مقدمه
طبق تعریف، فشار عبارت است از مقدار نیروی وارد بر واحد سطح. در بسیاری از روش های مکانیکی اندازه گیری فشار، از همین نیرو برای اندازه گیری فشار استفاده می شود. حال اگر فشار به زیر ۱۰۰ پاسکال برسد اندازه گیری این نیرو، به دلیل کوچک شدن آن، بسیار مشکل می شود. به همین دلیل است که از روش های دیگری برای اندازه گیری فشار استفاده می کنند. به عنوان مثال می توان از خواص گاز ها برای اندازه گیری فشار بهره برد. این روش غیر مستقیم به علت اینکه به خواص گاز بستگی دارد بنابراین تابع نوع گاز می باشد. در کل، با استفاده از روش های یکسان، نمی توان به اندازه گیری فشار مبادرت ورزید بنابراین دستگاههای مختلفی با بهره گیری از مکانیزم های مختلف، در حیطه های مختلف به وجود آمده اند. در ادامه به معرفی فشار سنج های رایج در محدوده ی خلا( زیر فشار اتمسفر) می پردازیم.
-
گیج های مکانیکی[۱] (دارای رنج کاری چند اتمسفر تا ۰٫۱ torr)
گیج های مکانیکی با کمک اختلاف فشار ، حرکت ماکروسکوپیکی را در سوزن های تراز، ایجاد می کنند. یکی از انواع این مدل ها گیج بوردن[۲] می باشد که همانجور که در شکل ۱ نشان داده شده با ایجاد خلا نسبی داخل تیوب، تیوب خود را جمع کرده وسبب حرکت سوزن شماره گیر[۳]، می شود. این سیستم های قابلیت اندازه گیری فشار در حدود یک اتمسفر تا ۰٫۱ torr را دارد.
گیج بوردن : برگرفته از سایت " http://agf-co.co/ "۲٫ مانومتر های U-tube[4]
از این دستگاه برای تعریف واحد torr استفاده شده است. عملکرد این دستگاه به این صورت است که یک لوله U شکل را پر از مایعی می کنند و یک طرف آن را وارد قسمت خلا می کنند و طرف دیگرش را در اتمسفر قرار می دهند. اختلاف فشار این دو محیط سبب ایجاد اختلاف ارتفاع سیال در لوله ی مانومتر می شود. سیال کاری در این لوله ها معمولا جیوه است ولی از سیالات دیگری هم استفاده می شود. اگر از جیوه استفاده شود اختلاف ارتفاع ایجاد شده معادل فشار torr می باشد. از این سیستم معمولا برای اندازه گیری های فشار ۱ اتمسفر تا حدود ۰٫۲ torr استفاده می کنند. در شکل ۲ شماتیک این سیستم نشان داده شده است.
شکل ۲ : U-tube : برگرفته از سایت " http://www.periodni.com/ "-
گیج مک لئود[۵]
این گیج در واقع نوع اصلاح شده ی مانومتر است که قادر به اندازه گیری فشار مطلق گاز، با دقتی بالا می باشد و از آن برای کالیبره کردن سایر گاز ها استفاده می کنند. این سیستم با به دام انداختن و فشرده سازی خلا فشار را به نقطه ای قابل خواندن می رساند. این سیستم فشار را به صورت ناپیوسته اندازه گیری می کند. این سیستم توانایی اندازه گیری فشار از ۱۰ torr تا ۱۰-۶ torr را داراست. در شکل ۳ شماتیک این دستگاه نمایش داده شده است.
شکل ۳ : گیج مک لئود: برگرفته از سایت " https://ca.vwr.com "-
مانومترهای ظرفیتی [۶]
این سیستم از یک دیافراگم فلزی به عنوان یک صفحه ای از خازن ها استفاده می کند. اگر اختلاف فشار بین دو طرف طرف صفحه تغییر کند دیافراگم تغییر شکل داده و ظرفیت تغییر می کند. این سیستم قابلیت اندازه گیری فشار را از ۱۰۴ torr تا ۱۰-۵ torr را دارا می باشد. در شکل ۴ شماتیک این سیستم نشان داده شده است .
شکل ۴ : مانومتر ظرفیتی: برگرقته از سایت" http://www.mksinst.com/ "-
گیج های ترموکوپل و پیرانی [۷]
اصول کار گیج های پیرانی وترموکوپل شبیه همدیگر می باشد. یک جریان الکتریکی از داخل یک سیم رد می شود و سیم را گرم می کند. دمای سیم تا جایی بالا می رود که میزان حرارت ورودی وخروجی از سیم به تعادل برسند. در فشار های بالا، مکانیزم غالب برای انتقال حرارت از سیم همرفت است ولی در فشار های پایین مکانیزم غالب رسانش می باشد که در عین حال حساسیت زیادی به فشار نیز دارد. تفاوت گیج پیرانی و ترمو کوپل در این است که ترموکوپل دمای سیم را اندازه می گیرد ولی پیرانی مقاومت سیم را اندازه می گیرد. رنج کاری این نوع گیج ها از ۰٫۱ mtorr تا ۱۰۰ torr می باشد. در شکل های ۵ و۶ به ترتیب، شماتیک عملکرد گیج های ترموکوپل و پیرانی، نشان داده شده است :
شکل ۵ :شماتیک گیج ترموکوپل: برگرفته از سایت" http://www.instrumentationtoday.com/ "
شکل ۶ : گیج پیرانی: برگرفته از سایت" http://www.instrutechinc.com/ "-
گیج ویسکومیتر[۸]
ویسکوزیته ی گاز با فشار طبق روابط تئوری انرژی جنبشی گاز ها رابطه دارد. گیج ویسکومتر با اندازه گیری ویسکوزیته ی گاز، فشار گاز را اندازه گیری می کند. این سیستم به کمک سیمی که نقش آونگ پیچشی را بازی می کند و اندازه گیری میرایی نوسانات سیم می توان ویسکوزیته ی گاز را اندازه گرفت و آن را به فشار ربط داد. رنج کاری این دستگاه از ۱- ۱۰تا torr 10 -4می باشد. شکل ۶ شماتیک عملکرد این دستگاه نشان داده شده است :
شکل ۷ :گیج ویسکومیتر : برگرفته از سایت " http://www.hoskin.ca/ "-
گیج یونیزاسیون[۹](کاتد گرم)
فشار متناسب با تعداد ذرات موجود در محیط می باشد. اگر قادر باشیم که ذرات موجود را شمارش کنیم قادر به اندازه گیری فشار هستیم. گیج یونیزاسیون از یک سیم داغ برای تولید الکترون هایی که توسط میدان الکتریکی شتاب گرفته و باعث یونیزاسیون محیط می شود استفاده می کنند. جریان یون ها متناسب است با تعداد یون های موجود در محفظه که آن هم متناسب است با تعداد مولکول ها که در واقع متناسب با فشار محفظه می باشد. رنج عملکرد این دستگاه از ۱۰-۱۱ torr تا ۰٫۱ torr می باشد. در شکل ۷ شماتیک دستگاه نشان داده شده است:
شکل۷ : گیج یونیزاسیون: برگرفته از سایت" http://www.idealvac.com/ "- گیج یونیزاسیون[۱۰](کاتد سرد)
کاتد نوع سرد، برای جایگزینی کاتد نوع گرم به کار می رود. از آنجا که کاتد نوع گرم در دماهای بالا، از خود خطا نشان می دهد بنابراین استفاده از کاتد سرد در آن توصیه می شود. این وسیله شامل دو کاتد و یک فضای خالی می باشد که بین آنها آند قرار گرفته است. با اعمال ولتاژ، میدان مغناطیسی نسبتا قوی ایجاد شده و الکترون ها آزاد می شوند و عملکرد دستگاه تکمیل می شود. در شکل ۸ دستگاه نشان داده شده است:
شکل ۸ : کاتد نوع سرد: بر گرفته از سایت" http://www.idealvac.com/"