A vákuummérők érzékenységét befolyásoló hét tényező

Mérnöki és tudományos szempontból nehéz túlzottan hangsúlyozni a mérések fontosságát.

Ezek a két tudományág lényege, amelyek segítségével egyenletekkel, táblázatokkal, grafikonokkal és számokkal magyarázzuk el az egyébként megmagyarázhatatlant. Ez viszont lehetővé teszi számunkra, hogy összehasonlítsuk, kontrasztosítsuk, megismételjük és meghatározzuk a világunkat meghatározó látszólagos káoszt.

A mérés fontosságának felismerése érdekében azonban el kell fogadnunk azt is, hogy a pontosságnak kéz a kézben kell járnia az összehasonlítás, a kontraszt, az ismétlés és a meghatározás képességével, és ugyanilyen módon el kell ismernünk, hogy a vákuummérők használatakor ezek érzékenyek a külső hatások széles körére, amelyekkel a vákuummérnököknek együtt kell dolgozniuk. (Megjegyzés a blog céljaira: a pontosság, az érzékenység és a nyomásmérő sérülésével szembeni ellenállás mind ugyanazon Venn-diagram „átfedésének” részét képezik).

A vákuummérők érzékenységét, pontosságát és károsodásokkal szembeni ellenállóképességét 7 tényező befolyásolja:

Az érzékenység sorrendjében két fő típusú nyomásmérő létezik:

• Ionizálás
• Hőérzékelés.

Mindkét típust „közvetettnek” nevezzük, de a maradék gázmolekulákhoz kapcsolódó nyomás mérésének módjában változnak.

• Az ionizációs mérőműszereket leggyakrabban alacsony nyomású mérésekhez használják, ahol a nagy pontosság nem kritikus fontosságú. Ezek a gázmolekulák ionizálásával működnek, amelyek ezután felgyorsulnak egy detektorhoz, amely méri a molekuláris ütközés által okozott áramot.
• Számos típusú hőmérő létezik, de mindegyik a termikus „szállításon” alapul, a leggyakoribb a pirani mérő. A hőmérők azon az elven működnek, hogy amikor a gázmolekulák forró felülettel érintkeznek, akkor energia kerül át a felületről a gázba. Az energiaveszteség mértéke a gázmolekulákkal való ütközések számától, és ezáltal a gáz nyomásától függ.

A vákuummérők általában nitrogénre kalibrált gyártóktól származnak (ami azt jelenti, hogy a nitrogén mérésekor 1-es korrekciós tényezőt alkalmaznak).

Ha a gáz nem nitrogén, akkor a P_i tényleges nyomást a következőképpen fejezzük ki:
P_i = ((S_N2÷S_i) x P_N2)

ahol:

• Az S_i és az S_N2 a nyomásmérő relatív érzékenysége az i gázra (a nitrogén S_N2 értéke meghatározás szerint 1,0), 
• A P_N2 a jelzett (mért) nyomás.

Ha a mért gáz gázkeveréket tartalmaz, akkor a teljes vagy részleges nyomásra vonatkozó Dalton-törvény használható ennek a korrekciónak a „bővítésére”:

ahol r_i az i gázfajták relatív aránya (parciális nyomása) a nitrogénhez képest, így r_i = P_i ÷P_N2.

Az ionizációs mérőműszerek kalibrálásához, ahol a kollektor- és emissziós áramok ismertek, a következő egyenlet alkalmazandó:

P = [I_c ÷ (S_g x I_e)]

ahol:

• I_c az iongyűjtő áramerőssége amperben, 
• I_e az elektronkibocsátási áram amperben, 
• és az S_g a gáz g érzékenységi tényezője mbar ^-1 mértékegységben, ahol
  • S_g = S_N2 x R_G 
  • és ahol R_G a gázkorrekciós érzékenységi tényező (az alábbi diagramon látható).

A vákuummérő kiválasztása a mérőműszer működési elveinek és a mérhető nyomástartománynak a megértésétől, valamint a szükséges tartomány feletti pontosságától függ.

Ezeket a tényezőket kísérletekkel határozták meg és tapasztalattal igazolták.

• A 10 mbar és a légköri nyomás közötti alacsony (durva) vákuumtartományban Bourdon csövek, gumiharangok, aktív nyúlásmérők és kapacitív érzékelők használhatók. 
• 10¹ és 10 ^-3 között a kapacitív nyomásmérő, a hőelem vagy a Pirani típusú mérőműszerek alkalmasak. 
• 10 ^-3 és 10 ^-9 mbar között a hidegkatód és a Bayard-Alpert forrókatód mérőműszerek alkalmasak (de mindkettő a használt molekulák/elektronok gyakori „letörlését”, majd újrakalibrálását igényli).

Kimutatták, hogy a nagyobb tömegű molekulák nagyobb korrekciós tényezőket igényelnek.

Hőtranszferes mérőműszerek esetében ez a nagyobb molekulákra vezethető vissza, amelyek általában nagyobb (hő-)vezetőképességgel rendelkeznek. Számos tényező járul hozzá egy adott gáztípus vezetőképességéhez, beleértve az interakciós hatásokat, a fajlagos hőt és az akkomodációs együtthatókat.

A második hőmérsékleti probléma általánosabb jellegű: bár a nyomásmérők különböző hőmérsékleteken történő használatra készültek, szélsőséges hőmérséklet esetén hibás értékeket adhatnak.

Ha a környezeti feltételek szélsőségesek (pl. túl forró vagy túl hideg), akkor a „szigetelés” elvesztése következhet be, ami az alkatrészek eróziójához vagy meghibásodásához vezethet. Továbbá, ha víz közelében használnak mérőeszközt, akkor fagy/jég hatásának kitéve szétdurranhat, vagy párásodhat a páralecsapódás miatt.

A vákuummérő pontossága számos tényezőtől függ, de általában a gyártótól érkező vákuummérő csak „durva” kalibrálással rendelkezik (amely korrekciós tényező nélkül érkezik), és a megadott tartományon belül 20-50%-os bizonytalansággal rendelkezhet.

Az állandó gázkorrekciós tényező alkalmazásával ez 10% és 20% között javulhat.

Ha azonban nagyobb pontosságra van szükség, a mérőműszereket a teljes nyomástartományban kalibrálni kell.
A kiváló minőségű mérőműszerek esetében, amelyeket minden gáztípushoz külön-külön kalibráltak az elsődleges szabványhoz képest, a pontosság 2 és 5% között növelhető.

A rendszeres (és gyakran ismétlődő) túlnyomáscsúcsok pontossági problémákat okozhatnak, és a nyomásmérő károsodásához vezethetnek.

A rezgések jelentős mértékben befolyásolják a nyomásmérők leolvasását.

Valójában a rezgések (amelyeket a motorok, nehéz gépek, szivattyúk és egyéb forgó berendezések okoznak) a nyomásmérők túlzott kopásához vezethetnek, ami pontatlan mérési eredményeket eredményezhet, valamint gyakran károsíthatja a mutatómechanizmust, mivel folyamatosan nulláról mozognak. Még megfelelő működés esetén is a rezgések megnehezíthetik a pontos leolvasást.

A folyamatos rezgésnek való kitettség a nyomásmérő meghibásodásához vezethet.

Amint láthatja, a vákuumkutatóknak számos tényezőt kell figyelembe venniük ahhoz, hogy vákuummérőik pontosan működjenek.