Vakuummessung / Totaldruckmessung

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1 Folie 1 Vakuummessung / Totaldruckmessung Druck ist nach der Definition: p=f/a und nach der Zustandsgleichung: p=nkt und damit der Teilchendichte proportional zwei Wege zur Druckmessung: 1. Direkte Druckmessung Messung der mechanischen Kraft auf eine Fläche 2. Indirekte Druckmessung Messung der Teilchendichte oder einer der Teilchendichte proportionalen physikalischen Größe und darüber den Druck Trennung über die Druckbereiche: bei kleinen Drücken ist die auf eine Fläche ausgeübte Kraft zu klein, um meßtechnisch erfaßt werden zu können. Grenze etwa bei 10-2 mbar (für technische Geräte) und bei 10-6 mbar mit erheblichem meßtechnischen Aufwand (käufliche Geräte: Baratron) Der für die Vakuumtechnik interessante Druckbereich erstreckt sich über 15 Zehnerpotenzen: Atmosphärendruck (1000mbar) bis Ultrahochvakuum (bestes UHV mbar) Für unterschiedliche Drücke und Druckbereiche sind verschiedene Vakuummeter einzusetzen. Die unterschiedlichen Vakuummeter unterscheiden sich nach: 1. Physikalisches Wirkprinzip 2. Messbereich (Druckbereich) 3. Genauigkeit, Reproduzierbarkeit 4. Zuverlässigkeit 5. Messwiederholfrequenz (kontinuierlich, diskontinuierlich) 6. Meßtechnischer Aufwand und Preis 7. Sicherheit, Bedienfreundlichkeit Symbole: unterschiedliche für unterschiedliche Vakuummeter, aber allgemein:

2 Folie 2 Tabelle: unterschiedliche Vakuummeter für die entsprechenden Druckbereiche:

3 Folie 3 Mechanische Vakuummeter 1. Membranvakuummeter Eine Kraft auf die Fläche einer Membran bewirkt deren Durchbiegung. Diese Durchbiegung wird zur Druckmessung genutzt: Prinzip: Kraft auf die Membran: F=(p 1 -p 2 )A Membranvakuummeter messen die Druckdifferenz zwischen den Drücken in zwei Kammern zwei Wege: 1. Vergleichskammer p 2 auf Atmosphärendruck ungenau, da dieser schwankt und von der Lage (Höhe) und vom Wetter abhängt z.b. Röhrenfedervakuummeter (nach Bourdon)

4 Folie 4 Ungenauigkeit liegt in der Größenordnung der Schwankung des Atmosphärendrucks; justierbar auf 0' vor der Messung verbessert das (ein wenig) 1. Vergleichskammer p 2 auf idealem Vakuum p 2 <<p 1 unter dieser Bedingung mißt man mit p 1 das wirkliche Vakuum; Beispiel Membranvakuummeter: Die Auslenkung der Membran kann gemessen werden: 1. mechanisch (Siehe Skizze) 2. induktiv 3. kapazitiv Baratron von MKS hochgenau mit p min =10-6 mbar und 5-6 Dekaden Dynamik 4. piezo-resistiv 5. Dehnungsmeßstreifen (In Brückenschaltung) Membran-Vakuummeter auch als Differenzdruck-Vakuummeter erhältlich; dann beide Seiten der Membran an Vakuumflansch angeschlossen; Membranvakuummeter auch für vakuumausgelöste Schaltvorgänge geeignet. Zur Prozesssteuerung und Überwachung (Beispiel: Verdampfer erst einschalten, wenn die Anlage auf Vakuum ist..) 2. Reibungsvakuummeter physikalisches Prinzip: Die Reibungskraft ist abhängig von der dynamischen Viskosität η eines Gases im Vakuum.

5 Folie 5 Bei hohen Drücken (mittlere freie Weglänge << geometrische Dimension) ist die dyn. Viskosität η unabhängig vom Druck und entspricht der sogen. inneren dynamischen Viskosität. Bei niedrigen Drücken (mittlere freie Weglänge >> geometrische Dimension) ist die dyn. Viskosität η proportional dem Druck (äußere dynamischen Viskosität) und kann zur Vakuummessung benutzt werden. Früher verschiedene Prinzipien: Pendel im Vakuum, Drehscheibe im Vakuum ± Problem: Reibung am Drehpunkt nicht vernachlässigbar ± begrenzt den messbaren Minimaldruck erheblich Lösung: eine magnetisch gelagerte, im Vakuum schwebende Kugel dreht sich und die Bremsung durch Reibung wird gemessen: Prinzip: Arbeitsweise: die durch verschiedene Spulen und Permanentmagnete schwebende Kugel ist selbst magnetisch. Wird auf Nenndrehzahl (mit rotierendem magnetischen Feld) beschleunigt. 1. Danach wird die Erregung abgeschaltet; nach Zeitintervall t wird die Drehfrequenz gemessen und über den Geschwindigkeitsverlust auf die Reibung und den Druck geschlossen (diskontinuierliche Messung) 2. Die Leistung, die zum Aufrechterhalten der Nenndrehzahl nötig ist, wird in Reibungsenergie umgesetzt und ist ein Maß für den Druck (kontinuierliche Messung) Beispiel: Kugel (Durchmesser 4.5mm bei 410 s -1 und ca mbar) braucht 18 h, um die Drehzahl um 1s -1 zu reduzieren!

6 Folie 6 Eigenschaften: Minimaler Druckbereich für kommerzielle Geräte bis zu 10-7 mbar Messgenauigkeit bis zu 2% über den gesamten Druckbereich zum Kalibrieren anderer Vakuummeßgeräte geeignet altert oder verbraucht sich nicht, lange Lebensdauer Gefahr der Kontaminierung in Prozesssystemen temperaturabhängig -> Messkapsel wird auf 45 C termostatiert; teuer am besten in separaten Eichapparaturen! Im Prozess andere Vakuummeter Flüssigkeitsvakuummeter 3. Offenes und Geschlossenes U-Rohr-Manometer offenes U-Rohr: Berechnungsgrundlagen: Druckgleichheit auf beiden Seiten: p 1 m1 g m2 g + = p2 + A A 1 Oder nach Berechnung der Massen m: p p = ρ g h 1 2 Oder h = 1 g p = ε ρ p Für Quecksilber ergibt sich: p = mbar m h Oder h =760 mm für Normaldruck; 2 geschlossenes U-Rohr-Manometer: ein Ende wird verschlossen, ohne dass sich Gas darin befindet

7 Folie 7 Prinzip: Gleichung: p = ρ 1 g h Probleme bei kleinen Drücken: unkontrollierbarer Einfluß von Kapillarkräften Genauigkeit der h-bestimmung Kapillardepression umgekehrt proportional zum Rohrdurchmesser -> dicke Rohre! untere Messgrenze: enige mbar 4. Kompressionsvakuummeter nach McLeod Lösung der Probleme des U-Rohr-Manometers: niedrige Drücke (die nicht mehr messbar wären) werden so weit komprimiert, bis sie messbar sind: für die Kompression gilt: p V = p V oder p = V V p

8 Folie 8 Gleichung für den Druck p im Kompressionsraum: p = ρ g h+ p und über die Kompressionsgleichung: pv = p V = ( ρ gh + p) h A K mit A K - Kapillarquerschnittsfläche ρ g AK und: p = V h A h 2 oder mit -ha K <<V p = g A V K ρ K 2 h wichtig: Vergleichskapillare hat den gleichen Querschnitt wie die Messkapillare um die Gleichheit der Kapillarkräfte zu gewährleisten die h-skala kann direkt eine quadratische Vakuumskala bekommen! Andere Arbeitsweise führt zu linearer Druck-Skala am McLeod: feste Kompression auf z.b. 1/100tel: p = ρ ghv V V Eigenschaften, Vor- und Nachteile: McLeod-Vakuummeter messen diskontinuierlich Dämpfe und kondensierbare Gase (Öl, Hg-Dämpfe) kondensieren bei der Kompression und werden nicht mitgemessen; die Anzeige ist also der Vakuumdruck abzüglich der kondensierbaren Komponenten! Gleichheit der Kapillarkräfte (Oberflächenbedeckungen, Reinheit) begrenzt die Genauigkeit Messbereich über 4 Zehnerpotenzen, minimaler Druck bis 10-5 mbar gut als Eichgerät für andere Vakuummeter, Messung ist aufwendig Hg-Dampf ist giftig

9 Folie 9 5. Wärmeleitvakuummeter (Pirani) Ein dünner Draht des Durchmessers 2r=5.. 20µm der Länge l= mm wird im Vakuum in einer Röhre geheizt. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen zugeführter Wärmeleistung und abgeleiteter Wärme bei der Temperatur T1 ein. 1. Zugeführte Wärme: P=U*I 2. Abgeleitete Wärme: a) Wärmeleitung durch die Gasteilchen: p &Q = GAS ε 1 + g p Energiestromstärke mit ε=empfindlichkeit (beinhaltet C molar,v, c,geometr. Größen) und g- Geometriefaktor b) Wärmeleitung durch die Drahtenden und &Q END c) Wärmestrahlung des heißen Drahtes & QSTRAHL b) und c) sind Störeffekte, die einen Druck p 0 (Nulldruck) vortäuschen, auch wenn der Vakuumdruck 0 wäre. Q& + Q& = p Aufbau: END STRAHL ε 0

10 Folie 10 Gleichung: Q& = Q& + Q& + Q& und weiter: Q & p p el END STRAHL GAS doppelt logarithmische Darstellung der Gleichung: el = ε g p 1 - Kurve durch Wärmeableitung durch das Gas 2 - Nulldruck-Kurve Bereich 1: Wärmeleitung hängt nicht vom Druck ab (hohe Drücke; mittlere freie Weglänge << geometrische Dimension) Bereich 2: linearer Zusammenhang, die durch Wärmeleitung durch das Gas abgeführte Wärme dominiert Bereich 3: Nulldruck, Leitung an den Drahtenden und Strahlung dominieren

11 Folie 11 Die Empfindlichkeit ε bestimmt den Maximaldruck, die Lage der druckproportionalen Kurve und auch etwas den Nulldruck. Kurven für verschiedene Gase: für verschiedene handelsüblich Wärmeleitvakuummeter gelten folgende Werte für die Gasartabhängigkeit:

12 Folie 12 Betriebsweise: Zwei Möglichkeiten: 1. Konstante Drahttemperatur (Drahtwiderstand) und Messung der Heizleistung 2. Konstante Heizleistung und Messung der Drahttemperatur 2. Ist einfacher, 1. ist genauer und umfaßt einen größeren Druckbereich; Messung des Widerstandes in einer Messbrücke: Bedingung ist, dass der Widerstand des Drahtes auch ein Maß für dessen Temperatur ist (Wolfram- oder Ni-Draht) Eigenschaften: Einfaches, billiges und robustes Vorvakuummeter (verbreitet!) Messbereich 10-3 mbar bis einige 100 mbar keine große Genauigkeit Empfindlichkeit muß geeicht werden Gasartahängig! kontinuierliche elektrische Messung (Steuer- und Regelzwecke)

13 Folie 13 Ionisationsvakuummeter 6. Glühkathoden-Ionisationsvakuummeter Prinzip: eine heiße (glühende) Kathode emittiert Elektronen, die in einem elektrischen Feld beschleunigt werden; auf ihrem Weg durch das Vakuum treffen diese Elektronen auf Gasteilchen und ionisieren diese. Diese (positiven) Ionen werden in einem elektrischen Feld auf einen Kollektor beschleunigt - der Ionenstrom auf diesem Kollektor ist ein Maß für den Teilchendruck Gleichung: I σ l S = I p = I kt p T T l p = I ε p Die Vakuummeterkonstante ε hängt ab von: der Geometrie des Systems Sekundärelektronenausbeuten an Anode und Kollektor spezifische Ionisierung (Gasart) Temperatur Möglichkeiten der Verlängerung der Elektronenbahnen: Elektronen pendeln um die Anode, die als Gitter ausgeführt ist Die spezifische Ionisierung S 0 beinhaltet die Gasart (Streuquerschnit), die Elektronenenergie, den Druck...

14 Folie 14 Spezifische Ionisierung für versch. Gase in Abhängigkeit von der Elektronenenergie die Vakuummeterkonstante ε ist in weiten Druckbereichen nahezu druckunabhängig: oft wird die Vakuummeterkonstante ε mit dem Primärelektronenstrom I - zur Empfindlichkeit K zusammengefaßt: I + = ε I p = K p

15 Folie 15 Störeinflüsse bei niedrigen Drücken bei Glühkathodenvakuummetern: Röntgeneffekt: Elektronen erzeugen beim Auftreffen auf die Anode etwas Röntgenstrahlung; diese Röntgenstrahlung (auch schon die natürliche Röntgenstrahlung) erzeugt, wenn sie am Kollektor adsorbiert wird, dort freie Elektronen -> das erhöht den Strom und täuscht einen Druck vor: dieser Effekt bestimmt den niedrigsten messbaren Druck Ausgasung: Glühkathodenvakuummeter erzeugen Wärme, die an die Umgebung abgegeben wird; das führt zum Ausgasen aller Komponenten und zur Erhöhung des Drucks; Gasaufzehrung: die zum Kollektor beschleunigten Ionen werden implantiert oder adsorbiert ( gepumpt ) - das verringert den Druck und entspricht einem Saugvermögen In Abhängigkeit vom Aufwand zur Unterdrückung dieser Effekte: verschiedene Konstruktionsprinzipien: heutige HV- oder UHV- Glühkathodenvakuummeter sind meist nach dem Bayard-Alpert-System: Reduzierung der Ionenkollektorfläche, deshalb geringe Röntgenadsorption Blockschaltbild zum Betrieb einer Glühkathoden-Röhre nach Bayard-Alpert

16 Folie 16 Pumpeffekt reduziert sich durch Materialauswahl des Kollektors, Ausgasung auch durch Materialauswahl und Ausheizen der Messröhre vor dem Messen Der Röntgeneffekt kann unterdrückt werden, wenn der Ionenkollektor optisch abgeschirmt wird, insbesondere von der Anode. Das verlangt aber, dass die erzeugten Ionen zum Kollektor hin aus dem Ionenerzeugungsraum extrahiert werden. Extraktor-Ionisationsvakuummeter: Systeme für niedrigste Drücke (bis mbar) Eigenschaften: Praktische, rel. einfache Systeme, deshalb große Verbreitung Druckanzeige logarithmisch über viele Dekaden oder linear in jeder Größenordnung möglich Messbereich: gesamt mbar möglich, üblich sind mbar bis 10-3 mbar für ein System kontinuierliche elektrische Messung möglich aber: Gaseinbrüche -> Kathode brennt durch! Gasartabhängig; Elektronik muß für andere Gase geeicht werden Eichung für jedes Messsystem