Sådan måles vakuum: Metoder, enheder og skalaer

En kort historie om vakuummåling

Et skelsættende øjeblik inden for vakuumteknologi var et eksperiment udført af den italienske fysiker Andrea Torricelli i 1643. Torricelli fyldte et 1 cm langt glasrør med kviksølv. Derefter satte han en prop i den ene af glassets åbne ender, vendte glasrøret om og placerede det således, at den åbne ende var nede i et kar med kviksølv.

Da han fjernede proppen, stod kviksølvet til sidst i en højde på 760 mm over overfladen i karret – uanset hvor højt kviksølvet stod i karret og vinklen på glasrøret.

Denne anordning måler det atmosfæriske tryk og kan anvendes som et barometer (som Torricelli har opfundet). Eksperimentet viste også, at den plads, der var tilbage over kviksølvet i glasrøret, som var vendt på hovedet, var et vakuum.

Et par hundrede år senere blev denne teknologi brugt til opfindelsen af vakuumløftere.

Vakuumløftere bruges til effektiv og sikker håndtering af tungt gods.

Anvendte vakuumenheder og -skalaer

Millimeter eller tommer kviksølv bruges stadig til trykmåling i vakuumsystemer. Millimeter kviksølv eller mmHg (Hg er kviksølv i det periodiske system) danner også grundlag for vakuummåleenheden torr (efter Torricelli. 1 torr er lig med 1 mmHg og 760 torr/mmHg er lig med 1 atmosfærisk tryk (1 atm). I dag er det muligt at måle i meget små brøkdele af en torr, hvilket ikke var muligt i det 17. århundrede.

I forskellige dele af verden bruges der også andre måleenheder til måling af vakuumtrykket. De mest almindelige er:

• atm – standard atmosfæretryk, 760 mmHg
• PSI – pund pr. kvadrattomme, absolut tryk (PSIA) eller trykmåler (PSIG)
• inHg – tommer af kviksølv
• mmHg – millimeter kviksølv
• Torr – næsten, men ikke helt lig, millimeter kviksølv
• micron (mTorr) – en millitorr er en tusindedel af en torr
• kPa – kilopascal, newton per kvadratmeter
• mbar – millibar, bar (kPa x 100) x 1000

I Nordamerika bruges ofte inHg i det grove vakuuminterval, torr i de højere vakuumintervaller og mikron (tusindedele af en torr) for tryk opnået ved brug af støttepumper.

Udenfor Nordamerika er de mere udbredte enheder negativ millibar og/eller kPa (ofte bruges begge i målere). Pascal (som i kilopascal/kPa) er den metriske standardenhed for tryk og er normalt den enhed, der bruges i videnskabelige og tekniske dokumenter.

I det såkaldte grove vakuuminterval fra atmosfærisk tryk ned til 25 torr er det også udbredt (og mere praktisk) at definere vakuum som en procentdel af fuldt vakuum. Et vakuumløftesystem kan f.eks. køres ved ca. 60 % af totalt vakuum.

Er det muligt at opnå et perfekt vakuum?

Nej. Et perfekt vakuum – eller om man vil – et fuldt vakuum eller absolut vakuum, ville være en volumen, som ikke indeholder noget overhovedet. Det ydre rum kommer tæt på med blot et par brintatomer per kubikmeter, men det når aldrig ned på nul, og det samme gør sig gældende i selv de mest teknisk avancerede vakuumsystemer her på jorden.

Selvom en lille volumen ikke indeholder nogen partikler i et meget kort øjeblik, vil der stadig være en vis mængde fotoner. Et perfekt vakuum er ikke desto mindre et uundgåeligt teoretisk referencepunkt, som vi eksempelvis bruger, når vi bestemmer og sammenligner vakuumprocenter. Et perfekt vakuum (100 %) som det måles i alle enheder, herunder PSI, mmHg, torr, mbar eller inHg, er 0.

Hvad anses for at være et højt vakuum?

Ethvert negativt tryk, som er væsentligt under det standard atmostfæriske tryk (760 torr/mmHg, 29,9 inHg eller 14,7 PSI), anses for at være et vakuum. Vakuumkvaliteten inddeles derefter i intervaller, som er lidt vilkårlige, men som primært er baseret på det udstyr, der skal bruges til at opnå eller måle det.

Et vakuuminterval, der kan måles i kviksølvenheder (Hg), kaldes for et groft vakuuminterval. Vakuumløfteudstyr og mange andre industrielle applikationer arbejder med dette vakuuminterval.

Dette er vakuumtrykintervallerne, som måles i torr (eller brøkdele af 1 torr).

• Atmosfærisk tryk: 760 torr
• Grovvakuum: 760 til 25 torr
• Medium vakuum: 25 til 1×10^-3 torr
• Højt vakuum: 1×10^-3 til 1×10^-9 torr
• Ultrahøjt vakuum: 1×10^-9 til 1×10^-12 torr
• Ekstremt højt vakuum: Mindre end 1×10^-12 torr

Højt vakuum defineres således ved, at det normalt befinder sig i intervallet mellem 1×10^-3 til 1×10^-9 torr svarende til en tusindedel (0,001) af en torr ( eller 1 mikron) ned til en milliardtedel (0,000000001) af en torr. En anden afgrænsende faktor er, at det ofte kræver flertrinspumpning og måles med en ionisationsmåler.

Vakuummålere

I vakuumhåndteringsteknologi og andre applikationer, som arbejder i det grove vakuuminterval, måles vakuumniveauet typisk ved brug af målere, som kan aflæses direkte. Disse målere kan give en nøjagtig måling fra atmosfærisk tryk ned til ca. 1 torr og i nogle tilfælde endnu lavere. Sådanne teknologier omfatter u-rørsmanometre, kapacitansmanometre og Bourdon-rørmanometre.

U-rørsmanometre: En af de mest simple metoder til måling af tryk og vakuum er anvendelse af u-rørsmanometret. Det er formet som et “u”, og når der tilføres vakuum i det ene ben, stiger væsken i røret i det ben og falder i det andet.

Kapacitansmanometre: Et kapacitansmanometer er et væsentligt mere komplekst og nøjagtigt manometer. Det bruger en udspændt membran, hvor den ene side eksponeres for den volumen, der skal måles. Den anden side indeholder en elektrodesamling med en referenceelektrode og en trykfølsom elektrode. Når membranen afbøjes i kraft af det tryk, den påføres, skaber det en kapacitansændring, som opfanges og efterfølgende konverteres til en nøjagtig måling.

Bourdon-rørmanometre: Den mest udbredte trykmåler er Bourdon-rørmåleren. Dette relativt enkle, men nøjagtige mekaniske instrument, har været anvendt siden det 19. århundrede, og det anvendes stadig i stor udstrækning. Det er stadig meget effektivt og kan løse en lang række opgaver, herunder i forbindelse med installation og fejlfinding af industrielle vakuumsystemer.

Selve Bourdon-røret er et rør, der er bøjet i form som en bue og tilsluttes vakuumsystemet. Røret bøjes mere eller mindre alt efter trykket i forhold til atmosfæren, og herved aktiveres den fastgjorte skala via et sæt tandhjul og fjedre.

Måling af et vakuumløftesystem

Et vakuumløftesystem arbejder i det grove vakuuminterval, hvilket gør det forholdsvist let at måle vakuumniveauet ved brug af konventionelle målere. Alt efter formålet med målingen – f.eks. ved installation, justering eller detektering af lækager – starter man med at fastgøre et manometer til systemet. For TAWI-vakuumsystemer gælder det, at vi kender vores vakuumpumpers nøjagtige kapacitet og en reel måling af vakuumniveauet er kun nødvendig under særlige omstændigheder.

Fejlfinding af vakuumsystemer

Problemer med dårlig løftekapacitet skyldes normalt lækager i systemet. De kan findes ved at måle vakuumniveauet i forskellige dele af systemet. Den første målemetode er at placere og fastgøre et manometer til en testplade over området med sugefødderne. Dette vil simulere en belastning, og derved bør det være muligt at nå vakuumpumpens kapacitet.

Et vakuumløftesystem er aldrig 100 % forsejlet, men hvis vakuumniveauet ikke når op på 55-60 % (af det teoretiske absolute vakuum), er dette en indikation på en lækage. Så er det muligt at foretage målinger flere steder på stykket mellem sugefødderne og pumpen for at finde lækagen.

Korrigering for porøs last

Når pumpens kapacitet nås ved sugefødderne, er det også muligt, at lækagen er selve lasten, hvilket forårsager et tab af negativt tryk. Det kan løses ved at øge pumpekapaciteten – ikke i relation til det vakuumniveau, pumpen kan nå op på, men i relation til det flow, som pumpen kan evakuere.

En porøs last kræver pumper med større kapacitet for at kunne evakuere luft sammenlignet med en flad, ikke-porøs last. Det er derfor muligt at bruge en lille vakuumpumpe med et flow på 4 m³/t hængende fra en talje i loftet til at løfte stålplader, der vejer helt op 1,5 ton.

I den anden ende af skalaen kan du få brug for en 3 kW pumpe, der giver et flow på 230 m³/t /t til at løfte en pose mel på 25 kg eller en porøs krydsfinerplade.

Man skal med andre ord gøre sig mange overvejelser, når man skal vælge den rigtige type vakuumsystem til en specifik applikation. For at garantere at systemet er sikkert, multipliceres den nødvendige løftekapacitet også med en faktor på to.

Få mere at vide

Her er en god introduktion til vakuumteknologi

Denne artikel fortæller om sikre løft ved hjælp af vakuumteknologi.

Her kan du få mere at vide om at arbejde sikkert med et vakuumløftesystem.

Har du læst nok? Kontakt os for at tale med en repræsentant fra TAWI.