Tujuh faktor yang mempengaruhi kepekaan pengukur vakum

Dari segi kejuruteraan dan sains, adalah sukar untuk menekankan betapa pentingnya pengukuran.

Mereka adalah intipati sebenar bagi kedua-dua disiplin ini, yang kita gunakan untuk menerangkan perkara yang sebaliknya tidak dapat dijelaskan dengan persamaan, jadual, graf dan angka. Dengan itu, ia membolehkan kita membandingkan, membezakan, mengulang dan mendefinisikan kekacauan yang jelas yang mendefinisikan dunia kita.

Namun, dalam menghargai kepentingan pengukuran, kita juga mesti menerima bahawa ketepatan harus seiring dengan kemampuan untuk membandingkan, membezakan, mengulang dan mendefinisikan, dan sama juga kita mesti mengakui bahawa ketika menggunakan pengukur vakum, ia sensitif kepada pelbagai pengaruh luar yang perlu dihadapi dan diatasi oleh jurutera vakum. (N.B. untuk tujuan blog ini: ketepatan, kepekaan dan ketahanan terhadap kerosakan pengukuran, semuanya adalah sebahagian daripada "overlap" Venn Diagram yang sama).

Terdapat 7 faktor yang mempengaruhi sensitiviti, ketepatan dan ketahanan terhadap kerosakan pengukur vakum.

Mengikut urutan kepekaan, terdapat dua jenis utama pengukur tekanan:

• Ionisasi
• Thermal.

Kedua-dua jenis ini dikenali sebagai "tidak langsung", tetapi berbeza dalam cara mereka mengukur tekanan yang berkaitan dengan molekul gas residu.

• Pengukur ionisasi biasanya digunakan untuk pengukuran tekanan rendah di mana ketepatan tinggi tidak kritikal. Ia berfungsi dengan mengionisasi molekul gas, yang kemudiannya dipercepatkan ke detektor, yang mengukur sebarang arus yang disebabkan oleh impak molekul.
• Terdapat beberapa jenis pengukur termal, tetapi setiap satu berdasarkan kepada "pengangkutan" termal, dengan pengukur Pirani menjadi yang paling biasa. Alat pengukur termal berfungsi berdasarkan prinsip bahawa apabila molekul gas bersentuhan dengan permukaan panas, akan berlaku pemindahan tenaga dari permukaan ke gas. Kadar kehilangan tenaga akan bergantung kepada bilangan perlanggaran dengan molekul gas, dan oleh itu tekanan gas tersebut.

Pengukur vakum biasanya datang dari pengeluar yang mengkalibrasi untuk nitrogen (yang bermaksud bahawa apabila mengukur nitrogen, terdapat faktor pembetulan 1).

Jika gas tersebut berbeza daripada nitrogen, maka tekanan sebenar P_i dinyatakan sebagai:
P_i = ((S_N2÷S_i) x P_N2)

di mana:

• S_i dan S_N2 adalah kepekaan relatif alat ukur terhadap gas i (dengan S_N2 nitrogen yang, mengikut definisi, sama dengan 1,0), 
• P_N2 adalah tekanan yang ditunjukkan (diukur).

Jika gas yang diukur mengandungi campuran gas, maka hukum Dalton untuk tekanan total atau separa boleh digunakan untuk "memperluas" pembetulan ini:

di mana r_i adalah nisbah relatif (tekanan separa) bagi spesies gas i berbanding dengan nitrogen, jadi r_i = P_i ÷P_N2.

Untuk kalibrasi pengukur ionisasi, di mana arus pengumpul dan emisi diketahui, persamaan berikut berlaku:

P = [I_c ÷ (S_g x I_e)]

di mana:

• I_c adalah arus pengumpul ion dalam amp. 
• I_e adalah arus emisi elektron dalam ampere, 
• dan S_g adalah faktor kepekaan untuk gas g dalam unit mbar^-1, dan di mana
  • S_g = S_N2 x R_G 
  • dan di mana R_G adalah faktor sensitiviti pembetulan gas (seperti yang ditunjukkan dalam graf di bawah).

Pemilihan pengukur vakum bergantung kepada pemahaman tentang prinsip kerja pengukur tersebut, dan julatan tekanan yang boleh diukur, serta ketepatannya dalam julat yang diperlukan.

Faktor-faktor ini telah ditentukan melalui eksperimen dan disahkan melalui pengalaman.

• Untuk julat vakum rendah (kasar) antara 10 mbar dan atmosfera, tiub Bourdon, belos, pengukur regangan aktif dan sensor kapasitans adalah sesuai. 
• Antara 10¹ dan 10^-3, manometer kapasitif, termokopel atau pengukur jenis Pirani adalah sesuai. 
• Antara 10^-3 dan 10^-9 mbar, pengukur katod sejuk dan pengukur katod panas Bayard-Alpert adalah sesuai (tetapi kedua-duanya memerlukan "pembersihan" molekul/electron yang telah digunakan dengan kerap dan kemudian kalibrasi semula).

Telah ditunjukkan bahawa molekul dengan jisim yang lebih tinggi cenderung memerlukan faktor pembetulan yang lebih besar.

Dalam kes pengukur pemindahan terma, ini boleh dikaitkan dengan molekul yang lebih besar biasanya mempunyai konduktiviti (panas) yang lebih tinggi. Terdapat beberapa faktor yang menyumbang kepada konduktiviti jenis gas tertentu, termasuk kesan interaksi, haba spesifik dan koefisien akomodasi.

Isu suhu kedua adalah jenis yang lebih umum: walaupun pengukur tekanan direka untuk digunakan pada pelbagai suhu, mereka mungkin memberikan bacaan yang salah jika suhunya melampau.

Jika keadaan persekitaran berada pada ekstrem (iaitu terlalu panas atau terlalu sejuk), maka boleh berlaku kehilangan "pengekalan" yang boleh menyebabkan komponen terhakis atau rosak. Selain itu, jika alat pengukur digunakan di sekitar air, ia mungkin pecah jika terdedah kepada embun beku/ais atau menjadi berkabut akibat pemeluwapan.

Ketepatan pengukur vakum akan bergantung kepada banyak faktor tetapi secara amnya, pengukur akan tiba dari pengeluar dengan hanya kalibrasi "kasar" (yang tanpa faktor pembetulan yang digunakan) dan boleh mempunyai ketidakpastian antara 20 hingga 50% dalam julat yang dinyatakan.

Menggunakan faktor pembetulan gas yang tetap boleh meningkatkan ini kepada antara 10 dan 20%.

Walau bagaimanapun, di mana ketepatan yang lebih tinggi diperlukan, alat pengukur harus dikalibrasi di seluruh julat tekanan.
Untuk pengukur berkualiti tinggi, yang dikalibrasi secara individu untuk setiap jenis gas di seluruh julat berbanding dengan piawaian utama, ketepatan boleh ditingkatkan kepada antara 2 hingga 5%.

Lonjakan tekanan berlebihan yang biasa (dan sering berulang) boleh menyebabkan masalah ketepatan dan membawa kepada kerosakan pada pengukur.

Getaran mempunyai impak yang sangat kurang dihargai terhadap bacaan pengukur tekanan.

Sebenarnya, getaran (disebabkan oleh motor, mesin berat, pam dan peralatan berputar lain) boleh mengakibatkan kehausan yang berlebihan pada pengukur tekanan, yang mengakibatkan bacaan yang tidak tepat, serta sering menyebabkan kerosakan mekanisme jarum kerana ia sentiasa bergerak dari sifar. Walaupun berfungsi dengan baik, getaran boleh menyukarkan pengambilan bacaan yang tepat.

Pendedahan kepada getaran berterusan boleh menyebabkan kegagalan pengukur.

Seperti yang anda lihat, terdapat beberapa faktor yang perlu dipertimbangkan oleh para saintis vakum untuk memastikan pengukur vakum mereka berfungsi dengan tepat.