ایده آل وکیوم | Ideal Vacuum

همه چیز درباره خلا ء

فشارسنج

فشارسنج های مکانیکی

فشارسنج های U شکل : (بازه فشاری اتمسفر تا ۱ میلی بار )

شکل ۱ : یک فشارسنج Uشکل شیشه ای که از مایعی مثل جیوه پر شده است را نشان می دهد که انتهای یک طرف به سیستم خلاء وصل شده و طرف دیگر به اتمسفر باز است زمانیکه فشار بالا می رود اختلاف فشار باعث نیرویی پشت جیوه می شود این نیرو جیوه را بالا می برد تا اختلاف فشار بوسیله اختلاف ارتفاع بالانس شود.

(h) فشار ناشی از ارتفاع – فشار اتمسفر = فشار سیستم

اختلاف ارتفاع(h) با یک مقیاسی خوانده می شود که میتوان آنرا به میلی بار تبدیل کرد این نکته در این خوانده قابل ملاحظه است که این فشارسنج وابسته به فشار اتمسفر است که قابل تغییر است. نوع دیگری از فشارسنج هایU شکل در شکل ۱ نمایش داده شده است که فشار مرجع فشار اتمسفر نمی باشد که در موقع ساخت ابتدا فشار لوله به ۲-۱E میلی بار کاهش داده شده و بعداً از جیوه پر شده است که انتهای لوله نیز بسته شده بود.

 فشارسنج مکانیکی

شکل ۱ : فشارسنج U شکل

 

فشارسنج های عقربه ای کپسولی (بازه فشاری ۱۰۰۰ تا ۱ میلی بار )

فشارسنج های عقربه ای کپسولی از یک کپسول سیلد شده که بروی یک محفظه بدون درز و کیپ سوار شده تشکیل شده است که تغییر فشار باعث حرکت کپسول می شود که این حرکت تبدیل به یک حرکت مکانیکی شده و برروی یک نمایشگر لحاظ می شود این فشارسنج ها طوری ساخته شده اند که فشار اتمسفر هیچ تاثیری برروی خوانده ندارد و فشار نشان داده شده اختلاف بین فشار محیط اندازه گیری شده و فشار داخل کپسول سیلد شده است دقت این فشارسنج ها ۵٪ کل درجه بندی آن است و معمولاً این فشارسنج ها در رنجهای ۰ تا ۲۵ و ۰ تا ۵۰ و ۰ تا ۱۲۵ و ۰ تا ۱۰۰۰ میلی بار ساخته می شوند و این نوع فشارسنج های مکانیکی فقط برای فشارهای تا ۱ میلی بار مناسب می باشند و این مقدار به دستگاه ظریف تر برای حرکت نیاز است .

 فشارسنج مکانیکی

شکل ۲ : نمای انفجاری از فشارسنج عقربه ای

 

فشارسنج های کششی (بازه فشاری ۱۰۰۰ تا ۱ میلی بار)

در این فشارسنج های یک دیافراگم انعطاف پذیر که معمولاً از استینلس استیل ساخته شده بین سیستم خلاء و محیط اتمسفر یک قسمت بدون نشتی را شکل داده است شکل ۳٫

 Created by Readiris, Copyright IRIS 2009

شکل ۳: نمای برش خورده از فشارسنج کششی

فشار برای فشارسنج باعث اعمال نیرو و حرکت دیافراگم می شود. این حرکت باعث تغییر در مقاومت الکتریکی سمی کانداتور فشارسنج کششی که برروی دیافراگم چسبیده اند می شود و خروجی حاصل تغییر ولتاژ است که در اتمسفر تنظیم می شود و می تواند خلاء بالا را درست بخواند. سرعت پاسخگویی این نوع فشارسنج ها بسیار بالا می باشد و در ضمن میتوان برای راه دور نیز از این فشارسنج ها استفاده کرد و عدد نمایش داده شده دقت بالایی دارد.

مانومترهای خازنی (بازه فشاری اتمسفر تا ۶-۱Eمیلی بار)

مانومتر خازنی عبارت است یک وسیله اندازه گیری فشار که بصورت الکترونیکی حرکت دیافراگم حس می شود به این معنی که در اثر حرکت دیافراگم تحت اختلاف فشار بین آندو فضای بین الکترود و دیافراگم تغییر پیدا می کند. سر فشارسنج به محفظه متصل می شود و طرف دیگر آن دیافراگم است که اختلاف فشار بین یک منطقه سیلد شده و فشار حدود ۶-۱Eتا ۷-۱Eمیلی بار را محاسبه می کند (شکل ۴ ).

مانومترهای خازنی دارای دقتی بالاتر از فشارسنج های پیرانی، ترموکوبلی و عقربه ای کپسولی هستند . دارای مزایای بالایی هستند از جمله پاسخگویی بسیار بالا دارند و در بعضی از مدلهای خازنی می توان سر فشارسنج را تا ۴۵درجه سانتیگراد حرارت داد .

 Created by Readiris, Copyright IRIS 2009

شکل ۴ : فشارسنج خازنی

 

فشارسنج مک لئود ( بازه فشاری ۱۰ تا ۳-۱E میلی بار )

فشارسنج مک لئود ابزاری است که از قانون بویل تبعیت میکند و فشار گاز را محاسبه می کند. این فشارسنج شامل یک تیوب شیشه ای و یک حباب شیشه ای است که بوسیله ستون جیوه فشار اندازه گیری می شود. اختلاف سطح جیوه بین هوای فشرده شده و فشار سیستم تابعی است از فشار داخل سیستم که یک درجه بندی مناسب می تواند فشار سیستم را نشان دهد. و این فشارسنج ها از نوع فشارسنج های مطلق هستند.

یک نوع از این فشارسنج ها در شکل ۵ نشان داده شده است که شامل یک مسیر پمپاژ (A) است که به محفظه خلاء متصل می شود و یک مسیر باریک بسته (B) و همچنین یک مسیر دیگر موازی آن (C) و یک حباب (D) و یک درجه بندی می باشد.

برای استفاده از این فشارسنج باید آن را به آرامی در جهت عکس عقربه های ساعت تا ۹۰ درجه بچرخانیم و ستون جیوه در لوله باریک تا نقطهx بالا می رود بعد از خواندن باید فشارسنج را به حالت اولیه و نرمال برگردانیم تا مسیر باریک ستون مدرج به صورت افقی قرار گیرد . اگر نمونه گاز شامل بخارات مختلف باشد خوانده فشارسنج می تواند بسیار متفاوت از فشار حقیقی باشد . بخارات میتوانند در فشارسنج کاندنس بشنوند و در بعضی موارد مثلاً بعد از ۱۰ بار استفاده دیگر نمی توان از آن فشارسنج استفاده کرد زیرا عدد خوانده شد درست نمی باشد. پس باید به یاد داشته باشیم زمان استفاده از فشارسنج مک لئود اگر بخارات داخل سیستم زود کاندنس می شوند کل فشارهای خوانده شود درست نمی باشند. در خلاء بالا برای رفع این مشکل می توان در راه ورودی فشارسنج از یک تله سرد مثلاً از نیتروژن مایع برای کاندنس کردن بخارات استفاده کرد.

 فشارسنج

شکل ۵ : گیج مک لئود – قبل و بعد از فشارسنجی

 

در کل بعضی موارد زیر در ابتدای کار باید انجام شوند :

گریسها را با ابزار مناسب پاک کرد، مواد اضافی را از جیوه با اسید نیتریک جدا کرد، شیشه را با اسید کرومیک تمیز کرد و ابزار را با آب شست و خشک کرد .

فشارسنج مک لئود معمولاً در صنعت به چند دلیل استفاده نمی شود :

  • خیلی شکننده است .
  • نمی تواند فشار بخارات کندانس شونده را اندازه گیری کند .
  • بصورت مداوم نمی توان فشار سنجی را انجام داد (معمولاً بین هر خوانده باید ۲ دقیقه صبر کرد).
  • لازم است که اپرا تور متخصص باشد .
  • نمی تواند بصورت خودکار خودش را منطبق کند .
  • خطر آلودگی بوسیله جیوه وجود دارد.

 

 

فشارسنج های روتور چرخشی (بازه فشاری ۱E-1 تا ۱E-7 میلی بار )

فشار سنجی می تواند با پایین آمدن آرام سطح توپی که بوسیله حرکت مولکولی بین سطح توپ و گاز حاصل می شود انجام گیرد .

پایین آمدن آرام وابسته به فشار، وزن مولکولی گاز، دمای گاز و سطح توپ دارد . که این فشارسنج را بسیار با دقت می کند . فشارسنج شامل یک توپ استیل می باشد که در یک تیوپ باریک متصل به فلنج قرار دارد که در شکل ۶  نشان داده شده است.

Created by Readiris, Copyright IRIS 2009

شکل ۶ : فشارسنج روتور چرخشی و اجزا، آن

این قسمت می تواند تا دمای ۴۰۰ درجه سانتیگراد نیز حرارت ببیند. تیوپ بوسیله یک سیستم آهنربایی برای تولید انرژی و ثابت شدن توپ محاط شده است . دو قطعه آهنربایی گرد توپ را در مسیر عمودی نگه می دارند . برای ثابت نگه داشتن توپ در وسط میدان مغناطیسی یک جفت کویل هم محور تعبیه شده است . برای چرخش توپ به دور خودش در راستای محور عمودی یک میدان چرخشی با استفاده از کویلهای محرک تدارک دیده شده است .

زمانیکه سرعت چرخش توپ به ۴۰۰ دور ثانیه و یا ۲۴۰۰۰ دور در دقیقه میرسد انرژی اضافی متوقف شده و کاهش سرعت بر اثر اصطکاک گاز صورت می گیرد که کاهش سرعت چرخشی اندازه گیری شده تابعی از زمان است. معمولاً هر۱۰ ثانیه می توان این عدد را خواند . توپ استیل باید بدون کوچکترین قطب مغناطیسی باشد تا فشارسنج کار کند این موضوع بسیار مهم است.

 فشارسنج های پیرانی : (بازه فشاری ۱۰۱۳ تا ۱E-4 میلی بار )

فشارسنج های با هدایت گرمایی وسایلی هستند که بصورت الکتریکی عمل می کنند بطوریکه در همه رنجی فشاری از ۱۰۱۳ تا ۱E-4 میلی بار می توانند فشار را بخوانند.

این نوع فشارسنج ها بسیار سخت کار و در عین حال با کارایی آسان، رنج کاری بسیار بالایی دارند. قانون فیزیک می گوید که تحمل فشاری یک گاز به هدایت حرارتی آن گاز وابسته است.

فشار سنج پیرانی

شکل ۷ : کلگی فشارسنج پیرانی

در این ابزار اندازه گیری کلگی فشارسنج شامل یک فیلامان خاص است که معمولاً از جنس تنگستن ساخته می شود و با عبور جریان گرم می شود که در شکل ۷ نمایش داده شده است. فیلمان در معرض فشار قرار داده شده اندازه گیری می شود. اگر فشار بالا رود برخورد بین مولکولهای گاز و فیلمان مداوم می شود. مولکولها حرارت را از فیلامان دور کرده و به دیواره کلگی منتقل می کنند. اگر فشار کاهش پیدا کند مقدار مولکولهای موجود کمتر شده در نتیجه برخورد با فیلمان نیز کمتر می شود این بدان معناست که حرارت کمتری از فیلمان گرفته می شود و همانطور که می دانیم مقاومت وابسته به دما است در نتیجه مقاومت فیلامان تغییر پیدا می کند. تغییر جریان عبوری نشاندهنده تغییر فشار گاز است. زمانیکه ولتاژ اعمالی به دو سر آن ثابت باشد این نوع از فشارسنج ها، پیرانی با ولتاژ ثابت نامیده می شوند و در نوع دیگر پیرانی با دمای ثابت که ولتاژ اعمالی ثابت شده همچنان که مقاومت فیلامان مستقل از کاهش دما ثابت مانده است .

پیرانی با ولتاز ثابت می تواند رنج فشاری بین ۱۰ تا ۱E-3 میلی بار را و پیرانی با دمای ثابت رنج وسیعتری از فشار را از ۱۰۰۰ تا ۱E-3 میلی بار را اندازه گیری کند این فشارسنج ها دارای زمان پاسخگویی کوتاه هستند و برای کنترل فشار بسیار مناسب می باشند .

بیشتر فشارسنج های پیرانی برای گاز ازت خشک کالیبره می شوند و زمانیکه در محیط اندازه گیری گاز دیگری وجود دارد باید از نمودار ۱E-3 برای خواندن فشار استفاده کرد معمولاً گازها با وزن ملکولی پایینتر در فشار پایین دارای هدایت حرارتی بالاتری هستند. البته حساسیت بسیار وابسته به سطح فیلمان نیز دارد اگر در محیط اندازه گیری روغن و یا بخارات طبیعی باشند عدد بالاتری خوانده می شود که معمولاً برای تمیز کردن فیلمان از استون و یا تری کلرواتان استفاده می شود اما باید برای از بین نرفتن فیلمان بسیار مراقب برد و همچنین قبل از اتصال به سیستم باید فشارسنج را خشک کرد .

زمانیکه از یک فشارسنج جدید برای اولین بار استفاده می کنید و یا بعد از جایگزینی فشارسنج، بطور معمول آن فشارسنج باید برای دو ناحیه چک شود کلگی فشارسنج ها معمولاً دارای دو پتانسیومتر هستند که قادر خواهید بود برای فشار صفر- زیر ۱E-3 میلی بار- و فشار اتمسفر آنرا کایبره نمایید . این پتانسیومترها (شکل ۷ ) با دو نام Atm و Vac و یا ۰ و ۱۰۰٪ مشخص شده اند.

جدول تصحیح فشارسنج پیرانی برای گاز های مختلف

نمودار ۸ : تصحیحی خوانده برای فشارسنج پیرانی

فشارسنج های ترموکوبلی: (بازه فشاری ۵ تا ۱E-3 میلی بار )

فشارسنج های ترموکوبلی مشابه پیرانی ها عمل می کنند که تغییر دما در فیلمان با یک ترموکوبل خوانده می شود . زمانیکه دو فلز غیر همجنس به یکدیگر متصل شده باشند ولتاژ کمی در آنها ظاهر می شود این ولتاژ که بسیار پایین است در حد میلی ولت وابسته به ذات فلز و دمای نقطه اتصال دو فلز دارد. (شکل۹)

بازه اندازه گیری این فشارسنج های ترموکوپلی از ۵ تا ۱E-3 میلی بار با دقت ۱۰٪ است بالای ۵ میلی بار تغییرات دمای فیلامان بسیار پایین است. دمای فیلامان در ۵ میلی بار ۴۰ درجه سانتیگراد و در ۱E-3 میلی بار به ۴۵۰ درجه سانتیگراد می رسد .

این نوع فشارسنج ها با توان بسیار پایین کار می کنند و حتی برای کار می توان از یک باطری استفاده کرد و. به راحتی آنرا جابجا کرد برای آنکه بدانیم فیلامان عدد درستی را نشان می دهد قبل از استفاده از این وسیله باید یک تنظیم جریان شود .

فشار سنج ترموکوپلی

شکل ۹ : نمای برش خورده از فشارسنج ترموکوبلی

 نه پیرانی و نه ترموکوپلی با قرار گرفتن در معرض اتمسفر در هنگام کار آسیب نمی بینند . اگر چه باید از ورود آشغال به آن جلوگیری کرد که باعث خرابی فشارسنج نشود. زیر ۱E-4 میلی بار هدایت حرارتی دارای حساسیت نمی باشد. در خلاءهای بالا و فرا خلاءها گازها دارای خاصیت فیزیکی دیگری می باشند که برای اندازه گیری فشار آنها باید از راههای دیگری مثل یونیزه جریان استفاده کرد .

یونیزاسیون کاتد سرد (بازه فشاری ۱E-2 تا ۱E-7 میلی بار )

برای اندازه گیری فشارهای پایین باید در دو مرحله عمل می کنند ابتدا فشار را تا ۱E-2و یا ضریبی از ۱E-3 با فشارسنج های یاد شده خوانده و از ۱E-2 به پاین تر از فشارسنج های یونیزاسیون استفاده می کنند.

یونیزاسیون در سطح خیلی پایینی از فشار اتفاق می افتد زیرا مسیر آزاد الکترون ها بسیار گسترده می باشد آنها در مسیری مستقیم به سمت الکترود بدون برخورد با هیج مولکول گازی حرکت می کنند .

در سال ۱۹۳۷ف.م. پنینگ برای شرکت فیلیپس در هلند کار می کرد که خبر ساخت این نوع فشارسنج ها را اعلام می کند این فشارسنج به چند نام مشهور است فشارسنج فیلیپس فشارسنج پنینگ و یا فشارسنج یونیزاسیون کاتد سرد. یک فشارسنج مدرن از این نوع (شکل۱۰) با هم محوری پنینگ شناخته شده می تواند فشار از ۱E-2 تا ۱E-7 میلی بار اندازه گیری کند.

فشارسنج کاتد سرد - cold katod

شکل ۱۰ : نمای برش خورده از فشارسنج پنینگ

این فشارسنج شامل یک ٱند (میله مستقیم ) و یک کاتد (بصورت سیلندر دور میله آند) می باشد میدان مغناطیسی موازی آند حرکت خواهد کرد. زمانیکه فشارسنج روشن می شود چندین کیلو ولت به میله آند اعمال می شود که در زمان کوتاهی کمتر از یک ثانیه یونیزاسیون اتفاق می افتد اما در فشار خیلی پایین میتواند چند ثانیه به طول انجامد. یونها و الکترون ها به ترتیب به سمت کاتد و آند شتاب داده می شوند و ممکن است دیگر مولکولها را نیز با برخورد به آنها یونیزه کنند. زمانیکه یونها کاتد را بمباران می کنند الکترونها ی آزاد بسیاری را تولید می کنند این یونها و الکترون ها یونها ی دیگری را می سازند بطوریکه نرخ تولید یونها برابر نرخ ازدست رفته ها شود تا سطحی پایدار حاصل شود یونهای جاری بر روی یک وسیله اندازه گیری نمایش داده می شوند که متناسب با فشار می باشد.

باید مد نظر قرارداد که این نوع فشارسنج ها نباید بالای ۱E-2 میلی بار روشن شوند. بعد از کار کردن طولانی در فشار بالا اسپاترینگ اتفاق می افتد و یک لایه نازک فلز در یک سمت فشارسنج شکل می گیرد که این رسوبات تشکیل شده ممکن است به راحتی دلیل نشتی الکتریکی بین الکترودها شود.

فشارسنج پنینگ صد درصد با دقت نیست ولی عددی کلی و حدودی از فشار را نمایش می دهد.

 

فشارسنج های یونی و یا یونیزاسیون کاتد گرم (بازه فشاری ۱E-3 تا ۱E-10 میلی بار )

فشارسنج های پنینگ در حالیکه خشن هستند و ساده جهت کار از دقت پایینی برخوردار هستند و نمی توانند فشار زیر  ۱E-7 میلی بار را اندازه گیری کنند. برای دقت بالاتر و برای فشارهای پایینتر فشارسنج های با یونیزاسیون کاتد گرم باید استفاده شوند. فشارسنج پنینگ برای زیر ۱E-7 حساسیتش کمتر است زیرا تولید الکترون برای یونیزاسیون در سطح خیلی پایینی انجام می پذیرد که این کار بسیار مشکل است. در فشارسنج کاتد گرم با جا دادن یک فیلمان گرم شده (که معمولاً تنگستنی است ) و الکترون های آزاد در یک رنج کنترلی ثابت هستند عملیات انجام می شود و یونیزاسیون در فشار خیلی پایین نیز انجام می پذیرد.

شکل ۱۱ یک نوع فشارسنج مدرن را نشان می دهد که به نوع بایارد– آلپرت مشهور است.

محدوده بالایی فشار یک فشارسنج یونی معمولا ۱E-3 میلی بار است، بالاتر از این فشار پاسخ غیر خطی است و خطرناک است زیرا امکان دارد فیلمان آتش بگیرد به همین دلیل فشارسنج های یونی طوری ساخته می شوند که در فشار بالا به صورت اتوماتیک خاموش شوند و محدوده پایین فشار با در نظر داشتن مشکلات الکترون در اندازه گیری تعریف می شود.

فشار سنج کاتد گرم Hot Catod

شکل ۱۱ : کلگی فشارسنج یونیزاسیون کاتد گرم

 این فشارسنج ها معمولاً برای گاز ازت کالیبره می شوند و هر گاز دیگری باعث خطا در خوانده می شود. اگر گاز دیگری در میان باشد با ضرایب تصحیح که در جدول ۱۲ آمده می توان برای یک نوع یونی بایارد–آلپرت عدد خوانده شده را تصحیح کرد. در خلاء بالا و فرا خلاء مقدار خیلی کم از گاز ازت خواهد بود همچنین مقداری بخار آب، هیدروژن و یا امکان وجود بخارات روغن از پمپ های خلاء می باشد.

 جدول کالیبراسون فشارسنج کاتد گرم  hot catode

جدول ۱۲ : ضرایب تصحیح

 دقت فشارسنج ها در شرایط ایده آل

۱- عقربه ای کپسولی : ۵ ± ٪ کل درجه بندی

۲- مانومترهای خازنی : ۱ ± ٪ خوانده و یا بهتر از آن

۳- مک لئود : ۱۰ ± ٪ بین ۱E-4 و ۵E-2میلی بار

۴- روتور چرخشی : ۵/۲ ± ٪ مقدار اندازه گیری شده بین ۱E-7 تا ۱E-2 میلی بار و

۵/۲ ± ٪ تا ۵/۱۳ ± ٪ بین ۱E-2 تا ۱ میلی بار

۵- پیرانی : ۶ ± ٪ بین ۱E-2 تا ۱۰ میلی بار

۶- ترموکوبلی : ۱۰ ± ٪ بین ۱E-2 تا ۱ میلی بار

۷- پنینگ : ۱۰۰+ ٪ تا ۵۰- ٪ مثلا اگر خوانده ۱E-4 میلی بار بود فشار میتواند ۲E-4 ویا ۵E-5 میلی بار باشد.

۸- یونی : ۱۰ ± ٪ بین ۱E-7 تا ۱E-4 میلی بار

۱۰ ± ٪ در ۱E-3 و ۱E-9 میلی بار

۱۰ ± ٪ در ۱E-10 میلی بار