Basınç ve Ölçümü Anlamak - Ali Cihan Şengül

Basınç ve Ölçümü Anlamak - Ali Cihan Şengül

Ali Cihan Şengül / Endüstri Mühendisi - Satış Temsilcisi - Gücüm Pompa Makine - Sanayi ve Ticaret A.Ş.

Basınç, Q=SP temel vakum ilişkisinin önemli bir bileşenidir, ama pratik ve uygulamada çok daha fazla anlama gelir.

 

Basınç, tüm vakum sistemlerinin davranışını düzenleyen temel ilişkiyi meydana getiren üç ana nicelikten biridir. Bu ilişki Q (Gaz Yükü) = S (Pompalama Hızı) x P (Basınç) formülüyle ifade edilir. Birçok durumda, belirli bir basınca ulaşmak vakum teknolojisinde ana uç olarak alınır. Bu koşullar altında formüldeki P vakum uygulayıcının aklında yalnızca bir sayı haline gelebilir. Ancak basınç konseptini incelemenin birçok yolu vardır ve nasıl incelediğiniz ne yapmaya çalıştığınıza bağlı olacaktır.

 

Basınç, birim alan başına kuvvet olarak tanımlanır. Bu durumda, kuvvet, darbe enerjilerinin aktarıldığı yüzey ile gaz moleküllerinin darbesi tarafından uygulanır. Daha fazla darbe, daha fazla kuvvet ve basınç demektir. Tüm moleküller belirli bir sıcaklıkta aynı enerjiye sahip olduğundan, gazın ne olduğu önemli değildir. Bu, tüm saf gazlar veya hava gibi gaz karışımları için doğrudur. Helyum (He) gibi daha hafif moleküller, argon (Ar) gibi daha ağır bir gazdan daha hızlı hareket edecektir ve darbedeki enerji aktarımı aynı olacaktır. 1644 yılında Toricelli tarafından hava basıncının kapalı uçlu bir tüp içindeki cıva (Hg) kolonunu desteklediği keşfedildiğinde, hava basıncı tarafından uygulanan kuvvet kavramı vakum teknolojisine kapıyı aralamıştır. Günümüzde standart bir atmosfer, bir Hg manometresi ile ölçülen 760 mm (760 tor) Hg kolonu olarak tanımlanır. Evet, tor, Toricelli’den gelmektedir. Vakum teknolojisinin geniş ve önemli bölümü kuvvet kavramının kullanımına bağlıdır. Bir vakum haznesinin tasarımcısı bunu dikkate almalıdır. Gaz molekülleri bir kaptan dışarı pompalanırken, kabın içi ile daha az sayıda moleküler çarpışma olacakken, kabın dışındaki hava daha yüksek ve sabit sayıda çarpışma sağlamaya devam edecektir. Bu farklılık, aynı zamanda kabın duvarları üzerindeki bir kuvvet diferansiyeli olan bir basınç diferansiyeline neden olur.

 

Bu, bir vakum haznesi boşaltılırken bazen duyulan homurtu ve inlemeleri, vızıltı ve gürültüleri veya dönen geniş ve düz bir alanın yağ tenekesi sesini açıklamaktadır. Bu etki, iki yarıküreyi birbirine ekleyen ve ortaya çıkan küre içindeki havanın bir kısmını dışarı pompalayan von Guericke tarafından ilk kez 1650 yılında kanıtlanmıştır. İki takım at bunları birbirinden koparamamıştır, ama kürenin havası boşaltıldığında ikiye ayrılmışlardır. Kaptan giderek daha fazla molekül çıkartıldığında, basınç ve kuvvet diferansiyelleri artar. Bu, kap içindeki basınç birkaç tora düşürülene kadar devam eder. Daha düşük basınçlarda, diferansiyel kuvvetler herhangi bir pratik etki veya öneme sahip olmayacak kadar küçüktür.

 

Basınç diferansiyelleri tarafından uygulanan fiziksel kuvvet çok sayıda pratik uygulamaya sahip olabilir. Malzemeleri nakletmek için kullanılan pnömatik tüpler, vakum aynaları veya baskı plakaları ve hatta eski vantuzlar mükemmel örneklerdir. Aslında, ilk Amerikan metrosunda 1870 yılında vagonları tek bir blok hareket ettirmek için New York’ta bu teknik kullanılmıştır. Bu kuvvetler vakum/basınç göstergelerini çalıştırmak için de kullanılabilirler. Bir hazne boşaltılırken, azalan basınç, ince duvarlı bir diyafram veya kapalı uçlu Bourdon tübü üzerine daha küçük bir kuvvet diferansiyeli uygulayacaktır ve bu da hazne ile ortamdaki atmosfer arasındaki basınç diferansiyeli ile doğru orantılı bir harekete neden olacaktır. Bu hareket, hazne içindeki basıncın göstergesini üretmek üzere mekanik bağlantılar aracılığıyla bir kadrana bağlanabilir.

 

Yaygın olarak, bu göstergeler sadece birkaç torluk düşük basınçlara kadar yanıt verirler, çünkü basınç diferansiyeli bu basınçların aşağısında küçük kuvvet diferansiyeli üretecektir, ama daha düşük basınçlara erişen bu tip bazı göstergeler vardır. Çok ufak farkları ölçmek için zeki algılama tekniklerinin kullanıldığı kapasitans manometreleri dikkate değer bir örnektir.

 

Mekanik ölçü aletlerinin kullanımı, sıklıkla spesifikasyonların ve referansların iletimini sorun haline getiren, potansiyel olarak kafa karıştırıcı bir duruma neden olmuştur. Uğraşmamız gereken hem mutlak basınç hem de gösterge basıncı vardır. Mutlak basınç kusursuz vakumu sıfır olarak kullanırken, gösterge basıncı atmosferik basıncı sıfır olarak kullanır. Bunun anlamı, genellikle İngiliz birimleri cinsinden kalibre edilmiş bir mekanik göstergenin sıfırdan 30 inçlik vakum denilen bir değere kadar bir ibreli okumaya sahip olabilmesidir. Burada anlatılmak istenen, genel olarak kafadan mutlak basınç eşdeğerlerine çevrilmedikçe, çoğu vakum uygulayıcısı için oldukça kafa karıştırıcıdır. Örneğin, 29,5 inçlik vakum değerinde bir gösterge okuması mutlak basınçta fiilen 11 tordur.

 

Gösterge basıncının kullanımı genellikle bazı özel uygulama alanları ile sınırlıdır ama hala bir miktar kafa karışıklığı vardır. Örneğin, bir vakum uygulayıcısı sadece birkaç torluk vakum seviyeleri üretebilen bir diyaframlı pompa ile ilgilenebilir ve o zaman üreticinin spesifikasyonlarının inç vakum cinsinden listelendiğini görecektir. Aslında, bu üreticilerin çoğu birkaç torun altındaki her şeyi "derin vakum” olarak alma eğilimindedirler ve bu da açıkçası daha düşük basınçlarda çalışan uygulayıcılar tarafından çok beğenilen bir terim değildir.

 

Birkaç torun altında basınçlarda çalışan vakum uygulayıcıları, tor, milibar (mbar) veya Pascal (Pa) birimleri kullanarak, logaritmik bir açıdan mutlak basınç cinsinden düşünme eğiliminde olacaktır. Pascal, bir Hg kolonunun rakım ile değiştiğini kanıtlamak için Toricelli’nin çalışmasını genişletmiştir ve bunun için kendi birimini hak etmektedir. Bu üç birim sisteminin hepsi hazne boşaltılırken bir hazne içerisindeki azalan molekül sayısına işaret eden azalan sayılara sahiptir.

 

Her ne kadar birkaç tora kadar düşük mekanik basınç değerlendirmelerinin fiili gaz türlerini dikkate alması gerekmese de, hazneyi belirli gazlarla daha yüksek bir basınca kadar tekrar doldurmadan önce, atmosferik kazları çıkarmak için o hazneyi yeteri kadar düşük bir basınca kadar boşaltmayı gerektiren bir dizi uygulama için bu doğru değildir. Böyle durumlarda, fiili gaz veya gaz karışımı son derece öneme sahiptir. Oysa diğer yandan, sadece bir aşağı pompalama gerektiren süreçler çoğu mekanik göstergenin dibe vurduğu birkaç tor seviyesinin üzerindeki basınçlarda gaz birikimini göz ardı ederler. Atmosferik basınçtan tamamen birkaç militora veya hafif üzerine kadar okumaya izin veren konveksiyon geliştirmeli ısıl iletkenlik ölçüm aletlerinin piyasaya çıkması ile burada memnuniyet verici bir değişiklik meydana gelmiştir. Bu, aşağı pompalama ve süreç döngüleri boyunca aynı logaritmik birimlerin kullanılmasını mümkün kılmıştır. Hala, fiili gaz birikimindeki farklılıklar, sadece toplam basıncı dikkate aldığımız halde etkili olmaktadır.

 

Vakum uygulayıcısı için, toplam basınç, vakum ortamını oluşturan çeşitli gazların kısmi basınçlarının toplamıdır. Sadece toplam basınç içinde çalışmayı denemek bazı sorunlara neden olabilir. Buna iyi bir örnek, kullanılan veya karşılaşılan çeşitli gazların çok değişken ısıl iletkenliğe sahip olabileceği ısıl iletkenlik göstergelerinin kullanımıdır. Eğer Ar ile azot (N2) içinde kalibre edilmiş bir gösterge kullanarak bir hazneyi atmosferik basınca yeniden doldurmayı denediğinizde, gösterge o kadar düşük bir değer gösterir ki, bir atmosferik basınç değerine ulaşmanızdan önce hazneye aşırı basınçla doldurma ihtimaliniz vardır. Bu da bir vakum sistemini sökmenin çok tehlikeli ve pahalı bir yöntemine yol açabilir. Belki de daha önemlisi, hazne içindeki kısmi basınçlar süreç üzerinde can alıcı etkilere sahip olabilir.

 

N2 eşdeğerleri içinde kalibre edilmiş toplam basınç göstergeleri artık gazların çok değişken kısmi basınçlarına sahip olabilirken, aynı toplam basıncı göstermeye devam edebilirler. 10-3tor altındaki basınçlarda hazne içindeki ana gaz türü genellikle su buharı olduğundan, birçok süreç spesifikasyonu, süreç başlatıldıktan sonra belirli bir toplam basınç değeri gerektirecektir, ama bu da çoğunlukla su buharının daima ana unsur olduğunu varsayacaktır. Küçük bir hava kaçağı bu ortamı değiştirebilir, ama sıcak veya soğuk katot iyon göstergesi üzerindeki toplam basınç değeri aynı değeri gösterebilir. Bu da bir süreci mahvedebilir.

 

Her gaz iyon göstergeleri için farklı bir hassasiyete sahip olacağından, toplam basınç ölçümleri her zaman yanıltıcı olabilirler. Artık gaz analizörleri (RGA) bu soruna bir çözüm sunabilir. Belirli basınç aralıkları içinde kalan artık gazların hepsinin kısmi basınçlarını ölçer ve gösterirler. Genellikle, ağır hidrokarbon kirliliği beklenmedikçe, 1 ila 50 arası atomik kütle birimi (AMU) aralığı yeterlidir. Bir RGA kullanılması vakum veya süreç sorunlarını bertaraf etmeyecektir, ama süreç sorunları meydana gelmeden önce bunların önlenmesine yardımcı olacaktır.

 

Moleküler darbeler tarafından uygulanan kuvvet açısından basınç kavramı, darbelerin etkilerini gerçekten değerlendirmek için değişir. Örneğin, büyüyen bir reaktif metal ince filmi, birim zaman başına dar belerin sayısı ile doğru orantılı olarak darbeleyen aktif gaz molekülleri ile reaksiyona girecektir ve bu da basınçla doğru orantılıdır. Kullandığınız fiili birimler, tutarlı olmadıkça önemli değildir. Tor muhtemelen ABD’de en yaygın olarak kullanılan birimdir, ama Avrupa’da genellikle mbar kullanılırken Japonya’da Pa yaygındır.

 

Kaba bir çalışma için, tor ve mbar’ı dönüşümlü olarak kullanmak mümkündür, ama hassas çalışma için

tor elde etmek için mbar’ı 075 ile çarpmanız ve mbar elde etmek için toru 1,33 ile çarpmanız yeterlidir. Pa

ise biraz daha alengirlidir ve en yaygın vakum kitaplarından biri olan John O’Hanlon tarafından yazılan

 

Vakum Teknolojisi Kullanım Kılavuzunda metin boyunca Pa kullanılmış olsa bile, birçok durumda kullanımına

direnç gösterilmesi bununla açıklanabilir. Yine de çevirme işlemi o kadar da zor değildir; Pa elde etmek için tor 1,33 ile veya mbar 102 ile çarpılır. Vakum teknolojisinde basınç kavramı kesinlikle önemlidir, ama sizin süreciniz veya uygulamanız için bu terimin gerçekten ne anlama geldiğini değerlendirmek daima gereklidir. Toplam ve kısmi basınç arasındaki farklılıkların her zaman akılda tutulması gereklidir ve vakum uygulayıcılar arasında çapraziletişim için bu özellikle önemlidir. Tutarlı birimlerin sürdürülmesi eşit derecede önemlidir. Ve ayrıca gerçekten deneyimli vakum camiasının "ten’a’minus” ile özel üslü sayılara başvurduğunu sakın unutmayın.