Hoe de vacuümdruk wordt gemeten

De druk die tegenwoordig door vacuümtechnologie wordt gemeten, varieert van 2000 mbar tot 10-12 mbar, d.w.z. meer dan 15 ordes van grootte. De enorme dynamiek die hier wordt weergegeven, kan worden aangetoond door analogieanalyse van vacuümdruk- en lengtemetingen, zoals weergegeven in tabel 3.1.

Analoog onderzoek

Metingen over dit brede drukbereik worden uitgevoerd met behulp van meetinstrumenten die vacuümmeters worden genoemd. Aangezien het fysiek onmogelijk is om een vacuümmeter te maken die in staat is om kwantitatieve metingen over het hele vacuümbereik uit te voeren, zijn er enkele vacuümmeters die gewoonlijk een karakteristiek meetbereik van verschillende ordes van grootte hebben (zie Afb. 9.16a).

Om het grootst mogelijke meetbereik aan afzonderlijke typen vacuümmeters te kunnen toewijzen, moet worden toegegeven dat de meetonzekerheid zeer snel toeneemt, soms tot 100% aan de boven- en ondergrens van het bereik. Daarom moet een onderscheid worden gemaakt tussen het in de catalogus gespecificeerde meetbereik en het meetbereik van de 'nauwkeurige' meting. Het meetbereik van elke vacuümmeter is vanwege fysieke invloeden beperkt tot het bovenste en onderste bereik.

De vacuümmeter is een apparaat voor het meten van de gasdruk direct boven tot ver onder de barometrische druk (DIN 28.400, deel 3, uitgave 1992). Drukwaarden zijn vaak afhankelijk van het type gas. De deeldrukken van een bepaald gas of damp worden nauwkeurig gemeten met een meetinstrument dat werkt volgens de principes van een massaspectrometer (meer informatie vindt u in het hoofdstuk Gasanalyse en massaspectrometers ).

Er wordt onderscheid gemaakt tussen de volgende vacuümmeters:

1. Per definitie wordt een apparaat dat druk meet als een kracht die op een oppervlak inwerkt, de directe of absolute vacuümmeter genoemd. Volgens de theorie van de gaskinetiek hangt deze kracht die optreedt wanneer een deeltje een wand raakt alleen af van het aantal gasmoleculen per eenheidsvolume (aantal dichtheid n van moleculen) en de temperatuur, maar niet van de massa van moleculen. De weergave op het meetinstrument is niet afhankelijk van het type gas. Hiertoe behoren mechanische en vloeistofgevulde vacuümmeters.

2. Apparatuur met indirecte drukmeting. De druk wordt bepaald als functie van de drukafhankelijke (meer bepaald dichtheidsafhankelijke) eigenschappen (warmtegeleiding, elektrische geleidbaarheid, ionisatiewaarschijnlijkheid) van het gas. Deze eigenschappen zijn afhankelijk van zowel het moleculaire gewicht als de druk. De drukweergave van het meetinstrument is afhankelijk van het type gas.

Deze manometers geven altijd het testgas lucht of stikstof aan. Voor andere gassen of dampen moet u gewoonlijk een correctiefactor op basis van lucht of stikstof opgeven (zie tabel 3,2). Kennis van de gassamenstelling is belangrijk voor een nauwkeurige drukmeting met indirect metende vacuümmeters die de getaldichtheid regelen door elektrische energie toe te passen. In de praktijk is de gassamenstelling slechts een ruwe schatting. In veel gevallen is het echter voldoende om te weten of lichte of zware moleculen overheersen in een gasmengsel waarvan de druk wordt gemeten (zoals waterstof- of vloeibare dampmoleculen in een pomp).

Voorbeeld: wanneer de druk van een gas dat hoofdzakelijk uit pompvloeistofmoleculen bestaat, wordt gemeten met een ionisatiemeetapparaat, is de drukaflezing (op basis van lucht of N₂) ongeveer 10 keer hoger dan aangegeven in tabel 3.2.

Drukmetingen in het grofvacuümbereik worden relatief nauwkeurig uitgevoerd met behulp van een vacuümmeter met directe drukmeting. Aan de andere kant worden metingen van drukwaarden tot <10 ^-3 hand vaak geplaagd door een reeks basisfouten die de meetnauwkeurigheid vanaf het begin beperken. Daarom is het niet vergelijkbaar met de nauwkeurigheid die normaal gesproken wordt bereikt met indirecte meetinstrumenten.

Om zinvolle uitspraken te kunnen doen over de druk die door de vacuümmeter in grofvacuüm wordt weergegeven, moet u eerst overwegen waar en hoe het meetsysteem is aangesloten. In alle drukbereiken waar laminaire stroming overheerst (1013 > p > 10 ^-1 mbar), moet rekening worden gehouden met de drukgradiënt die door de pomp wordt veroorzaakt. Componenten met een hoge geleidbaarheid kunnen ook dergelijke drukgradiënten genereren. Ten slotte mag de geleiding van de verbindingsleiding tussen het vacuümsysteem en het meetsysteem niet te klein zijn, omdat de leiding in het laminaire drukbereik langzaam leegloopt en de weergegeven druk te hoog is.

Middenvacuümmetingen kunnen worden uitgevoerd met een capaciteitssensor met een lage volledige schaal (zoals CTR100 0,1 Torr) of vaker wordt een thermische geleidbaarheidsmeter (zoals de TTR91RN THERMOVAC-serie meters) gebruikt. Dit is meestal waar de overgang van laminaire naar moleculaire gasstroom begint. Voor de beste prestaties moet u dus overwegen waar de meter moet worden geplaatst. Metingen in dit bereik zijn gewoonlijk +-15% met een thermische geleidbaarheidsmeter, dus u kunt een redelijk nauwkeurigheidsniveau verkrijgen, maar niet zo hoog als bij het gebruik van directe meters, gedetailleerd in ruw vacuüm.

Hoogvacuüm- en ultrahoogvacuümsituaties zijn ingewikkelder. Afhankelijk van de installatie kan de druk te hoog of te laag zijn. Bij voldoende ontgaste meetbuizen kan door ontgassing van de wanden van de vacuümmeter of onvoldoende ontgassing van het meetsysteem een zeer lage druk worden geregistreerd. Bij hoog- en ultrahoogvacuüm kan de drukvereffening tussen het vacuümsysteem en de meetbuis lang duren. De invloed van het meetproces op de drukmeting moet altijd in overweging worden genomen.

Bijvoorbeeld in een ionisatiemeetapparaat dat op een hete kathode werkt, worden gasdeeltjes, met name van hogere koolwaterstoffen, gepyrolyseerd. Hierdoor verandert de samenstelling van het gas. Dergelijke effecten spelen een rol bij drukmetingen in het ultrahoogvacuümbereik. Hetzelfde geldt voor de gasreiniging met ionisatievacuümmeters, in het bijzonder koudkathodemeters (in de orde van 10 ^-2 tot 10 ^-1 l/s). Verontreiniging van het meetsysteem, elektrische en magnetische storingsvelden, slechte isolatie en onaanvaardbaar hoge omgevingstemperaturen vervalsen de drukmetingen.

Bij het meten van druk in het midden- tot hoogvacuümbereik met een meetonzekerheid van minder dan 50 % moet de persoon die de test uitvoert zeer voorzichtig te werk gaan. Drukmetingen die een nauwkeurigheid van een paar procent vereisen, vergen veel inspanning en meestal het gebruik van speciale meetapparatuur. Dit geldt met name voor alle drukmetingen in het ultrahoogvacuümbereik (p < 10 ^-7 mbar).

Bij de keuze van het juiste meetinstrument is het gewenste drukbereik niet de enige factor waarmee rekening moet worden gehouden. De bedrijfsomstandigheden waaronder het instrument werkt, spelen ook een belangrijke rol. Meetapparatuur moet robuust zijn bij het uitvoeren van metingen onder moeilijke bedrijfsomstandigheden, zoals een hoog risico op verontreiniging, het onvermogen om leidingtrillingen te elimineren en het anticiperen op luchtstoten. Bourdonmeters, diafragmameters, thermische geleidbaarheidsmeters, vacuümmeters voor warme kathode-ionisatie en Penningmeters worden gebruikt in industriële installaties. Sommige van deze meetinstrumenten zijn gevoelig voor ongunstige bedrijfsomstandigheden. Als de oorzaken van de bovengenoemde fouten grotendeels zijn verholpen, moeten en kunnen ze met succes worden gebruikt door de gebruiksaanwijzing te volgen.