Vakuummessung

Die Dünnheit eines Gases kann auch durch die Gasmolekulardichte (Anzahl der Gasmoleküle pro Volumeneinheit) n beschrieben werden. Für ein ideales Gasmolekül in perfektem Gleichgewicht ist P=nkT, k ist die Boltzmann-Konstante und T ist die absolute Temperatur. Das Gerät zur Messung des Vakuumgrads wird als Vakuummeter bezeichnet, und das druckempfindliche Element des Vakuummeters wird als Messkopf bezeichnet. Einige Vakuummeter können den Gesamtgasdruck direkt messen. Obwohl einige Vakuummeter auch Druckwerte liefern, ist die eigentliche Messung die molekulare Dichte des Gases, und die Messergebnisse beziehen sich auf die Umgebungstemperatur. Wenn sich mehrere Gaskomponenten gleichzeitig im Behälter befinden, ist der Gesamtgasdruck im Behälter gleich der Summe der Partialdrücke jedes Gases. Die Gesamtdruck-Messmethoden können in zwei Typen unterteilt werden: direkte Methode und indirekte Methode. Die direkte Methode verwendet die Prinzipien der Flüssigkeitssäulendifferenz und der mechanischen Verformung, um den Druck direkt zu messen, einschließlich Füllstandsmanometern, Kompressionsvakuummetern und Vakuummetern mit elastischen Elementen. Aus den von den ersten beiden Instrumenten gemessenen physikalischen Größen lässt sich der Druckwert berechnen, der zum absoluten Vakuummeter gehört. Die indirekte Methode verwendet einige physikalische Eigenschaften von Gas (wie Wärmeleitung, Viskosität, Ionisation und Lichtstreuungseffekte usw.) zur Druckmessung, einschließlich Wärmeleitungs-Vakuummeter, Viskose-Vakuummeter und Ionisations-Vakuummeter. Die überwiegende Mehrheit der in der Vakuumtechnik verwendeten Vakuummeter verwenden die indirekte Methode, und diese Vakuummeter müssen mit absoluten Vakuummetern oder anderen Methoden kalibriert werden. Bei dem nach der indirekten Methode gemessenen Vakuummeter variieren aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften verschiedener Gasarten selbst bei gleichem Druck die Druckanzeigen je nach Gas, daher sollte es mit dem entsprechenden Gas kalibriert werden. Wenn es sich bei dem zu messenden Gas nicht um eine einzelne Komponente handelt, ist die Bedeutung dieser Vakuummeterwerte komplizierter. Da das bei der allgemeinen Kalibrierung von Vakuummetern verwendete Gas reiner Stickstoff ist, werden die Messwerte dieser Vakuummeter kollektiv als äquivalenter Stickstoffdruck bezeichnet, bevor sie um den Gastyp korrigiert werden. Wenn der gemessene Raum eine Vielzahl von Gaskomponenten enthält, kann nur die Partialdruckmessung den Vakuumzustand und den Gesamtdruck im Behälter genau widerspiegeln

Gängige Vakuummeter

1. Wärmeleitfähigkeits-Vakuummeter

Der Gasdruck wird nach dem Prinzip gemessen, dass sich die Wärmeleitfähigkeit des Gases bei unterschiedlichen Drücken ändert. Bei dieser Art Vakuummeter wird ein bestimmter Heizstrom durch den mit einem Hitzdraht ausgestatteten Messkopf geleitet, und die Temperatur des Hitzdrahts wird durch das Gleichgewicht zwischen Erwärmung und Wärmeableitung bestimmt. Die Wärmeableitungskapazität ist eine Funktion des Gasdrucks, daher ändert sich die Temperatur des Hitzdrahts mit dem Druck. Wird ein zusätzliches Thermoelement zur Messung der Temperatur des Hitzdrahtes verwendet, wird dieser Messkopf als Thermoelement-Messgerät bezeichnet; Wird der Widerstandswert des Hitzdrahtes selbst zur Widerspiegelung der Temperatur verwendet, spricht man von einem Widerstands- oder Pirani-Messgerät. Die Gaswärmeleitung ändert sich nur mit dem Druck bei niedrigem Druck (P <100 Pa), und die Gaswärmeleitung ist nicht die Hauptwärmeableitungsmethode, wenn sie so niedrig wie 10-1 Pa ist. Daher wird das Wärmeleitungs-Vakuummeter hauptsächlich in verwendet Bereich von 100-10-1 Pa. Durch spezielle Maßnahmen kann der Messbereich erweitert werden. Die Anzeige des Wärmeleitungs-Vakuummeters hängt nicht nur von der Art des Gases ab, sondern wird auch leicht durch Faktoren wie Oberflächenverschmutzung des Heizdrahts, Umgebungstemperatur usw. beeinflusst, sodass die Genauigkeit nicht hoch ist und nur zur Grobvakuumanzeige verwendet.

2. Pirani-Vakuummeter

Sein Arbeitsprinzip ist: Der Vakuumgrad ist unterschiedlich, die Anzahl der Luftmoleküle pro Volumeneinheit ist unterschiedlich, die Fähigkeit des Heizwiderstandsdrahts, Wärme abzuführen (Wärmeableitungskapazität), ist unterschiedlich und die Temperatur des Widerstandsdrahts ist unterschiedlich , weil der spezifische Widerstand des Widerstandsdrahts die Temperatur ist. Daher verursachen unterschiedliche Vakuumgrade einen unterschiedlichen spezifischen Widerstand, dann ist der Widerstand unterschiedlich und der Spannungsabfall des Stroms am Widerstandsdraht ist unterschiedlich. Entsprechend der Spannungsänderung kann der Luftdruck umgerechnet werden, dh der Grad des Vakuums wird gemessen. Das eigentliche Pirani-Vakuummeter ist in der Regel als vierarmige Brücke ausgeführt, zu der ein Widerstandsdraht zur Temperaturkompensation in Reihe geschaltet ist.

3. Kapazitives Folienvakuummeter

Es ist ein Vakuummeter mit elastischem Element, und der elastische Film teilt die regulierende Vakuumkammer in zwei kleine Kammern, nämlich die Referenzdruckkammer und die Messkammer. Bei der Messung von niedrigem Druck (P < 100 Pa) wird die Referenzkammer auf ein hohes Vakuum evakuiert und ihr Druck ist ungefähr Null. Bei unterschiedlichem Druck in der Messkammer ist auch der Grad der Membranverformung unterschiedlich. In der Messkammer befindet sich eine stationäre Elektrode, die mit der Membran einen Kondensator bildet. Wenn die Folie verformt wird, ändert sich der Kapazitätswert entsprechend, und die Kapazitätsänderung kann durch die Kapazitätsbrücke gemessen werden, um den entsprechenden Druckwert zu bestimmen. Um ein Kriechen der Folie zu verhindern, wird üblicherweise nach dem Nulllagenverfahren gemessen, das heißt, es wird eine Gleichspannung zwischen Festelektrode und Folie angelegt und die elektrostatische Kraft zur Kompensation der durch den Druck erzeugten Spannung genutzt Differenz des Films, um die Blende in Nullstellung zu halten. Kapazitätsfolien-Vakuummeter können den Druck von Gas oder Dampf direkt messen. Der Messwert hat nichts mit der Gasart zu tun, die Struktur ist fest und backfest. Wenn unterschiedliche Messköpfe für unterschiedliche Druckbereiche verwendet werden, kann eine höhere Genauigkeit erzielt werden. Kapazitive Folien-Vakuummeter können zur Überwachung von hochreinen Gasen, zur Präzisionsmessung im Niedervakuum und zur Druckregelung sowie als Sekundärstandard für die Messung im Niedervakuum verwendet werden.

4. Ionisationsvakuummeter

Abgekürzt als Ionometer, nutzt es das Prinzip der Gasionisation zur Druckmessung. Ionisations-Vakuummeter werden in zwei Kategorien eingeteilt: Heißkathode und Kaltkathode. Im Messkopf des Heißkathoden-Ionisations-Vakuummeters befinden sich normalerweise drei Elektroden, nämlich Kathode, Anode und Kollektor, die die Rolle des Emittierens von Elektronen, des Beschleunigens von Elektronen bzw. des Sammelns von Ionen spielen. Die Elektronen ionisieren das Gas auf dem Weg von der Kathode zur Anode. Wenn der sekundäre Ionisationseffekt ignoriert wird (was bedeutet, dass die im Ionisationsprozess neu erzeugten Elektronen durch das elektrische Feld beschleunigt werden und Ionisationsfähigkeit erlangen und eine neue Ionisation verursachen), wird jedes von der Kathode emittierte Elektron ionisiert. Die Anzahl der erzeugten positiven Ionen ist proportional zur Gasdichte im Raum und damit proportional zum Druck bei einer bestimmten Temperatur. Daher ist der vom Kollektor empfangene Ionenstrom Ii = SIeP, Ie ist der Kathodenelektronenemissionsstrom und S ist die Proportionalitätskonstante, die Ionometerkoeffizient genannt wird. Nach Überprüfung des Koeffizienten des Ionisationsmessers mit einem Standard-Vakuummeter bei einer bestimmten Temperatur kann der Druck entsprechend der Größe des Ionenstroms bestimmt werden. Der Haupttyp des Heißkathoden-Ionisationsmesskopfes Die Kathode besteht im Allgemeinen aus Wolframdraht, und die Anode kann zu einem Gitter gemacht werden, sodass Elektronen auf beiden Seiten hin und her wandern können, um die Elektronenbewegung zu erhöhen, so ist es auch Raster genannt. Der Kollektor des Trioden-Ionometers ist zylindrisch und außerhalb des Gitters platziert, und sein Druckmessbereich beträgt 10-1 bis 10-5 Pa. Wenn der Arbeitsdruck höher als 10-1 Pa ist, wird die Lebensdauer des Wolframdrahts verkürzt. und die Beziehung zwischen dem Ionenstrom und dem Druck beginnt aufgrund des sekundären Ionisationseffekts von der Linearität abzuweichen. Iridiumfadenkathoden, die mit Thoriumoxid oder Yttriumoxid beschichtet sind, können bei Drücken bis zu 100 Pa arbeiten und haben eine ziemlich lange Lebensdauer, und der Faden wird nicht beschädigt, selbst wenn er in der Atmosphäre erhitzt wird. Wenn der Ionisationsmesskopf dieses Filament verwendet und die Anode und der Kollektor in speziellen Formen hergestellt werden, wird der Abstand zwischen den Elektroden verkürzt, die Anodenspannung verringert und die Gasionisationswahrscheinlichkeit verringert (d. h. der Ionisationsmesskoeffizient). reduziert wird), dann kann dieses Ionisationsmessgerät Messen des Drucks von 10-3 bis 100 Pa wird als Hochdruck-Ionisationsmessgerät bezeichnet. Die untere Grenze der vom Trioden-Ionisationsmesser gemessenen Niederspannungsintensität wird durch den Fotostrom des Kollektors bestimmt, d. h. aufgrund der Fotoemission, die durch den weichen Röntgenstrahl verursacht wird, der durch das Elektron erzeugt wird, das auf die Anode trifft, die den Kollektor bestrahlt Photostrom bildet den Hintergrund des Kollektorstroms. Wenn der Photostrom 10 % des Ionenstroms ausmacht, ist die untere Messgrenze des Ionometers erreicht. Der Kollektor des Ionisationsmesskopfes wird zu einem Filament verarbeitet und auf der Gitterachse platziert. Das Filament befindet sich außerhalb des Gitters. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich die Empfindlichkeit des Ionisationsmessgeräts nicht wesentlich, und aufgrund der kleinen Fläche des Kollektors ist der von ihm abgefangene Röntgenstrahl kleiner als Drei Größenordnungen weniger Triodentyp, dieses Ionometer kann Drücke messen auf 10-8 Pa. Es wurde 1950 von Bayard und Albert vorgeschlagen, daher heißt es BA. Um den Druck von 10 –9 Pa oder weniger zu messen, kann ein moduliertes BA-Messgerät, ein Polionisationsmessgerät, ein Ionisationsmessgerät mit gekrümmter Säule oder ein Heißkathoden-Magnetron-Ionisationsmessgerät verwendet werden. Diese Ionometer schließen auch bis zu einem gewissen Grad den Einfluss von Torelektronen-induzierten desorbierten Ionen auf Druckmessungen aus