Hur vakuumtryck mäts

Det tryck som mäts med vakuumteknik idag täcker intervallet från 2000 mbar till 10^-12 mbar, det vill säga över 15 storleksordningar. Den enorma dynamik som här representeras kan demonstreras genom analogi mellan vakuumtryck och längdmätningar, som visas i tabell 3.1.

Analogi-analys

Mätningar görs över detta breda tryckintervall med hjälp av mätinstrument som kallas vakuummätare. Eftersom det är fysiskt omöjligt att tillverka en vakuummätare som kan göra kvantitativa mätningar över hela vakuumintervallet, finns det vissa vakuummätare som vanligtvis har ett karakteristiskt mätområde på flera storleksordningar (se figur 9.16a).

För att den största möjliga mätområdet ska kunna tilldelas individuella typer av vakuummätare, accepteras att mätosäkerheten ökar mycket snabbt, ibland upp till 100 % vid de övre och nedre gränserna för mätområdet. 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 de övre och nedre gränserna på grund av fysiska påverkan.

Vakuummätaren är en anordning för att mäta gastryck från direkt ovanför till långt under barometertrycket (DIN 28 400, Del 3, utgåva 1992). Tryckavläsningar beror ofta på typen av gas. Partialtrycken för en viss gas eller ånga mäts noggrant med ett mätinstrument som fungerar enligt principerna för en masspektrometer (för att lära dig mer, gå till avsnittet Gasanalys och masspektrometrar).

Följande vakuummätare särskiljs:

1. Per definition är en anordning som mäter tryck som en kraft verkande på en yta känd som direkt eller absolut vakuummätare. Enligt gaskinetikens teori beror denna kraft som verkar när en partikel träffar en vägg endast på antalet gasmolekyler per volymenhet (antalstäthet n av molekyler) och temperatur, men inte på molekylernas massa. Visningen på mätinstrumentet beror inte på gasens typ. Sådana enheter inkluderar mekaniska och vätskefyllda vakuummätare.

2. Utrustning med indirekt tryckmätning. Trycket bestäms som en funktion av de tryckberoende (mer exakt, densitetsberoende) egenskaperna (termisk ledningsförmåga, elektrisk ledningsförmåga, joniseringsprobabilitet) hos gasen. Dessa egenskaper beror både på molekylvikt och tryck. Tryckvisningen på mätinstrumentet beror på gastypen.

Dessa tryckmätare visar alltid testgasen luft eller kväve. För andra gaser eller ångor behöver man vanligtvis ange en korrelationsfaktor baserad på luft eller kväve (se Tabell 3.2). Kunskap om gasens sammansättning är viktig för noggrann tryckmätning med vakuummätare som mäter indirekt och som styr antalet molekyler genom att tillföra elektrisk energi. I praktiken är gasens sammansättning endast känd som en grov uppskattning. I många fall räcker det dock att veta om lätta eller tunga molekyler dominerar i en gasblandning vars tryck ska mätas (såsom väte eller vätskångor i en pump).

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

Tryckmätningar i grov vakuumområdet utförs relativt noggrant med en vakuummätare som mäter trycket direkt. Å andra sidan är mätningar av tryck så små som <10^-3 ofta drabbade av en rad grundläggande fel som begränsar mätningens noggrannhet från början. Därför är det inte jämförbart med den noggrannhet som normalt uppnås med indirekta mätinstrument.

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

Mätningar av medelvakuum kan göras med en kapacitanssensor med låg fullskala (såsom CTR100 0,1 Torr) eller, vilket är vanligare, en termisk ledningsförmågemätare (såsom TTR91RN THERMOVAC-seriens mätare) används. Det är vanligtvis här övergången från laminär till molekylär gasflöde börjar, så för bästa prestanda bör du överväga var mätaren placeras. Mätningar i detta område är vanligtvis ±15 % med en termisk ledningsförmågemätare, så du kan få en rimlig noggrannhetsnivå, men inte lika hög som vid användning av direkta mätare, vilket beskrivs i grovvakuum.

Högvakuum- och ultrahögvakuumsituationer är mer komplicerade. Beroende på installationen kan trycket vara för högt eller för lågt. Vid tillräckligt avgasade mätglasrör kan ett mycket lågt tryck registreras på grund av utgasning från vakuummätarens väggar eller otillräcklig avgasning av mätsystemet. I hög- och ultrahögvakuum kan tryckutjämning mellan vakuumsystemet och mätglasröret ta lång tid. Påverkan från mätprocessen på tryckmätningen kräver alltid särskild hänsyn.

Till exempel, i en joniseringsmätare som arbetar med en het katod, pyrolyseras gaspartiklar, särskilt av högre kolväten. Detta förändrar gasens sammansättning. Sådana effekter spelar en roll vid tryckmätningar i området för ultrahögt vakuum. Detsamma gäller för gasrensning 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 förvränger tryckmätningarna.

To measure pressure in the medium to high vacuum range with a measurement uncertainty of less than 50 %, the person testing must proceed with great care. Pressure measurements that require a few percent of accuracy take a great deal of effort and usually the use of special measuring equipment. This is especially true for all pressure measurements in the ultra-high vacuum range (p < 10^-7 mbar).

När man väljer rätt mätinstrument är det önskade tryckintervallet inte den enda faktorn som ska beaktas. De driftsförhållanden under vilka instrumentet arbetar spelar också en viktig roll. Mätningsutrustningen måste vara robust när mätningar görs under svåra driftsförhållanden, såsom hög risk för kontaminering, oförmåga att eliminera rörvibrationer och förväntade luftstötar. Bourdonmätare, membranmätare, termisk ledningsförmåga-mätare, vakuummätare med varm katodjonisation och Penningmätare används i industrianläggningar. Vissa av dessa mätinstrument är känsliga för ogynnsamma driftsförhållanden. Om orsakerna till ovanstående fel i stor utsträckning har eliminerats, bör och kan de användas framgångsrikt genom att följa bruksanvisningarna.