اندازه ‏گیری خلاء – بخش اول: تعریف و آحاد

بخش اول: تعریف و آحاد 

اندازه‏ گیری خلأ

هدف از این مقاله ارائه درک بهتری از خلاء، از جمله توضیح خلاء، تعریف و توصیف ابزارهای اندازه گیری خلاء و توضیح کاربرد آن‏ها در عملیات خلاء کوره است.

تعریف خلاء

خلاء را می توان به عنوان یک فضای خالی از ماده تعریف کرد. با این حال، دستیابی به چنین فضای خالی، اساسا بر روی زمین غیرممکن است. در عوض، بهتر است خلاء به عنوان یک فضا با فشار گازی بسیار کمتر از فشار اتمسفر توصیف شود. فیزیکدانان و دانشمندان، این فقدان “خلاء کامل” را در محفظه ‏های ساخت بشر مانند کوره های تولید، به عنوان فشار جزئی یا خلاء جزئی تعریف می‏ کنند.

کیفیت خلاء نشان دهنده مقدار ماده باقی مانده در سیستم است، به طوری که یک خلاء با کیفیت بالا بیانگر وجود بسیار کم ماده است. خلاء عمدتا با فشار مطلق آن اندازه‏ گیری می شود.

در دمای اتاق و فشار اتمسفر طبیعی، یک فوت مکعب (0.03 متر مکعب) هوا حاوی حدود 23^10×7 مولکول است که در جهت های تصادفی و با سرعت حدود 1000 مایل در ساعت حرکت می‏کند.

مبادله مومنتم به دیواره ‏ها برابر است با نیروی 14.7(psi) پوند برای هر اینچ مربع از مساحت دیواره. این فشار اتمسفر را می‏ توان در تعدادی از واحدها بیان کرد، ولی به طور معمول معادل وزن 760 میلیمتر ستون جیوه بیان می شود. بنابراین، یک اتمسفر استاندارد برابر با 760 میلی متر جیوه است.

تولید خلاء  تحت پمپاژ

فرآیند پمپاژ با هوا دارای فشار اتمسفر، در یک محفظه متصل به یک پمپ خلاء شروع می‏ شود. پمپ خلاء مولکول های گاز را از محفظه جدا می‏ کند تا به خلاء مطلوب برسد. هوا در فشار اتمسفر ترکیبی از گازها است که در جدول زیر نشان داده شده است.

 ترکیب نسبی گازها بعدا در ادامه این مقاله مهم خواهد بود. مولکول های گاز همیشه در حال حرکت و برخورد هستند، مولکول به مولکول. این مولکول ها در فشار اتمسفر بسیار نزدیک هستند، بنابراین برخورد بسیار کوتاه است. فاصله بین مولکول ها یک تابع فشار است و به عنوان پویش آزاد متوسط ( MFP or Mean Free Pass) شناخته می شود. همان طور که محفظه به سمت خلاء بالاتر پمپ می‏ شود و مولکول‏ ها حذف می‏ شوند، MFP بیشتر و بیشتر می شود.

همانطور که فشار محفظه کاهش می‏ یابد، مولکول‏ های کمتری وجود دارند و پویش آزادمتوسط افزایش می ‏یابد. به طور مشابه، با کاهش چگالی گاز، شانس کمتری برای برخورد مولکولی وجود دارد. این همبستگی بین MFP و فشار در شکل زیر نشان داده شده‏ است.

مولکول‏ های هوا معمولا از طریق یک نوع پمپ جابجایی مثبت (Positive displacement) از قبیل یک پمپ چرخشی (rotary pump) روغن آب‏ بندشده (Oil-sealed) از محفظه خارج می‏ شوند.

واحدهای اندازه‏ گیری خلاء

اندازه‏ گیری خلاء، مانند هر اندازه‏ گیری دیگری، نیازمند واحدهای استاندارد اندازه ‏گیری است. اینچ یا میلی ‏متر جیوه، تور(Torr) و میکرون (micron) سه واحد اندازه گیری است که معمولا با صنعت کوره ‏های خلاء مرتبط است. سایر زمینه های خلاء  از پاسکال یا کیلوپاسکال (Pa or kPa) استفاده می‏ کنند. به علت کار توریچلی (Evangelista Torricelli) دانشمند قرن هفدهم، ما می دانیم که جو به طور کلی در سطح دریا فشاری معادل  ستون 30 اینچی (760 میلی متر) از  جیوه دارد. با استفاده از این مفهوم، می ‏توانیم کاهش فشار جو را با اینچ یا میلی متر جیوه اندازه گیری کنیم. بنابراین، کاهش 10 درصدی فشار اتمسفر، معادل یک سقوط 3 اینچی در ارتفاع ستون جیوه را نشان می دهد. به این ترتیب، خلاء به وسیله تفاوت بین فشار اتمسفریک معمول و فشار سیستمی که باید اندازه‏ گیری شود، بیان می‏ شود. بنابراین، کاهش 10 درصدی تراکم گاز از فشار اتمسفر بایستی به عنوان 3 اینچ خلاء اندازه گیری شود. برای اندازه ‏گیری ‏های خلاء روزانه مانند پیش بینی وضع آب و هوا، اینچ جیوه واحد خوبی است، اما برای اندازه ‏گیری در یک مقیاس دقیق‏ تر، دیگر واحدها مورد نیاز است. تور (torr)، واحدی است که به افتخار توریچلی نامگذاری شده‏ است. یک تور معادل یک میلی متر جیوه است. در نتیجه 760 تور به عنوان فشار معمولی جوی در سطح دریا است. تور به عنوان یکی از آحاد اندازه گیری به طور معمول برای خلأ در محدوده 1 تا 760 تور استفاده می‏ شود. برای اندازه ‏گیری خلاء در مقیاس حتی کوچک تر، “میکرون” مورد استفاده است. یک میکرون برابر 0.001 تور(Torr 10-3) است. میکرون (که با علامت µ نمایش داده می ‏شود) معمولا برای اندازه گیری خلاء در محدوده 0.001 تا 1Torr استفاده می‏ شود. برای عملیات حرارتی، تور و میکرون از اصلی ترین آحاد مورد استفاده برای اندازه گیری است. جدول زیر ضرایب تبدیل را برای سه واحد یاد شده مورد بررسی قرار می ‏دهد.