Hur vakuumtrycket mäts

Trycket som mäts med vakuumteknik idag sträcker sig från 2 000 mbar till 10-12 mbar, det vill säga över 15 storleksordningar. Den enorma dynamik som representeras här kan demonstreras genom analogianalys av vakuumtryck och längdmätningar, som visas i tabell 3.1.

Analys av analogier

Mätningar görs över detta breda tryckområde med mätanordningar som kallas vakuummätare. Eftersom det är fysiskt omöjligt att göra en vakuummätare som kan göra kvantitativa mätningar över hela vakuumområdet finns det vissa vakuummätare som vanligtvis har ett karakteristiskt mätområde av flera storleksordningar (se Fig. 9.16a).

För att det största möjliga mätområdet ska kunna tilldelas enskilda typer av vakuummätare medger man att mätosäkerheten ökar mycket snabbt, ibland upp till 100 % vid de övre och nedre intervallgränserna. Därför är det nödvändigt att skilja mellan det mätområde som anges i katalogen och mätområdet för den ”exakta” mätningen. Mätområdet för varje vakuummätare är begränsat till det övre och nedre området på grund av fysisk påverkan.

Vakuummätaren är en anordning för mätning av gastryck från direkt över till långt under barometertrycket (DIN 28 400, del 3, utgåva 1992). Tryckavläsningarna beror ofta på typen av gas. Partialtrycken för en viss gas eller ånga mäts exakt med ett mätinstrument som fungerar enligt principerna för en masspektrometer (för mer information, gå till avsnittet Gasanalys och masspektrometrar ).

Man skiljer mellan följande vakuummätare:

1. En enhet som mäter tryck som en kraft som verkar på en yta kallas per definition för den direkta eller absoluta vakuummätaren. Enligt teorin om gaskinetik beror den kraft som verkar när en partikel träffar en vägg endast på antalet gasmolekyler per enhetsvolym (antal densiteter n för molekyler) och temperatur, men inte på molekylernas massa. Indikeringen på mätinstrumentet är oberoende av gastypen. Exempel på sådana enheter är mekaniska och vätskefyllda vakuummätare.

2. Utrustning med indirekt tryckmätning. Trycket bestäms som en funktion av gasens tryckberoende (närmare bestämt densitetsberoende) egenskaper (värmeledningsförmåga, elektrisk konduktivitet, joniseringssannolikhet). Dessa egenskaper beror på både molekylvikt och tryck. Mätarens tryckindikering beror på gastypen.

Dessa manometrar visar alltid testgasen luft eller kväve. För andra gaser eller ångor behöver du vanligtvis ange en korrigeringsfaktor baserad på luft eller kväve (se tabell 3,2). Kunskap om gasens sammansättning är viktig för korrekt tryckmätning med indirekt mätande vakuummätare som styr sifferdensiteten genom att applicera elektrisk energi. I praktiken är gassammansättningen endast känd som en grov uppskattning. I många fall är det dock tillräckligt att veta om lätta eller tunga molekyler dominerar i en gasblandning vars tryck kommer att mätas (till exempel vätgas eller flytande ångmolekyler i en pump).

Exempel: när trycket i en gas som huvudsakligen består av pumpvätskemolekyler mäts med en joniseringsmätare är tryckavläsningen (baserad på luft eller N₂) cirka 10 gånger högre än vad som visas i tabell 3.2.

Tryckmätningar i grovvakuumområdet utförs relativt exakt med hjälp av en vakuummätare med direkt tryckmätning. Å andra sidan plågas mätningar av tryck så små som <10-3 hand ofta av en rad grundläggande fel som begränsar mätnoggrannheten från början. Därför är den inte jämförbar med den noggrannhet som normalt uppnås med indirekta mätinstrument.

För att kunna göra meningsfulla uttalanden om det tryck som vakuummätaren visar i grovvakuum måste du först överväga var och hur mätsystemet är anslutet. I alla tryckområden där laminärt flöde dominerar (1013 > p > 10 ^-1 mbar) måste den tryckgradient som orsakas av pumpen beaktas. Komponenter med hög konduktans kan också generera sådana tryckgradienter. Slutligen bör konduktansen i anslutningsledningen mellan vakuumsystemet och mätsystemet inte vara för liten eftersom ledningen töms långsamt i det laminära tryckområdet och det visade trycket blir för högt.

Mätningar av medelvakuum kan göras med en låg fullskalig kapacitanssensor (t.ex. CTR100 0.1Torr) eller, mer vanligt, en värmekonduktivitetsmätare (t.ex. TTR91RN THERMOVAC-seriens mätare). Det är oftast här övergången från laminärt till molekylärt gasflöde börjar, så för bästa prestanda bör du överväga var mätaren ska placeras. Mätningar i detta intervall är vanligtvis +-15 % med en värmekonduktivitetsmätare, så du kan få en rimlig noggrannhetsnivå, men inte lika hög som när du använder direktmätare, detaljerat i grovvakuum.

Högvakuum- och ultrahögvakuumsituationer är mer komplicerade. Beroende på installation kan trycket vara för högt eller för lågt. Vid tillräckligt avgasade mätrör kan ett mycket lågt tryck registreras på grund av avgasning av vakuummätarens väggar eller otillräcklig avgasning av mätsystemet. Vid höga och ultrahöga vakuum kan tryckutjämningen mellan vakuumsystemet och mätröret ta lång tid. Mätprocessens inverkan på tryckmätningen kräver alltid särskild hänsyn.

I en joniseringsmätanordning som arbetar på en het katod pyrolyseras till exempel gaspartiklar, särskilt av högre kolväten. Detta ändrar gasens sammansättning. Sådana effekter spelar en roll i förhållande till tryckmätningar i det ultrahöga vakuumområdet. Detsamma gäller för gasrening med joniseringsvakuummätare, särskilt kallkatodmätare (i storleksordningen 10 ^-2 till 10 ^-1 l/s). Kontaminering av mätsystemet, elektriska och magnetiska störfält, dålig isolering och oacceptabelt höga omgivningstemperaturer förvanskar tryckmätningarna.

För att mäta trycket i medel- till högvakuumområdet med en mätosäkerhet på mindre än 50 % måste testpersonen gå tillväga med stor försiktighet. Tryckmätningar som kräver några procents noggrannhet kräver mycket ansträngning och oftast användning av speciell mätutrustning. Detta gäller särskilt för alla tryckmätningar i det ultrahöga vakuumområdet (p < 10-7 mbar).

Vid val av rätt mätenhet är det inte bara önskat tryckområde som ska beaktas. Driftförhållandena som instrumentet arbetar under spelar också en viktig roll. Mätutrustningen måste vara robust när mätningar utförs under svåra driftsförhållanden, såsom hög risk för kontaminering, oförmåga att eliminera rörvibrationer och förutseende av luftstötar. Bourdonmätare, membranmätare, värmekonduktivitetsmätare, vakuummätare för varmkatodjonisering och Penningmätare används i industrianläggningar. Vissa av dessa mätinstrument är känsliga för ogynnsamma driftsförhållanden. Om orsakerna till ovanstående fel i stor utsträckning har eliminerats ska och kan de användas framgångsrikt genom att följa bruksanvisningen.