Про вакуум в нашей жизни и вакуумметры

С понятием, точнее практическим воплощением вакуума, мы сталкиваемся практически без преувеличения можно, сказать, почти что ежедневно.
Подавляющее большинство граждан пользуются силой вакуума для бытовых целей, а те из них, кто избрал своим местом работы лабораторию, также имеют дело с проявлением пониженного давления воздуха (или другого газа), что позволяет быстрее и качественней решать поставленные задачи по сушке материалов.
В подтверждение приведем несколько примеров.

1. Встречается перед глазами практически у каждого, кто ходит за покупаками в супермаркет. Конечно же, это вакуумная упаковка продуктов. Прежде всего мясных. Меньше воздуха – меньше бактерий – дольше срок службы.
2. Присоски на зеркало, стекло, на полочке в ванной – уменьшенное давление по отношению к атмосферному позволяет удерживать тяжести весом в несколько сотен грамм !
3. В лабораторной практике, о чем мы уже вкратце упомянули выше, вакуум позволяет обезвоживать образцы в специальных шкафах при гораздой меньшей температуре, а значит в щядящем режиме.
4. До недавних пор, пока мы активно, еще в довоенное время, не стали переходить на светодиодные лампы, свет нам давала прожорливая и горячая нить накаливания, ведущая свою историю еще от Эдисона и дающая работу целой отрасли вакуумной электромышленности. Включая кстати и широчайшую номенклатуру радиоламп.

Логично, что чтобы все перечисленное выполняло свои важные роли, необходимо степень вакуума каким-то образом измерять.

Поэтому сегодня мы поговорим про вакуум и вакуумметры

Немного ниже мы добавим еще несколько направлений, где могут использоваться эти приборы с красноречивым и не требующим дополнительных пояснений названием, которое составное и отлично выражает суть: вакуум – метр, который всегда был и будет в компании манометров, поскольку таковым он по сути и является, а разница только в том, что меряет он не положительное давление (избыток), а отрицательное.

Но сначала, займем немного времени и расскажем об известном эксперименте, который наилучшим образом демонстрирует могучую силу вакуума, просто-таки колоссальную, что конечно же предъявляет особые требования к прочности конструкции вакуумметров, чтобы ни одна деталь – от датчика до передаточного механизма не согнулась под мощным наружным давлением, которое стремится сжать, сдавить, согнуть, скрутить даже шестеренки и рычажки из стали.

Опыт с двумя полусферами и лошадями

Мы уже говорили выше про присоски, но внутри них, даже если выпущен почти весь воздух из-под гладкой, мягкой, прилегающей поверхности, но все равно по сути мы получаем не вакуум, а лишь его слабое подобие, но оторвать не так уж и просто и придется приложить немалые физические усилия, чтобы услышать характерный чмокающий звуком, подтверждая сказанное Аристотелем, что "природа не терпит пустоты". Хотя если быть точным, этот знаменитый тезис надо перефразировать: "природа стремится выравнять давление".
А если это эксперимент масштабировать ? И давление уменьшить в сотни раз ?

Это опыт был проделан, причем еще в далеком 1654 году талантливейшим ученым Отто фон Герике. Вкратце мы сейчас расскажем про его опыт. Кто хочет подробностей, пусть погуглит, Фото и видео по понятным причинам нет, но художественные интерпретации, достаточно достоверные, найти можно, чтобы составить себе представление.
О чем ? О том, что Отто своим опытом хотел доказать, что существует давление воздуха и оно огромное. "Простите !" - возразите Вы. "Так мы же говорим о вакууме или о давлении воздуха ?". Это как раз хороший пример философского понятия дуализма. Единства, причем противоположностей.

Итак, участниками эксперимента были:

• Две полусферы, с хорошо отшлифованными и пригнанными плотненько друг к другу краями. Респект мастерам - изготовителям из 17 века.
• Пара упряжек лошадей, задача которых заключалась, чтобы создать разнонаправленные тянущие усилия. То есть имеем дело с четырьмя лошадиными силами.
• Вакуумный насос. Опять же выказываем свое уважение немецким инженерам. Надо отмети, что их последователи из XXI-го века с честью подхватили их знамя, поскольку Германия является самой крупной экспортно-ориентированной страной Европы, поставляя сложное высокотехнологическое промышленное оборудование по всему миру. Кстати, кто не знал, именно немецкая компания BioNTech в сотрудничестве с Pfizer создала одну из самых эффективных вакцин против коронавируса.

Полушарики были соединены, из них был выкачан воздух (надо признать, что вакуум был действительно “высококачественный”, если можно так выразиться) и как ни старались лошади, рвавшиеся в разные стороны, но оторвать шары друг от друга им было не суждено. Видимо овса дали мало. Шутка.

Любопытно, что в 2018 году подобный опыт был повторен в … Запорожье. И тоже лошади не смогли побороть вакуум.

А теперь, после столь длительного, но необходимого вступления, уже перейдем по сути к нашим вакуумным манометрам.
Их заказывают строители, в том числе авиастроители. Извиняемся за пример, но он точно по теме нашего изложения. Вакуумный туалет в самолете как нельзя лучше свидетельствует о том, что для своего нормального функционирования, и настройки так сказать, чтобы удалить продукты жизнедеятельности человека с помощью вакуума на высоте 10 км, его нужно точно измерить. Чтобы рассчитать сечение трубопроводов, скорость выхода (смыва, точнее отсасывания) и т.д.
Различные виды вакуумметров востребованы в промышленности, опять же входят в состав лабораторной техники, что мы уже отметили в начале.
Если манометр измеряет избыточное давление жидкостей, газов, пара (по равнению с атмосферным), то вакуумметры – отрицательное, то есть по факту меряют разряжение.

Виды приборов

Емкостные

Принцип действия ёмкостных устройств основан на изменении характеристик емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками, что влияет на диэлектрическую постоянную (емкость). Как это делается ? Одна обкладка выполняет роль мембраны и изгибаясь ,меняет емкость. Если включить такой конденсатор например в колебательный контур, то по изменению частоты можно рассчитать изменение емкости, и соответственно силу вакуума.

Механические

В свою очередь подразделяются на подгруппы

• деформационные и пружинные — простые и доступные по цене, рассчитанные на относительно невысокое давление вакуума. Принцип действия за счет деформации сенсорного элемента. В качестве его можно использовать мембрану (диафрагму) или пружинный датчик. То есть линейное перемещение преобразовуется на основании калибровки в значение вакуума. Отображение на стрелке или цифровом дисплее.
• жидкостные — рассчитывают перепад давлений на поверхности жидкой среды. Главным рабочим компонентом такой системы является U-образная трубка. Это устаревшая модель и применеятся редко.
• компрессионные — в таком вакуумметре разреженный газ предварительно сжимается. Основан на Законе Бойля Мариотта. Высокоточный, часто применяется для калибровки других приборов, с низшим классом точности.

Ионизационные

Можно провести параллели со счетчиком Гейгера, в котором радиоактивные частицы выбивают свободные электроны, что приводит к образованию электрического разряда.
Принцип функционирования ионизационных измерителей давлений вакуума также основан на силе тока, который создается ионизированными атомами газа. Чем больше атомов газа на единицу объема, тем сильнее ток, а следовательно слабее вакуум и наоборот.

Пирани

Основан на температуре нити накала. Чем больше вакуум, тем меньше молекул воздуха соударяется с горячей нитью и меньше отбирают у нее тепло. Относится к так называемым терморезистивным вакуумметрам, поскольку температура (а значит и давление) находятся в зависимости с сопротивлением проводника.