiffres romains en exposant dans un tableau font référence aux notes qui le suivent.
Méthodes de mesure du vide
Dispositions générales
Les instruments de mesure du vide utilisent un certain nombre de principes très différents. Certains d'entre eux sont de nature fondamentale, par exemple la mesure de la hauteur d'une colonne de liquide de densité connue. Un tel exemple est le baromètre à mercure, dans lequel la pression atmosphérique peut être équilibrée par une colonne de mercure. Une extension de cette idée pour une utilisation dans hautes pressions- utilisation de poids métalliques agissant au-dessus zone connue pour fournir de la force plutôt que du poids au fluide.
Le vide peut souvent être déterminé en mesurant la déformation mécanique d'un élément de détection, qui subit une déformation élastique lorsque la différence de pression sur ses surfaces change. La déflexion mécanique peut être réalisée et perçue de plusieurs manières. L’un des types d’éléments mécaniques mobiles les plus courants est le diaphragme élastique. Un autre exemple est un tube de Bourdon, où la pression interne force un tube incurvé à se redresser.
Une telle déformation mécanique peut être détectée de plusieurs manières : par une série de bras mécaniques pour afficher directement la déformation, en mesurant la résistance dans une jauge de contrainte, en mesurant la capacité, en modifiant la fréquence de l'élément résonant lorsqu'il est étiré ou comprimé, etc.
Lorsque le vide est profond et que la déviation mécanique est donc trop faible pour mesurer le vide, des moyens indirects sont utilisés pour mesurer propriétés physiques, comme la conductivité thermique, l'ionisation ou la viscosité, qui dépendent de la densité du nombre de molécules.
Colonne de liquide
L’une des premières méthodes de mesure du vide, et encore aujourd’hui l’une des plus précises, consiste à utiliser une colonne de liquide pour forcer le liquide à sortir d’un tuyau.
Le manomètre illustré sur la figure est essentiellement un tube en U rempli de liquide dans lequel la séparation verticale des surfaces du liquide permet de mesurer la différence de pression. Au niveau du point zéro d ; la pression L est fournie par le liquide au-dessus, plus la pression p 2 au sommet du tube. En équilibre, la colonne est maintenue par une pression ascendante p 1, qui est transmise à travers le fluide depuis l'autre membre.
La pression p 1 sur la surface inférieure du liquide est définie comme :
Où h est la hauteur verticale de la colonne de liquide au-dessus du niveau du point zéro, P est la densité du liquide, g est la valeur locale de l'accélération de la gravité. Si le tube supérieur est connecté à l'atmosphère (p2 = pression atmosphérique), alors p1 est la pression d'étalonnage ; Si le tube supérieur est mis sous vide (c'est-à-dire P2 = zéro), alors P1 est la pression absolue et l'instrument devient un baromètre.
Le mercure, l'eau et l'huile sont utilisés dans diverses conceptions de manomètres, bien que le mercure soit toujours utilisé à des fins barométriques ; Sa densité est plus de 13 fois supérieure à celle de l’eau ou du pétrole et nécessite donc une colonne beaucoup plus courte. Environ 0,75 m lors de la mesure de la pression atmosphérique. La densité du mercure est également beaucoup plus stable que celle des autres liquides.
Mesure du vide par déformation d'un élément élastique.
Lorsqu’une pression est appliquée sur un élément déformant, celui-ci se déplace. Pour créer un capteur de pression, le déplacement doit être suffisamment petit pour rester dans la limite élastique du matériau, mais suffisamment grand pour être détecté avec une résolution suffisante. Par conséquent, à des pressions plus faibles, des composants minces et flexibles sont utilisés, et à des pressions plus élevées, des composants plus rigides sont utilisés. Il existe plusieurs méthodes utilisées pour déterminer le degré d'écart. Celles-ci vont du renforcement mécanique, produisant une déviation visible du pointeur, aux méthodes de détection électronique.
Les outils répertoriés ci-dessous n'incluent pas tous les types, mais ceux qui sont couramment utilisés dans l'industrie.
Diaphragmes
Une membrane fixée sur une base rigide sera soumise à une force s'il y a une différence de pression entre chaque côté. Il est plus simple de réaliser des diaphragmes ronds, mais d'autres formes sont également possibles. La différence entraînera une déviation du diaphragme avec une déviation maximale au centre, et cette déviation peut être mesurée à l'aide de divers capteurs mécaniques et électroniques. Lorsque le centre se déforme, la surface du diaphragme est également sollicitée et peut présenter, d'une part, des contraintes de compression autour du bord extérieur et des contraintes de traction autour de la partie centrale du diaphragme. Cette configuration de contrainte peut être détectée à l'aide de jauges de contrainte et le vide peut être calculé à partir de ces informations.
Capsules. Essentiellement, les capsules sont constituées d'une paire de diaphragmes reliés par leurs bords extérieurs. L'un aura un raccord central à travers lequel la pression est appliquée, et le mouvement du centre de l'autre diaphragme par rapport au premier est déterminé par un type de capteur. Il est clair que l'action de deux diaphragmes agissant en série devrait doubler la déflexion.
Soufflet. Il n'y a pas de distinction claire entre les soufflets et les capsules, mais les soufflets comportent généralement plusieurs sections empilées en série et sont généralement petits par rapport à leur diamètre. Les soufflets peuvent être roulés à partir d'un tuyau, formés sous pression ou formés d'éléments soudés.
Tube de Bourdon
Exister divers modèles, mais la forme typique est tuyau fermé de section ovale, courbée sur toute sa longueur. Lorsque le tube est sous pression, il a tendance à se redresser, et le capteur détecte ce mouvement. Ils peuvent être conçus pour fonctionner sur une large plage, ainsi qu’en modes jauge, absolu et différentiel. Des types simples en forme de « C », hélicoïdaux et hélicoïdaux sont disponibles. La détection électronique du mouvement final est couramment utilisée avec les dispositifs hélicoïdaux à quartz.
Mesures de vide par mesures de conductivité thermique
Pour mesurer le vide, le transfert d'énergie d'un fil chaud à travers un gaz peut être utilisé. La chaleur est transférée dans le gaz par collisions moléculaires avec le fil, c'est-à-dire conductivité thermique et le taux de transfert de chaleur dépend de la conductivité thermique du gaz. Ainsi, la précision de ces instruments dépend fortement de la composition du gaz. Dans la région du vide profond, où règne un écoulement moléculaire (nombre de Knudsen supérieur à 3, où nombre de Knudsen = libre parcours moyen / taille caractéristique du système), le transfert de chaleur est proportionnel au vide. À mesure que le nombre de molécules augmente, le gaz devient plus dense et les molécules commencent à entrer en collision plus souvent. Dans ce soi-disant région de transition débit (ou débit de glissement, 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.
Vacuomètres Pirani
La perte de chaleur d'un fil (généralement 5 à 20 µm) peut être déterminée indirectement en utilisant un circuit en pont de Wheatstone, qui chauffe le fil et mesure sa résistance et donc sa température. Il existe deux principaux types d'éléments chauffants. La configuration traditionnelle et beaucoup plus courante consiste en un mince fil métallique suspendu dans une tête de mesure. Une autre configuration est une structure micro-usinée, généralement constituée de silicium recouvert d'un mince film métallique tel que du platine. Dans une configuration typique, un mince fil métallique est suspendu à au moins un côté électriquement isolé dans la tête de mesure et en contact avec le gaz. Le tungstène, le nickel, l'iridium ou le platine peuvent être utilisés pour le fil. Le fil est chauffé électriquement et le transfert de chaleur est mesuré électroniquement. Il existe trois méthodes de fonctionnement générales : la méthode à température constante, le pont à tension constante et le pont à courant constant. Toutes ces méthodes mesurent indirectement la température du fil par sa résistance. Le principal inconvénient de l’utilisation des capteurs Pirani est leur forte dépendance à la composition du gaz et leur précision limitée. La répétabilité des capteurs Pirani est généralement assez bonne tant qu'une contamination grave ne se produit pas. La plage de mesure du vide des capteurs Pirani va d'environ 10-2 Pa à 105 Pa, mais les meilleures performances sont généralement obtenues entre environ 0,1 Pa et 1 000 Pa.
Capteurs d'ionisation pour la mesure du vide
Lorsque le vide dans le système est inférieur à environ 0,1 Pa (10 -3 mbar), les méthodes directes de mesure du vide par des moyens tels que la déflexion du diaphragme ou la mesure des propriétés du gaz telles que la conductivité thermique ne peuvent plus être facilement appliquées. Il est nécessaire de recourir à des méthodes qui comptent essentiellement le nombre de molécules de gaz présentes, c'est-à-dire qu'elles mesurent la densité plutôt que le vide. D'après la théorie cinétique des gaz, pour un gaz donné de température T connue, la pression p est directement liée à la densité du nombre n par l'équation (dans la limite d'un gaz parfait) :
Où c est une constante. L’une des méthodes les plus pratiques pour mesurer la densité numérique consiste à utiliser une technique d’ionisation des molécules de gaz, puis à collecter les ions. La plupart des capteurs à vide pratiques utilisent des électrons d'énergie modérée (50 eV à 150 eV) pour réaliser l'ionisation. Le courant ionique résultant est directement lié au vide et un étalonnage peut donc être effectué. Cette dernière affirmation n’est vraie que pour une plage de pression finie, qui déterminera la plage de fonctionnement de l’appareil. La limite supérieure de pression sera atteinte lorsque la densité du gaz est suffisamment grande pour que la création d'un ion ait une probabilité significative d'interagir avec des molécules de gaz neutres ou des électrons libres dans le gaz, de sorte que l'ion lui-même soit neutralisé et ne puisse pas atteindre la pression. collecteur, à des fins pratiques dans les systèmes de laboratoire typiques ou dans les installations industrielles, cela peut être pris comme 0,1 Pa (10 -3 mbar).
La limite inférieure du vide d'une jauge sera atteinte lorsque le courant de fuite électrique dans la tête de mesure ou l'électronique de mesure devient comparable au courant ionique mesuré, ou lorsqu'un autre effet physique (tel que l'influence de rayons X étrangers) provoque des courants de cette ampleur à apparaître. Pour la plupart des capteurs décrits dans ce manuel, ces limites sont inférieures à 10 -6 Pa (10 -8 mbar).
L'équation d'étalonnage de base pour l'étalonnage par ionisation est :
Ic - courant ionique K - constante contenant la probabilité d'ioniser une molécule de gaz par quelque moyen que ce soit et la probabilité de collecter l'ion résultant n - densité du nombre de molécules de gaz Ie - courant de l'électron ionisant.
La probabilité qu'une molécule de gaz s'ionise dépendra de nombreux facteurs et, par conséquent, un capteur d'ionisation aura différentes valeurs de sensibilité pour différents types de gaz. La plupart des capteurs de vide pratiques utilisent une stimulation électronique pour ioniser les molécules de gaz, ce qui peut être réalisé simplement en « faisant bouillir » les électrons d'un filament de fil chaud et en les attirant vers une sorte de collecteur électronique. Les ions sont ensuite attirés vers le collecteur. Malheureusement, la probabilité d’ioniser une molécule de gaz par un électron est si faible en un seul passage dans une jauge de taille normale qu’il est nécessaire d’augmenter la longueur du trajet électronique et ainsi d’augmenter la probabilité qu’un électron crée un ion.
Deux méthodes sont largement utilisées. Dans un capteur d'ionisation à étalonnage à cathode chaude, les électrons produits dans un filament chaud sont attirés vers une grille constituée de fil très fin et à un potentiel électrique positif. Puisque le maillage est ouvert, il y a de très fortes chances que l’électron traverse le maillage sans heurter le fil. Si la grille est entourée d’un écran avec un potentiel électrique négatif, l’électron sera réfléchi par cet écran et sera attiré vers la grille. Ce processus peut se produire plusieurs fois avant que l’électron n’atteigne finalement la grille. De très longues trajectoires d’électrons peuvent ainsi être réalisées dans un petit volume. En revanche, les ions sont attirés directement dans le collecteur.
Une lampe à ionisation à cathode froide se passe de filament chaud et utilise une combinaison de champs électriques et magnétiques. Tout électron tournera autour des lignes de force magnétiques avant d’être finalement collecté au niveau de l’anode chargée positivement. En fait, la longueur du trajet sera si longue et la probabilité d'ionisation si grande qu'après le déclenchement, une décharge de gaz auto-entretenue sera créée, à condition que les ions soient rapidement déplacés de la zone de décharge par le collecteur d'ions.
Choisir un appareil de mesure du vide
Avant de sélectionner un instrument à vide et d'identifier un fournisseur approprié, il est important d'établir des critères de sélection. Ceux-ci incluront de nombreux facteurs et cette section est destinée à aider l'utilisateur potentiel à faire un choix.
Profondeur de mesure du vide
Caractéristiques de l'environnement
Environnement externe
Caractéristiques physiques de l'appareil
Type d'utilisation
Sécurité
Installation et entretien
Conversion de signaux
1.1 .Termes et définitions de base
Le vide est l'état d'un gaz ou d'une vapeur à une pression inférieure à la pression atmosphérique. Une caractéristique quantitative du vide est la pression absolue (la différence entre l'atmosphère et le vide). La technologie du vide est une science appliquée qui considère les problèmes d'étude et de maintien du vide, ainsi que les problèmes de développement de la conception et d'application des systèmes de vide et de leurs éléments.
Le vide peut être : faible ; moyenne; haut; très haut.
Le vide faible et moyen est utilisé dans les applications d’éclairage. Élevé - utilisé dans la réception et l'amplification des tubes générateurs.
L'ultra-vide est utilisé en métallurgie (fusion et refusion sous vide) pour produire divers alliages, pour produire des substances ultra-pures, des semi-conducteurs, des diélectriques, etc. cristallisation (saphirs artificiels) ; soudage par diffusion (pour assembler des pièces en métaux avec des températures de fusion très différentes).
Industrie chimique - appareils de séchage sous vide, filtres à vide, appareils à cristallisation sous vide.
Production pour l'industrie électrique de câbles, moteurs électriques par imprégnation sous vide.
Industrie optique - production de miroirs (aluminisation sous vide), d'optiques revêtues, production de jumelles, de lunettes, etc.
Industrie alimentaire - emballage sous vide, machines à traire, aspirateurs.
Transport - servofreins à dépression.
Médecine - production et stockage de médicaments.
L'intensité des processus physiques et chimiques dans le vide dépend du rapport entre le nombre de collisions de molécules de gaz avec les parois du récipient limiteur et le nombre de collisions mutuelles de molécules, et est caractérisée par le rapport de la longueur moyenne du libre parcours de molécules à la taille caractéristique du récipient. Ce numéro est appelé numéro de Knudsen.
où : est la longueur moyenne du libre parcours de la molécule ; l est la taille caractéristique du navire.
Sur la base du nombre de Knudsen, la division est effectuée selon les degrés de vide. Le degré de vide est déterminé par la pression d'équilibre, qui s'établit dans le volume pompé sous l'influence de processus opposés, le pompage du gaz par une pompe et le gaz entrant dans le volume en raison des fuites de diffusion et des émissions de gaz technologiques dues aux fuites et perméabilité aux gaz à travers les parois du récipient.
Faible vide
Il se caractérise par une pression de gaz à laquelle la longueur moyenne du trajet des molécules est nettement inférieure à la taille linéaire caractéristique du récipient. Cette plage de pression est de 10 à 100 MPa.
Vide moyen
Il est caractérisé par une pression de gaz à laquelle la longueur moyenne du trajet des molécules est approximativement égale à la taille linéaire caractéristique du récipient. Cette plage de pression va de 100 à 0,1 MPa.
Vide poussé
Caractérisé par une pression de gaz à laquelle la longueur moyenne du trajet des molécules est nettement supérieure à la taille linéaire caractéristique du récipient. Cette plage de pression va de 0,1 à 10 MPa.
Vide ultra poussé
Il se caractérise par une pression de gaz à laquelle il n'y a pas de changement notable dans les propriétés de la surface initialement exempte de gaz absorbant pendant la durée du processus de travail.
Gaz- un état de la matière dans lequel le mouvement des molécules est pratiquement illimité par les forces intermoléculaires et occupe tout le volume.
Pression en un point de l'espace gazeux- le rapport du taux de transfert de la composante normale de la quantité de mouvement. Le pompage est une réduction de la concentration moléculaire du gaz à l'aide de dispositifs absorbant le gaz.
Temps de pompage- le temps nécessaire pour réduire la pression dans le système de pompage avec un type de pompe spécifique.
Gaz résiduel- gaz restant après pompage dans un système à vide.
Pression résiduelle ultime- la pression la plus basse pouvant être atteinte avec des dispositifs de pompage spécifiques.
Vide préalable- vide créé par une pompe à vide inférieure lorsque plusieurs pompes fonctionnent en série.
Concentration moléculaire- le nombre de molécules de gaz par unité de volume.
Longueur du libre parcours d'une molécule- la longueur du trajet d'une molécule entre deux collisions successives avec d'autres molécules.
Longueur moyenne du libre parcours d'une molécule est la distance moyenne arithmétique parcourue par une molécule entre ses deux dernières collisions.
Diffusion de gaz- mouvement de gaz dans un autre environnement sous l'influence d'un gradient de concentration.
Coefficient de diffusion- le rapport entre le débit absolu de molécules à travers une unité de surface et le gradient de concentration.
Flux visqueux- écoulement de gaz dans le canal à condition que la longueur du libre parcours de la molécule soit très petite par rapport à la plus petite section transversale du canal.
Transpiration thermique- flux de gaz entre les cuves connectées.
Flux de molécules- le nombre de molécules traversant une certaine section efficace par unité de temps. La densité du flux moléculaire est le rapport entre le flux moléculaire résultant et la surface qu'il croise.
Flux de molécules résultant- le rapport du flux de molécules déterminé par la différence entre le nombre de molécules traversant la surface pendant un intervalle de température donné dans une direction donnée et le nombre de molécules traversant cette surface dans la direction opposée à cet instant.
Débit massique de gaz- la masse de gaz traversant une certaine surface par unité de temps.
Conductivité- le rapport du débit à la différence des pressions moyennes dans deux sections du débit à l'équilibre isotherme. La résistance est l'inverse de la conductivité.
Absorption- absorption de gaz ou de vapeur par un solide ou un liquide. La désorption est le processus inverse.
Coefficient d'hébergement- le rapport entre l'énergie moyenne effectivement transférée à la surface par les particules incidentes et l'énergie moyenne qui peut être transférée si l'équilibre thermique complet est atteint.
Taux de collision- le rapport du nombre de molécules entrant en collision avec la surface dans un intervalle de temps donné sur cet intervalle et cette surface.
Vitesse de collage- le nombre de molécules sorbées par unité de surface par unité de temps.
Temps de rétention- le temps moyen pendant lequel les molécules sont retenues à la surface en état de sorption.
Migration- le mouvement d'une molécule à la surface.
Libération de gaz- libération spontanée de gaz du matériau dans le vide.
Dégazage- élimination forcée des gaz du matériau.
Perméabilité du septum solide- le rapport du débit de gaz traversant la cloison au débit traversant le même flux en l'absence de cloison est fonction de la pression de part et d'autre de la cloison et de sa structure.
Coefficient de perméabilité- le rapport du produit de la perméabilité et de l'épaisseur de la cloison à sa surface.
Fuite- pénétration de gaz de l'environnement dans la cuve pompée.
1.2. Pression du vide
La physique du vide repose sur les postulats suivants :
1. Le gaz est constitué de molécules individuelles en mouvement.
2. Il existe une répartition constante des molécules de gaz selon la vitesse, c'est-à-dire qu'un même nombre de molécules a toujours la même vitesse.
3. Lorsque les molécules de gaz se déplacent, il n’y a pas de direction privilégiée : l’espace des molécules de gaz est isotrope.
4. La température d'un gaz est une valeur proportionnelle à l'énergie cinétique moyenne de ses molécules.
5. Lorsqu'elle interagit avec la surface d'un solide, une molécule de gaz est absorbée.
Lorsqu'un gaz interagit avec la surface d'un corps solide, la composante normale du changement de quantité de mouvement de la molécule sera égale à :
où θ est l'angle entre la normale à la surface et le vecteur vitesse ; v est la vitesse de la molécule ; m est la masse de la molécule.
Considérons le cas où il existe un équilibre énergétique entre la surface et le milieu gazeux ; dans ce cas, la variation totale de l'impulsion des molécules absorbées et désorbées sera égale à .
Selon la deuxième loi de Newton, la pression d'une molécule sur une surface est :
, (1.1)
où : Δt - temps d'interaction de la molécule avec la surface ; ΔF - superficie.
Le nombre de molécules dans le volume élémentaire dV se déplaçant dans la direction de l'aire ΔF est proportionnel, selon le troisième postulat, à l'angle solide dW sous lequel l'aire ΔF est visible depuis le centre dV.
. (1.2)
Angle solide 
, (1.3)
où r est la distance entre l'objet sélectionné et la surface.
Volume dans le système de coordonnées polaires :
On trouve la pression du gaz à la surface en intégrant sur le volume de l'hémisphère à partir duquel les molécules atteignent la surface en un temps Δt de rayon .
En tenant compte de (1.1) on obtient :
(1.5)
En substituant (1.2), (1.3), (1.4) dans (1.5), on obtient :
où n est la concentration moléculaire.
Selon le postulat 2, nous introduisons à la place d’une constante la vitesse quadratique moyenne de la molécule.
,
Alors
(1.7).
En considérant que la densité du gaz est ρ=nm, on obtient .
Les conditions d'équilibre utilisées pour dériver l'équation (1.7) peuvent ne pas être satisfaites, par exemple, dans le cas d'une surface de condensation à partir de laquelle, en raison du temps d'adsorption très long, la désorption des molécules de gaz ne se produit pas, et vice versa, une Un corps dans l'espace désorbe les molécules de la surface et le nombre de molécules frappant ce corps peut être négligé. Dans ces cas, il est nécessaire de connaître exactement le rapport entre les flux de molécules de gaz tombant et s'échappant.
1.3. Lois sur le gaz
Si le volume contient un mélange de gaz K, alors la pression du mélange :
(1.8)
ou 
(1.9) - Loi de Dalton.
Puisque la température, selon le 4ème postulat, est proportionnelle à l'énergie cinétique de la molécule, on peut écrire 
,
où c est une constante.
Alors (1.7) peut s’écrire :
.
Notons , alors (1.10),
et l'énergie cinétique moyenne d'une molécule :
(1.11)
L’équation (1.10) est appelée équation de l’état du gaz ; elle met en relation trois paramètres principaux : la pression, la concentration moléculaire et la température. La constante k=1,38∙10-23J/k est la constante de Boltzmann.
L’équation (1.10) peut également être représentée comme suit :
, (1.12),
où M est la masse moléculaire du gaz ; V - volume de gaz ; NA=M/m=6,02∙1028 k mol-1 - Nombre d'Avagadro ; R=kNA=8,31∙103, J/Kmol - constante universelle des gaz.
1.4. Fréquence des collisions de molécules avec une surface
Nombre de molécules entrant en collision avec une unité de surface par unité de temps :
(1.13)
En tenant compte de la fonction de distribution de vitesse moléculaire, on obtient
, (1.14)
où Var est la vitesse moyenne arithmétique.
Le volume de gaz impactant une unité de surface par unité de temps peut être exprimé en termes de fréquence de collision et de concentration moléculaire.
(1.15)
Cette expression ne dépend pas de la pression et détermine la vitesse d'action maximale d'une pompe à vide idéale qui pompe toutes les molécules de gaz qui y pénètrent par l'entrée.
1.5. Distribution de vitesse des molécules de gaz
Lorsqu'elles entrent en collision les unes avec les autres ou avec les parois d'une chambre à vide, les molécules changent de vitesse, tant en ampleur qu'en direction. En utilisant des hypothèses sur la distribution de vitesse stationnaire et l'isotropie de l'espace, Maxwell a obtenu la fonction de distribution de vitesse des molécules.
, (1.16)
où dnV est le nombre de molécules à vitesse comprise entre V et 0.
La vitesse à laquelle les fonctions de distribution maximale sont observées est appelée vitesse la plus probable
. (1.17)
Si on introduit la notation , on obtient 
.
Différentielle sans dimension - f(c)=dnV/(ndc) b et intégrale - F(c)= les fonctions de distribution de vitesse moléculaire sont utilisées.
Les calculs utilisent également la vitesse moyenne arithmétique
(1.18)
et la moyenne quadratique 
(1.19).
Le rapport entre les vitesses Vver, Var, Vkv est de 1:1,128:1,225.
Tableau 1.1.
Vitesses moyennes arithmétiques des gaz à différentes températures
|
Gaz |
||||
|
Oxygène |
||||
En plus de la distribution de vitesse moléculaire, il existe des fonctions de distribution d'énergie 
;
; (1.20)
, (1.21),
Ici .
Il existe des énergies les plus probables 
et moyenne arithmétique 
.
1.6. Longueur moyenne du libre parcours
Un flux moléculaire dirigé, contenant à l'instant initial N0 molécules de gaz avec des molécules en mouvement chaotique avec une fréquence K pendant le temps dt, diminue de la quantité : 
, en intégrant, on obtient 
.
La longueur moyenne du libre parcours des molécules de gaz, définie comme le rapport entre la vitesse des molécules et le nombre de collisions par unité de temps. - la longueur du trajet de la molécule au temps t, une collision se produira si la distance entre les centres des molécules n'est pas supérieure au diamètre de la molécule. Nous supposerons qu’une molécule a un rayon et que tous les autres points mathématiques ont un rayon nul. Lorsqu'elle se déplace à une vitesse de concentration moléculaire n, en une seconde, une telle molécule imaginaire décrira le volume 
, et je ferai l'expérience 
collisions. La longueur moyenne du libre parcours dans ce cas sera égale à 
. (1.23)
En tenant compte des vitesses relatives de la molécule de gaz, qui n'ont pas été prises en compte lors de l'élaboration de l'équation (1.23), une expression plus précise peut être obtenue pour la longueur du libre parcours 
. (1.24)
D’après (1.24), il ressort clairement qu’à concentration moléculaire constante, la longueur du libre parcours ne devrait pas dépendre de la température.
Cependant, des données expérimentales il résulte que lorsque n = const, la longueur moyenne du libre parcours augmente, ce facteur est pris en compte en introduisant un module supplémentaire, puis 
, (1.25)
où C est la constante de Sutherland, égale à la température à laquelle, dans le cas d'une concentration moléculaire constante de gaz, la longueur moyenne du libre parcours des molécules est réduite de moitié par rapport à la valeur correspondant à une température infiniment élevée [K].
Pour prendre en compte l'interaction des molécules entre elles, la notion de diamètre effectif de la molécule dT est introduite, qui diminue avec l'augmentation de la température
) - un milieu contenant du gaz à des pressions nettement inférieures à la pression atmosphérique. Le vide est caractérisé par la relation entre le libre parcours des molécules de gaz λ et taille caractéristique processus d. La distance entre les parois de la chambre à vide, le diamètre de la canalisation à vide, etc. peuvent être considérées comme d. En fonction de la valeur du rapport λ/d, faible (λ/d<<1), средний (λ/d~1) и высокий (λ/d>>1) vide.
Il faut distinguer les concepts vide physique Et vide technique.
Vide technique
En pratique, un gaz très raréfié est appelé vide technique. Dans des volumes macroscopiques, un vide idéal est inaccessible en pratique, car à température finie tous les matériaux ont une densité de vapeur saturée non nulle. De plus, de nombreux matériaux (notamment le métal épais, le verre et d’autres parois des récipients) laissent passer les gaz. Dans des volumes microscopiques, il est en principe possible d’obtenir un vide idéal. Une mesure du degré de raréfaction sous vide est le libre parcours des molécules de gaz< λ >liés à leur mutuel collisions dans le gaz et la taille linéaire caractéristique je récipient contenant du gaz. À proprement parler, le vide technique est un gaz présent dans un récipient ou un pipeline dont la pression est inférieure à celle de l'atmosphère environnante. Selon une autre définition, lorsque les molécules ou les atomes de gaz cessent d'entrer en collision les uns avec les autres et que les propriétés dynamiques du gaz sont remplacées par des propriétés visqueuses (à une pression d'environ 1 Torr), on parle d'atteindre faible vide(λ < < je)(5 000 à 10 000 molécules pour 1 cm3). En règle générale, une pompe à faible vide se situe entre l'air atmosphérique et une pompe à vide poussé, créant un vide préliminaire, c'est pourquoi le vide faible est souvent appelé vide préalable. Avec une nouvelle diminution de la pression dans la chambre, le libre parcours moyen λ des molécules de gaz augmente. Quand λ > > je les molécules de gaz n'entrent plus en collision les unes avec les autres, mais se déplacent librement d'un mur à l'autre, dans ce cas on parle de vide poussé(10 -5 Torr)(1000 molécules pour 1 cm3). Vide ultra poussé correspond à une pression de 10 -9 Torr et moins. Malheureusement, cela n’a pas encore été obtenu dans des conditions terrestres. À titre de comparaison, la pression dans l'espace est inférieure de plusieurs ordres de grandeur, tandis que dans l'espace lointain, elle peut même atteindre 10 à 30 Torr ou moins (1 molécule pour 1 cm3). Il y a une absence totale de molécules.
Un vide poussé dans les pores microscopiques de certains cristaux est obtenu à la pression atmosphérique, qui est précisément associée au libre parcours du gaz.
Les appareils utilisés pour obtenir et maintenir un vide sont appelés pompes à vide. Les getters sont utilisés pour absorber les gaz et créer le degré de vide requis. Le terme plus large de technologie du vide inclut également les instruments permettant de mesurer et de contrôler le vide, de manipuler des objets et de conduire des objets. opérations technologiques dans une chambre à vide, etc.
Il convient de noter que même dans un vide parfait à une température finie, il y a toujours un certain rayonnement thermique (gaz de photons). Ainsi, un corps placé dans un vide idéal entrera tôt ou tard en équilibre thermique avec les parois de la chambre à vide grâce à l'échange de photons thermiques.
Vide physique
Mais le phénomène le plus évident qui ne peut être expliqué sans utiliser l’idée des oscillations du point zéro du vide est peut-être l’émission spontanée. Les lampes à incandescence à émission spontanée les plus ordinaires ne brilleraient pas si le vide était un vide absolu. Le fait est que tout objet (et donc un atome excité) placé dans un espace absolument vide est un système fermé. Et comme un tel système est stable dans le temps, aucun rayonnement ne se produirait. Ce raisonnement simple montre déjà clairement que l’explication du rayonnement spontané nécessite l’utilisation d’un modèle de vide plus complexe que le vide absolu classique.
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Remarques
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