Hvordan måle vakuum: Metoder, enheter og skalaer

En kort historie om vakuummåling

En nøkkelhendelse i vakuumteknologiens historie var et eksperiment utført av den italienske fysikeren Andrea Torricelli i 1643. Torricelli fylte et glassrør på omtrent 1 meter med kvikksølv. Deretter plugget han den ene enden av røret og snudde det, og plasserte den åpne enden i et basseng med kvikksølv.

Når man fjerner pluggen, vil kvikksølvet til slutt komme til å hvile omtrent 760 mm (30 tommer) over overflaten av bassenget – uavhengig av høyden på kvikksølvet i bassenget eller vinkelen på røret.

Denne enheten måler det atmosfæriske trykket og kan brukes som et barometer (som Torricelli er kreditert for å ha oppfunnet). Eksperimentet viste også at plassen over kvikksølvet i det omvendte røret var et vakuum. Noen hundre år senere ville den samme teknologien komme til bruk i oppfinnelsen av vakuumløfter.

 

Vanlige vakuumenheter og vekter

Millimeter eller tommer kvikksølv brukes fortsatt for å måle trykk i vakuumsystemer. Millimeter kvikksølv eller mmHg (Hg er kvikksølv i det periodiske systemet av grunnstoffer) er også grunnlaget for Torr (etter Torricelli) enhet for vakuummåling. 1 Torr tilsvarer 1 mmHg og 760 Torr/mmHg tilsvarer atmosfærisk trykk (1 atm). I motsetning til på 1600-tallet, kan vi nå lage vakuum som kan måles i svært små brøkdeler av en Torr.

Ytterligere enheter brukes i forskjellige deler av verden for å måle vakuumtrykk. De vanligste er:

• atm – standardisert atmosfærisk trykk, 760 mmHg
• PSI – pund per kvadrattomme, absolutt (PSIA) eller manometertrykk (PSIG)
• inHg – tommer kvikksølv
• mmHg – millimeter kvikksølv
• Torr – nesten, men ikke nøyaktig lik millimeter kvikksølv
• micron (mTorr) – en millitorr er 1000^th av en Torr
• kPa – kilopascal, newton-kraft per kvadratmeter
• mbar – millibar, bar (kPa x 100) x 1000

I Nord-Amerika er det vanlig å bruke inHg i grovvakuumområdet, Torr i høyere vakuumområder og mikron (tusenvis av en Torr) for trykk som nås av støttepumper.

Utenfor Nord-Amerika er de vanligste enhetene negative millibar og/eller kPa (ofte brukes begge på målere). Pascal (som i kilopascal/kPa) er den metriske standardenheten for trykk og er vanligvis enheten som brukes i vitenskapelige og tekniske artikler.

I det såkalte grovvakuumområdet, fra atmosfærisk trykk ned til 25 Torr, er det også vanlig (og mer praktisk) å definere vakuum som en prosentandel av et fullt vakuum. For eksempel kan et vakuumløftesystem fungere på rundt 60 % av en totalt vakuum.

Er et perfekt vakuum mulig?

Nei. Et perfekt vakuum, som også kan refereres til som fullt vakuum eller absolutt vakuum, vil være et volum som inneholder uansett. Det ytre rom kommer i nærheten med bare noen få hydrogenatomer per kubikkmeter, men det når aldri null og det samme gjelder selv i de mest teknisk avanserte vakuumsystemene på jorden. Selv om et lite volum kan inneholde ingen partikler i et veldig kort øyeblikk, vil det fortsatt være kvantefenomener som fotoner. Et perfekt vakuum er likevel et uunngåelig teoretisk referansepunkt som vi for eksempel bruker når vi skal bestemme og sammenligne prosentandeler av vakuum. Et perfekt vakuum (100%) målt i alle enheter inkludert PSI, mmHg, Torr, mbar eller inHg, er 0.

Hva regnes som et høyt vakuum?

Ethvert undertrykk betydelig under standard atmosfærisk trykk (760 Torr/mmHg, 29,9 inHg eller 14,7 PSI) regnes som et vakuum. Vakuumkvalitet blir deretter delt inn i områder som er noe vilkårlige, men først og fremst basert på utstyret som trengs for å oppnå eller måle det. Vakuumområdet som kan måles i kvikksølvenheter (Hg) kalles grovvakuumområdet. Det er her vakuumløfteutstyr og en rekke andre industrielle applikasjoner opererer. Dette er vakuumtrykkområdene målt i Torr (eller brøkdeler av 1 Torr).

• Atmosfærisk trykk: 760 Torr
• Grovt vakuum: 760 til 25 Torr
• Middelsvakuum: 25 til 1x10^-3 Torr
• Høyt vakuum: 1x10^-3 til 1x10^-9 Torr
• Ultrahøyt vakuum: 1x10^-9 til 1x10^-12torr
• Ekstremt høyt vakuum: Mindre enn 1x10^-12 Torr

Det som definerer et høyvakuum er da at det normalt plasseres i området mellom 1x10^-3 til 1x10^-9 Torr, som tilsvarer en tusendel (0,001) av en Torr (eller 1 mikron) ned til en milliarddel (0,000000001) av en Torr. En annen avgrensende faktor er at det vanligvis krever flertrinnspumping og måles ved hjelp av en ioniseringsmåler.

Vakuummålere

I vakuumhåndteringsteknologi og andre applikasjoner som opererer i grovvakuumområdet, måles vakuumnivået vanligvis ved hjelp av direkteavlesende målere. Direkteavlesende målere kan gi en nøyaktig måling fra atmosfærisk trykk ned til ca. 1 Torr og i noen tilfeller lavere. Slike teknologier inkluderer u-rør manometre, kapasitans manometre og Bourdon rør.

U-rør manometre: En av de mest grunnleggende enhetene for å måle trykk og vakuum er u-rørmanometeret. Den er formet som en U, og når det påføres et vakuum på det ene benet, stiger væsken i røret i det benet og faller i det andre.

Kapasitansmanometre: En kapasitansmanometermåler er en betydelig mer kompleks og nøyaktig form for manometer. Den bruker en strammet membran med den ene siden eksponert for volumet som skal måles. Den andre siden inneholder en elektrodeenhet med en referanseelektrode og en trykkfølende elektrode. Når membranen bøyer seg i forhold til trykket, forårsaker det en kapasitansendring, som registreres og til slutt konverteres til en nøyaktig måling.

Bourdon-rørvakuummålere: Den desidert vanligste trykkmåleren er Bourdon-rørmåleren. Dette relativt enkle, men presise mekaniske instrumentet har vært i bruk siden 1800-tallet og er fortsatt mye brukt. Den er svært nyttig i en lang rekke bruksområder, inkludert installasjon og feilsøking av industrielle vakuumsystemer. Selve Bourdon-røret er et rør bøyd til en bue koblet til vakuumsystemet. Den vil bøye seg mer eller mindre fra trykket i forhold til atmosfæren, som aktiverer den vedlagte skiven via et sett med tannhjul og fjærer.

Måling av et vakuumløftesystem

Et vakuumløftesystem fungerer i grovvakuumområdet, noe som gjør det relativt enkelt å måle vakuumnivået ved hjelp av konvensjonelle målere. Avhengig av målingens formål – som å installere, justere eller oppdage lekkasjer – er utgangspunktet å feste et manometer til den aktuelle delen av systemet. Når det gjelder TAWI vakuumsystemer, kjenner vi den nøyaktige kapasiteten til våre vakuumpumper, og måling av vakuumnivået er kun nødvendig under spesifikke omstendigheter.

Feilsøking av vakuumsystem

Problemer med dårlig løftekapasitet er normalt forårsaket av lekkasjer i systemet, som kan lokaliseres ved å måle vakuumnivået i ulike deler av systemet. Den første målemetoden er å plassere et manometer festet til en testplate over sugeføttene. Dette vil simulere en belastning og som skal kunne nå vakuumpumpens kapasitet.

Et vakuumløftesystem er aldri 100 % forseglet, men hvis vakuumnivået ikke når 55–60 % (av teoretisk absolutt vakuum), indikerer dette en lekkasje. Det er da mulig å måle på flere posisjoner langs ruten mellom sugeføtter og pumpe for å identifisere lekkasjens plassering.

Justering for porøse belastninger

Når man når pumpens kapasitet ved sugeføttene, er det også mulig at lekkasjen er selve belastningen som forårsaker tap av undertrykk. En løsning er å øke pumpekapasiteten – ikke i forhold til hvilket vakuumnivå pumpen kan nå, men i forhold til strømningen som pumpen er i stand til å evakuere.

Porøse laster krever pumper med høyere kapasitet for å evakuere luft sammenlignet med flate, ikke-porøse laster. Dette er grunnen til at det er mulig å bruke en liten vakuumpumpe med en strømning på 4m³/h (141 ft³/h) hengende fra en kjettingtalje for å løfte stålplater som veier så mye som 1,5 tonn (3,300 pund).

I den andre enden av skalaen kan det hende du trenger en 3kW pumpe som gir en strømning på 230 m3/t (8133 fot³/t) når du løfter en 25 kg pose mel eller en porøs kryssfinerplate.

Med andre ord, mange vurderinger går inn for å velge riktig type vakuumsystem for en spesifikk applikasjon. For å sikre sikkerheten til systemet multipliseres også den nødvendige løftekapasiteten med en faktor på to.

Finn ut mer

Her er en flott introduksjon til vakuumteknologi Denne artikkelen vil veilede deg til sikkert løfte ved hjelp av vakuumteknologi. Her kan du lære mer om arbeide effektivt med vakuumløftsystemer. Har du lest nok? Ta kontakt for å snakke med en TAWI-representant.