Про вакуум у нашому житті та вакуумметри

З поняттям, точніше практичним втіленням вакууму, ми стикаємося практично без перебільшення, можна сказати, майже щодня.
Переважна більшість громадян користуються силою вакууму для побутових цілей, а ті з них, хто обрав своїм місцем роботи лабораторію, також мають справу з проявом зниженого тиску повітря (або іншого газу), що дозволяє швидше та якісніше вирішувати поставлені завдання щодо сушіння матеріалів.
На підтвердження наведемо кілька прикладів.

1. Зустрічається перед очима практично у кожного, хто ходить за покупками до супермаркету. Звичайно, це вакуумне пакування продуктів. Насамперед м'ясних. Менше повітря – менше бактерій – довше термін зберігання.
2. Присоски на дзеркало, скло, на поличці у ванній – зменшений тиск по відношенню до атмосферного дозволяє утримувати вагу кілька сотень грам!
3. У лабораторній практиці, про що ми вже коротко згадали вище, вакуум дозволяє зневоднювати зразки в спеціальних шафах при значно меншій температурі, а значить у режимі, що щадить.
4. До недавніх пір, поки ми активно, ще в довоєнний час, не стали переходити на світлодіодні лампи, світло нам давала ненажерлива і гаряча нитка розжарювання, що веде свою історію ще від Едісона і давала роботу цілій галузі вакуумної електромисленості. Включаючи до речі і найширшу номенклутар радіоламп.

Логічно, щоб усе перераховане виконувало свої важливі ролі, необхідно ступінь ваккуму якимось чином вимірювати.

Тому сьогодні ми поговоримо про вакуум і ваккууметри

Трохи нижче ми додамо ще кілька напрямків, де можуть використовуватися ці прилади з промовистою назвою, що не вимагає додаткових пояснень, і відмінно виражає суть: вакуум - метр, який завжди був і буде в компанії манометрів, оскільки таким він по суті і є, а різниця тільки в тому, що міряє він не позитивний тиск (надлишок), а негативний.

Але спочатку, займемо трохи часу і розповімо про відомий експеримент, який найкраще демонструє могутню силу вакууму, колосальну, що пред'являє особливі вимоги до міцності конструкції вакууметрів, щоб жодна деталь - від датчика до передавального механізму не зігнулася під потужним зовнішнім тиском, який прагне стиснути, стиснути, зігнути, скрутити навіть шестерні та важелі зі сталі.

Експеримент із двома напівсферами та конями

Ми вже говорили вище про присоски, але всередині них, навіть якщо випущено майже все повітря з-під гладкої, м'якої, прилеглої поверхні, але по суті ми отримуємо не вакуум, а лише його слабку подобу, але ж і в ціьому випадку відірвати не так вже й просто і доведеться докласти чималих фізичних зусиль, щоб почути характерний цмокаючий звуком, підтверджуючи сказане Аристотелем, що "природа не терпить порожнечі". Хоча бути точним, цю знамениту тезу треба перефразувати: "природа прагне вирівняти тиск".
А якщо це експеримент масштабувати? І тиск зменшити у сотні разів ?

Цей експеримент було зроблено, причому ще далекого 1654 року найталановитішим ученим Отто фон Геріке. Коротко ми зараз розповімо про його практичне дослідження. Хто хоче подробиць, нехай погуглить, Фото та відео зі зрозумілих причин немає, але художні інтерпретації, досить достовірні, знайти можна, щоб скласти собі уявлення.
Про що ? Про те, що Отто своїм перевірочним тестом хотів довести, що існує тиск повітря, і він величезний. "Вибачте!" - Заперечите Ви. "Так ми ж говоримо про вакуум або про тиск повітря ?". Це якраз хороший приклад філософського поняття дуалізму. Єдності, причому протилежностей.

Отже, учасниками експерименту були:

• Дві півсфери, з добре відшліфованими і пригнаними щільно один до одного краями. Респект майстрам – виробникам з 17-го століття.
• Пара упряжок коней, завдання яких полягала, щоб створити різноспрямовані зусилля, що тягнуть. Тобто маємо справу з чотирма кінськими силами.
• Вакуумний насос. Знову ж таки висловлюємо свою повагу німецьким інженерам. Слід зазначити, що їхні послідовники з XXI століття з честю підхопили їхній прапор, оскільки Німеччина є найбільшою експортно-орієнтованою країною Європи, поставляючи складне високотехнологічне промислове обладнання по всьому світу. До речі, хто не знав, саме німецька компанія BioNTech у співпраці з Pfizer створила одну з найефективніших вакцин проти Covid-19.

Півкулі були з'єднані, з них було викачано повітря (треба визнати, що вакуум був дійсно "високоякісний", якщо можна так висловитися) і як не намагалися коні, що рвалися в різні боки, але відірвати кулі один від одного їм не судилося. Мабуть, вівса дали мало. Жарт.

Цікаво, що у 2018 році подібний досвід був повторений у Запоріжжі. І теж коні не змогли подолати вакуум.

А тепер, після такого тривалого, але необхідного вступу, вже перейдемо по суті до наших вакуумних манометрів.
Їх замовляють будівельники, зокрема авіабудівники. Вибачаємось за приклад, але він точно на тему нашого викладу. Вакуумний туалет у літаку якнайкраще свідчить про те, що для свого нормального функціонування, і налаштування так би мовити, щоб видалити продукти життєдіяльності людини за допомогою вакууму на висоті 10 км, його потрібно точно виміряти. Щоб розрахувати переріз трубопроводів, швидкість виходу (змиву, точніше відсмоктування) і т.д.
Різні види вакуумметрів потрібні в промисловості, знову ж таки входять до складу лабораторної техніки, що ми вже відзначили на початку.
Якщо манометр вимірює надлишковий тиск рідин, газів, пари (у порівнянні з атмосферним), то ваккумуметри – негативний, тобто за фактом вимірюють розрядження.

Види приладів

Ємнісні

Принцип дії ємнісних пристроїв заснований на зміні характеристик ємності конденсатора при зміні відстані між обкладками, що впливає на постійну діелектричну (ємність). Як це робиться ? Одна обкладка виконує роль мембрани і згинаючи, змінює ємність. Якщо включити такий конденсатор, наприклад, у коливальний контур, то за зміною частоти можна розрахувати зміну ємності, і відповідно силу вакууму.

Механічні

У свою чергу поділяються на підгрупи.

• деформаційні та пружинні— прості та доступні за ціною, розраховані на відносно невисокий тиск вакууму. Принцип дії з допомогою деформації сенсорного елемента. У якості якого можна використовувати мембрану (діафрагму) або пружинний датчик. Тобто лінійне переміщення перетворюється на підставі калібрування значення ваккуму. Відображення на стрілці або цифровому дисплеї.
• рідинні - розраховують перепад тисків на поверхні рідкого середовища. Головним робочим компонентом такої системи є U-подібна трубка. Це застаріла модель і використовуються рідко.
• компресійні — у такому вакуумметрі розріджений газ попередньо стискається. Заснований на Законі Бойля Маріотта. Високоточний, часто застосовується для калібрування інших приладів з нижчим класом точності.

Іонізаційні

Можна провести паралелі з лічильником Гейгера, в якому радіоактивні частинки вибивають вільні електрони, що призводить до утворення електричного розряду.
Принцип функціонування іонізаційних вимірювачів тисків вакууму також ґрунтується на силі струму, який створюється іонізованими атомами газу. Чим більше атомів газу на одиницю об'єму, тим сильніший струм, а отже слабший вакуум і навпаки.

Пірані

Заснований на температурі нитки розжарення. Чим більше вакуум, тим менше молекул повітря торкається гарячої нитки і менше відбирають у неї тепло. Належить до так званих терморезистивних вакуумметрів, оскільки температура (а значить і тиск) залежить від опору провідника.