Miten alipaine mitataan

Nykyään tyhjiötekniikalla mitattu paine kattaa alueen 2000 mbarista 10 ^-12 mbariin, eli yli 15 suuruusluokkaa. Tässä esitetty valtava dynamiikka voidaan osoittaa alipaine- ja pituusmittausten analogia-analyysillä, kuten taulukossa 3.1 on esitetty.

Analogia-analyysi

Mittaukset tehdään tällä laajalla painealueella alipainemittareiksi kutsutuilla mittauslaitteilla. Koska on fyysisesti mahdotonta valmistaa alipainemittaria, joka pystyy mittaamaan kvantitatiivisesti koko alipainealueen, on olemassa alipainemittareita, joiden tyypillinen mittausalue on yleensä useita suuruusluokkia (katso kuva 9.16a).

Jotta yksittäisille alipainemittarityypeille voitaisiin määrittää suurin mahdollinen mittausalue, on myönnettävä, että mittausepävarmuus kasvaa hyvin nopeasti, joskus jopa 100 % alueen ylä- ja alarajoilla. Siksi on erotettava luettelossa ilmoitettu mittausalue ja ”tarkan” mittauksen mittausalue. Kunkin alipainemittarin mittausalue on rajoitettu ylä- ja ala-alueeseen fyysisen vaikutuksen vuoksi.

Tyhjiömittari on laite kaasunpaineen mittaamiseen suoraan ilmakehän paineen ylä- tai alapuolelta (DIN 28 400, osa 3, painos 1992). Painelukemat riippuvat usein kaasutyypistä . Tietyn kaasun tai höyryn osapaineet mitataan tarkasti massaspektrometrin periaatteita noudattavalla mittauslaitteella (lisätietoja on kohdassa Kaasuanalyysi ja massaspektrometrit ).

Seuraavat alipainemittarit ovat käytettävissä:

1. Määritelmän mukaan laitetta, joka mittaa painetta pintaan vaikuttavana voimana, kutsutaan suoraksi tai absoluuttiseksi alipainemittariksi. Kaasukinetiikan teorian mukaan hiukkasen seinään osuessa vaikuttava voima riippuu vain kaasumolekyylien määrästä tilavuusyksikköä kohden (molekyylien tiheys n) ja lämpötilasta, mutta ei molekyylien massasta. Mittauslaitteen näyttö ei riipu kaasutyypistä. Tällaisia laitteita ovat mekaaniset ja nestetäytteiset alipainemittarit.

2. Laitteet, joissa on epäsuora paineenmittaus. Paine määritetään kaasun paineesta riippuvaisten (tarkemmin sanottuna tiheydestä riippuvaisten) ominaisuuksien (lämmönjohtavuus, sähkönjohtavuus, ionisoitumisen todennäköisyys) funktiona. Nämä ominaisuudet riippuvat sekä molekyylipainosta että paineesta. Mittauslaitteen painenäyttö riippuu kaasutyypistä.

Nämä painemittarit näyttävät aina testikaasun ilman tai typen. Muiden kaasujen tai höyryjen kohdalla on yleensä määritettävä ilman tai typen korjauskerroin (katso taulukko 3,2). Kaasun koostumuksen tunteminen on tärkeää paineen tarkan mittauksen kannalta epäsuorasti mittaavilla tyhjiömittareilla, jotka säätelevät numerotiheyttä sähköenergian avulla. Käytännössä kaasun koostumus tunnetaan vain karkeana arviona. Monissa tapauksissa kuitenkin riittää, että tiedetään, ovatko kaasuseoksessa, jonka paine mitataan, kevyitä vai raskaita molekyylejä (kuten vedyn tai nestemäisen höyryn molekyylejä pumpussa).

Esimerkki: kun pääasiassa pumpun nestemolekyyleistä koostuvan kaasun paine mitataan ionisaatiomittarilla, painelukema (ilman tai N₂:n perusteella) on noin 10 kertaa suurempi kuin taulukossa 3.2 esitetty.

Painemittaukset karkealla alipainealueella suoritetaan suhteellisen tarkasti alipainemittarilla, jossa on suora painemittaus. Toisaalta jopa <10-3 käden painemittauksissa esiintyy usein perusvirheitä, jotka rajoittavat mittaustarkkuutta alusta alkaen. Siksi se ei ole verrattavissa epäsuorilla mittauslaitteilla normaalisti saavutettavaan tarkkuuteen.

Jotta voit antaa merkityksellisiä lausuntoja alipainemittarin näyttämästä paineesta karkeassa alipaineessa, sinun on ensin mietittävä, mihin ja miten mittausjärjestelmä on liitetty. Kaikilla painealueilla, joilla vallitsee laminaarinen virtaus (1013 > p > 10 ^-1 mbar), on otettava huomioon pumpun aiheuttama painegradientti. Korkean johtavuuden komponentit voivat myös tuottaa tällaisia painegradientteja. Lopuksi alipainejärjestelmän ja mittausjärjestelmän välisen liitäntälinjan johtavuus ei saa olla liian pieni, koska linja tyhjenee hitaasti laminaarisella painealueella ja näytetty paine on liian korkea.

Keskityhjiömittaukset voidaan tehdä pienellä täysimittaisella kapasitanssianturilla (kuten CTR100 0.1Torr) tai yleisemmin lämpöjohtavuusmittarilla (kuten TTR91RN THERMOVAC -sarjan mittarit). Tästä alkaa yleensä siirtyminen laminaarisesta kaasuvirtauksesta molekyylikaasuvirtaukseen, joten mittarin sijoituspaikkaa on harkittava parhaan suorituskyvyn varmistamiseksi. Mittaukset tällä alueella ovat tyypillisesti +-15 % lämpöjohtavuusmittarilla, joten voit saada kohtuullisen tarkkuuden, mutta ei yhtä korkean kuin käytettäessä suoria mittareita, yksityiskohtaisesti karkeassa tyhjiössä.

Suuralipaine- ja ultrasuuralipainetilanteet ovat monimutkaisempia. Asennuksesta riippuen paine voi olla liian korkea tai liian matala. Riittävästi kaasuttomissa mittausputkissa voi alipainemittarin seinämien kaasuttomuuden tai mittausjärjestelmän riittämättömän kaasuttomuuden takia havaita hyvin alhaisen paineen. Suurissa ja erittäin suurissa tyhjiöissä alipainejärjestelmän ja mittausputken välinen paineentasaus voi kestää kauan. Mittausprosessin vaikutus paineenmittaukseen vaatii aina erityistä harkintaa.

Esimerkiksi kuumalla katodilla toimivassa ionisaatiomittauslaitteessa kaasuhiukkaset, erityisesti korkeammat hiilivedyt, pyrolyysataan. Tämä muuttaa kaasun koostumusta. Tällaisilla vaikutuksilla on merkitystä ultrakorkean alipaineen painemittauksissa. Sama koskee kaasunpuhdistusta ionisaatiotyhjiömittareilla, erityisesti kylmäkatodimittareilla (10 ^-2 - 10 ^-1 l/s). Mittausjärjestelmän likaantuminen, sähkö- ja magneettiset häiriökentät, huono eristys ja liian korkeat ympäristön lämpötilat vääristävät painemittauksia.

Jos paine mitataan keski- tai korkean alipaineen alueella, jonka mittausepävarmuus on alle 50 %, testaajan on toimittava erittäin huolellisesti. Muutaman prosentin tarkkuutta vaativat painemittaukset vaativat paljon vaivaa ja yleensä erityisten mittauslaitteiden käyttöä. Tämä pätee erityisesti kaikkiin painemittauksiin erittäin korkean alipaineen alueella (p < 10 ^-7 mbar).

Oikeaa mittalaitetta valittaessa haluttu painealue ei ole ainoa huomioon otettava tekijä. Myös käyttöolosuhteilla, joissa laite toimii, on tärkeä rooli. Mittauslaitteiden on oltava kestäviä, kun mittauksia tehdään vaikeissa käyttöolosuhteissa, kuten suuressa kontaminaatioriskissä, kyvyttömyydessä poistaa putkien tärinää ja ilmapurkausten ennakoinnissa. Teollisuuslaitoksissa käytetään Bourdon-mittareita, kalvomittareita, lämpöjohtavuusmittareita, kuumakatodi-ionisaatiotyhjiömittareita ja Penning-mittareita. Jotkin näistä mittauslaitteista ovat herkkiä haitallisille käyttöolosuhteille. Jos edellä mainittujen vikojen syyt on poistettu pääosin, niitä on käytettävä ja niitä voidaan käyttää onnistuneesti käyttöohjeita noudattamalla.