Ako sa meria podtlak

Tlak meraný vákuovou technológiou dnes pokrýva rozsah od 2 000 mbar do 10 ^{- 12} mbar, t. j. viac ako 15 rádov veľkosti. Obrovskú dynamiku, ktorú tu predstavujeme, je možné preukázať analógovou analýzou vákuového tlaku a meraní dĺžky, ako je uvedené v tabuľke 3.1.

Analýza analógie

Merania sa vykonávajú v tomto širokom rozsahu tlaku pomocou meracích zariadení nazývaných vákuometre. Keďže je fyzikálne nemožné vytvoriť vákuomer schopný kvantitatívnych meraní v celom rozsahu vákua, existujú niektoré vákuometre, ktoré zvyčajne majú charakteristický rozsah merania niekoľkých rádov veľkosti (pozri obr. 9.16a).

Aby bolo možné jednotlivým typom vákuometrov priradiť čo najväčší rozsah merania, pripúšťa sa, že neistota merania sa veľmi rýchlo zvyšuje, niekedy až na 100 % pri horných a dolných hraniciach rozsahu. Preto je potrebné rozlišovať medzi rozsahom merania uvedeným v katalógu a rozsahom merania „presného“ merania. Rozsah merania každého vákuometra je obmedzený na horný a dolný rozsah z dôvodu fyzikálneho vplyvu.

Vákuomer je zariadenie na meranie tlaku plynu priamo nad barometrickým tlakom až ďaleko pod ním (DIN 28 400, časť 3, vydanie 1992). Hodnoty tlaku často závisia od typu plynu . Parciálne tlaky konkrétneho plynu alebo pary sa presne merajú pomocou meracieho prístroja, ktorý pracuje podľa princípu hmotnostného spektrometra (viac informácií nájdete v časti Analýza plynu a hmotnostné spektrometre ).

Rozlišujú sa nasledujúce vákuometre:

1. Podľa definície je zariadenie, ktoré meria tlak ako silu pôsobiacu na povrch, známe ako priamy alebo absolútny vákuomer. Podľa teórie kinetiky plynu táto sila pôsobiaca pri náraze častice na stenu závisí len od počtu molekúl plynu na jednotku objemu (počet molekúl s hustotou n) a teploty, ale nie od hmotnosti molekúl. Zobrazenie na meracom prístroji nezávisí od druhu plynu. Medzi takéto jednotky patria mechanické a kvapalinou naplnené vákuometre.

2. Zariadenie s nepriamym meraním tlaku. Tlak sa určuje ako funkcia charakteristík plynu závislých od tlaku (presnejšie, závislých od hustoty) (tepelná vodivosť, elektrická vodivosť, pravdepodobnosť ionizácie). Tieto vlastnosti závisia od molekulárnej hmotnosti aj od tlaku. Zobrazenie tlaku meracieho prístroja závisí od druhu plynu.

Tieto manometre vždy ukazujú skúšobný plyn vzduch alebo dusík. Pre iné plyny alebo výpary je zvyčajne potrebné špecifikovať korekčný faktor založený na vzduchu alebo dusíku (pozri tabuľku 3,2). Znalosť zloženia plynu je dôležitá pre presné meranie tlaku s nepriamo merajúcimi vákuometrami, ktoré riadia hustotu čísla aplikáciou elektrickej energie. V praxi je zloženie plynu známe len ako približný odhad. V mnohých prípadoch však stačí vedieť, či v zmesi plynu, ktorej tlak sa bude merať, prevažujú ľahké alebo ťažké molekuly (napríklad molekuly vodíka alebo kvapalných výparov v čerpadle).

Príklad: keď sa tlak plynu, ktorý sa v podstate skladá z molekúl čerpanej kvapaliny, meria pomocou ionizačného meracieho zariadenia, hodnota tlaku (na základe vzduchu alebo N₂) je približne 10-krát vyššia, ako je uvedené v tabuľke 3.2.

Merania tlaku v rozsahu hrubého vákua sa vykonávajú relatívne presne pomocou vákuometra s priamym meraním tlaku. Na druhej strane, merania tlaku, ktoré sú už <10 ^-3 ručičky, sú často trápené sériou základných chýb, ktoré od začiatku obmedzujú presnosť merania. Preto nie je porovnateľná s presnosťou, ktorá sa zvyčajne dosahuje nepriamymi meracími zariadeniami.

Aby ste mohli urobiť zmysluplné vyjadrenia o tlaku zobrazenom meračom vákua v hrubom vákuu, musíte najprv zvážiť, kde a ako je merací systém pripojený. Vo všetkých tlakových rozsahoch, v ktorých prevláda laminárny prietok (1013 > p > 10 ^-1 mbar), sa musí zohľadniť tlakový gradient spôsobený čerpadlom. Takéto tlakové gradienty môžu vytvárať aj komponenty s vysokou vodivosťou. Nakoniec by vodivosť spojovacieho vedenia medzi vákuovým systémom a meracím systémom nemala byť príliš malá, pretože vedenie bude pomaly vypúšťať v rozsahu laminárneho tlaku a zobrazený tlak bude príliš vysoký.

Merania stredného vákua je možné vykonávať pomocou snímača s nízkou plnou kapacitou (napríklad CTR100 0,1 Torr) alebo bežnejšie pomocou merača tepelnej vodivosti (napríklad merače série TTR91RN THERMOVAC). To je zvyčajne miesto, kde začína prechod z laminárneho na molekulárny prietok plynu, takže pre čo najlepší výkon by ste mali zvážiť, kde umiestniť merací prístroj. Merania v tomto rozsahu sú zvyčajne +-15 % pomocou merača tepelnej vodivosti, takže môžete dosiahnuť primeranú úroveň presnosti, ale nie takú vysokú ako pri použití priamych meračov, podrobne v hrubom vákuu.

Situácie s vysokým vákuom a ultravysokým vákuom sú zložitejšie. V závislosti od inštalácie môže byť tlak príliš vysoký alebo príliš nízky. V prípade dostatočne odplynených meracích trubíc môže byť zaznamenaný veľmi nízky tlak v dôsledku odplynenia stien vákuometra alebo nedostatočného odplynenia meracieho systému. Pri vysokom a ultravysokom podtlaku môže vyrovnanie tlaku medzi podtlakovým systémom a meracou trubicou trvať dlho. Vplyv procesu merania na meranie tlaku si vždy vyžaduje osobitné zváženie.

Napríklad v zariadení na meranie ionizácie pracujúcom na horúcej katóde sa častice plynu, najmä vyššieho obsahu uhľovodíkov, pyrolyzujú. Tým sa zmení zloženie plynu. Takéto účinky zohrávajú úlohu pri meraní tlaku v rozsahu ultravysokého vákua. To isté platí pre čistenie plynu pomocou ionizačných vákuových meračov, najmä meračov so studenou katódou (v rozsahu 10 ^-2 až 10 ^-1 l/s). Znečistenie meracieho systému, elektrické a magnetické rušivé polia, zlá izolácia a neprijateľne vysoké okolité teploty skresľujú merania tlaku.

Pri meraní tlaku v rozsahu stredného až vysokého vákua s neistotou merania menšou ako 50 % musí osoba vykonávajúca testovanie postupovať veľmi opatrne. Merania tlaku, ktoré si vyžadujú niekoľkopercentnú presnosť, si vyžadujú veľké úsilie a zvyčajne použitie špeciálnych meracích zariadení. Platí to najmä pre všetky merania tlaku v rozsahu ultravysokého vákua (p < 10 ^-7 mbar).

Pri výbere správneho meracieho zariadenia nie je jediným faktorom, ktorý treba zvážiť, požadovaný rozsah tlaku. Dôležitú úlohu zohrávajú aj prevádzkové podmienky, v ktorých prístroj pracuje. Meracie zariadenia musia byť robustné pri vykonávaní meraní v náročných prevádzkových podmienkach, ako je vysoké riziko kontaminácie, neschopnosť eliminovať vibrácie potrubia a predvídanie výbuchov vzduchu. V priemyselných závodoch sa používajú merače Bourdon, membránové merače, merače tepelnej vodivosti, merače vákua s ionizáciou horúcou katódou a merače Penning. Niektoré z týchto meracích zariadení sú citlivé na nepriaznivé prevádzkové podmienky. Ak boli príčiny vyššie uvedených porúch do značnej miery odstránené, mali by sa a môžu úspešne použiť podľa návodu na obsluhu.