So wird der Vakuumdruck gemessen

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Druckbereiche in der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierung

In der Vakuumtechnik ist es üblich, den breiten Gesamtdruckbereich, der sich über mehr als 16 Zehnerpotenzen erstreckt, in kleinere Einzelregime zu unterteilen. Diese werden im Allgemeinen wie folgt definiert:

Grobvakuum (GV): 1000 – 1 mbar

Feinvakuum (FV): 1 – 10^-3 mbar

Hochvakuum (HV): 10^-3 – 10^-7 mbar

Ultrahochvakuum (UHV): 10^-7 – (10^-14) mbar

Tabelle IX – Druckbereiche in der Vakuumtechnik und deren Eigenschaften (Zahlen auf ganze Zehnerpotenzen abgerundet)

Die Aufteilung ist etwas willkürlich. Insbesondere Chemiker bezeichnen das für sie interessante Spektrum zwischen 100 und 1 mbar als „Zwischenvakuum“. Manche Ingenieure reden überhaupt nicht von Vakuum, sondern von Niedrigdruck oder sogar von Unterdruck. Die oben aufgeführten Druckbereiche lassen sich jedoch recht zufriedenstellend aus der Betrachtung der gaskinetischen Situation und der Art des Gasstroms abgrenzen. Die Arbeitstechnik in den verschiedenen Bereichen sind ebenfalls unterschiedlich.

Atmosphärische Luft

Vor dem Evakuieren enthält jedes Vakuumsystem Luft und ist auch im Betrieb immer von Luft umgeben. Deswegen müssen Sie mit den physikalischen und chemischen Eigenschaften der atmosphärischen Luft vertraut sein.

Die Atmosphäre besteht aus einer Reihe von Gasen, zu denen in der Nähe der Erdoberfläche noch Wasserdampf hinzukommt. Der Druck der Luftatmosphäre wird auf Meeresniveau bezogen. Der durchschnittliche atmosphärische Druck beträgt 1013 mbar (dies entspricht der zuvor verwendeten Maßeinheit atm). Tabelle VIII zeigt die Zusammensetzung der Standardatmosphäre bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 % und einer Temperatur von 20 °C.

Tabelle VIII – Zusammensetzung der atmosphärischen Luft. Hinweis: Bei der Zusammensetzung der Umgebungsluft wird die relative Luftfeuchtigkeit (RL) mit der Temperatur separat angegeben.

Daher beträgt der auf dem Barometer abgelesene Luftdruck bei der gegebenen relativen Luftfeuchtigkeit 1024 mbar.

Tabelle XVII – Temperaturvergleich und Umrechnungstabelle (auf das ganze Grad abgerundet)

In der Vakuumtechnik sind folgende Punkte zur Luftzusammensetzung zu beachten:

a) Der je nach Feuchtigkeitsgehalt in der Luft enthaltene Wasserdampf, der bei einem Auspumpen einer Vakuumanlage eine besondere Rolle spielt (siehe Pumpen von Gasen – Nassprozess).

b) Der erhebliche Anteil des Edelgases Argon, der in Zusammenhang mit Auspumpvorgängen durch Sorptionspumpen zu beachten ist.

c) Trotz des sehr geringen Heliumgehalts in der Atmosphäre (nur ca. 5 ppm) macht sich dieses Edelgas besonders in Ultrahochvakuumanlagen bemerkbar, die mit Viton gedichtet sind oder Glas- oder Quarzkomponenten enthalten. Helium vermag durch diese Stoffe in messbarer Menge zu diffundieren.

Der Druck der atmosphärischen Luft sinkt mit zunehmender Höhenlage (siehe Abb. 9.3). Auf ca. 100 km Höhe (328.083 Fuß) herrscht ein Hochvakuum, und in über 400 km Höhe (1.312.335 Fuß) herrscht ein Ultrahochvakuum. Mit dem Abstand zur Erdoberfläche ändert sich auch die Luftzusammensetzung (siehe Abb. 9.4).

Abb. 9.3 – Abnahme des Luftdrucks (1) und Temperaturänderung (2) in Abhängigkeit von der Höhenlage

Abb. 9.4 – Änderung der Gaszusammensetzung der Atmosphäre in Abhängigkeit von der Höhenlage

Druckeinheiten und deren Definition

Druck p (mbar)

Druck von Fluiden (Gase und Flüssigkeiten). (Größe: Druck; Symbol: p; Maßeinheit: Millibar; Einheitszeichen: mbar.) Der Druck ist nach DIN-Norm 1314 definiert als Quotient aus Normalkraft auf die Fläche und Inhalt dieser Fläche (flächenbezogene Kraft). Auch wenn das Torr nicht mehr als Einheit für die Druckmessung verwendet wird, sollte es dennoch der Vollständigkeit halber erwähnt werden: 1 Torr ist der Gasdruck, der eine Quecksilbersäule bei 0 °C um 1 mm anhebt (der normale Atmosphärendruck beträgt 760 Torr oder 760 mm Hg). Der Druck p wird durch tiefgestellte Zeichen genauer definiert:

Absolutdruck p_abs

In der Vakuumtechnik wird immer der absolute Druck angegeben, sodass der Index „abs“ in der Regel entfallen kann.

Gesamtdruck p_t

Der Totaldruck in einem Behälter ist die Summe der Partialdrücke (Teildrücke) aller darin befindlichen Gase und Dämpfe zusammen.

Partialdruck p_i

Der Partialdruck eines bestimmten Gases oder Dampfes ist derjenige Druck, den dieses Gas bzw. dieser Dampf haben würde, wenn es allein im Behälter vorhanden wäre. Wichtig: Insbesondere bei der Grobvakuumtechnik gilt der Partialdruck in einem Gemisch aus Gas und Dampf oft als Summe der Partialdrücke aller nicht kondensierbaren Komponenten im Gemisch – beispielsweise beim Partialenddruck einer Drehschieberpumpe.

Sättigungsdampfdruck p_s

Der Druck des gesättigten Dampfes heißt Sättigungsdampfdruck ps. Bei einem gegebenen Stoff ist ps eine Funktion der Temperatur.

Dampfdruck p_d

Anteiliger Druck der bei Temperatur von flüssigem Stickstoff (LN₂) kondensierbaren Dämpfe.

Normdruck p_n

Der Normdruck p_n ist in der DIN 1343 als Druck p_n = 1013,25 mbar definiert.

Enddruck p_end

Der in einem Vakuumbehälter erreichbare niedrigste Druck, der sogenannte Enddruck p_end, wird nicht nur vom Saugvermögen der Pumpe, sondern auch von dem Dampfdruck p_d der in der Pumpe verwendeten Schmier-, Dichtungs- und Treibmittel mitbestimmt. Wird ein Behälter beispielsweise lediglich mit einer ölgedichteten Verdrängerpumpe evakuiert, so wird der erreichbare Enddruck in erster Linie durch den Dampfdruck des verwendeten Pumpenöls, je nach Sauberkeit des Behälters außerdem noch durch die von den Behälterwänden abgegebenen Dämpfe und naturgemäß auch von der Dichtheit des Vakuumbehälters bestimmt.

Umgebungsdruck p_amb

oder (absoluter) atmosphärischer Druck

Überdruck p_e

(Index aus dem Englischen: „excessive“)

Dabei bedeuten positive Werte von p_e einen Überdruck und negative Unterdruck.

Arbeitsdruck p_w

Beim Evakuieren eines Behälters werden aus diesem Gase und/oder Dämpfe entfernt. Dabei verstehen wir unter Gas Materie in gasförmigem Zustand, die bei der Betriebstemperatur nicht kondensierbar ist. Dampf ist ebenfalls Materie in gasförmigem Zustand, die aber bei den herrschenden Temperaturen kondensierbar ist. Gesättigter Dampf schließlich ist Materie, die bei der herrschenden Temperatur als Gas mit der flüssigen Phase des gleichen Stoffes im Gleichgewicht steht.

Tabelle I – Die gesetzlichen Druckeinheiten sowie das Torr ¹⁾ und ihre Umrechnung.

Das Torr ist in die Tabelle nur deshalb aufgenommen worden, um den Übergang von dieser allgewohnten Einheit auf die gesetzlichen Einheiten N · m^-2, mbar und bar zu erleichtern. In Zukunft dürfen die Druckeinheiten Torr, mm-Wassersäule (mm WS), mm-Quecksilbersäule (mm Hg), % Vakuum, technische Atmosphäre (at), physikalische Atmosphäre (atm), Atmosphäre absolut (ata), Atmosphäre Überdruck (atü), Atmosphäre Unterdruck (atu) nicht mehr verwendet werden. In diesem Zusammenhang sei auf DIN 1314 verwiesen.
Die Einheit Newton durch Quadratmeter (N · m^-2) wird auch mit Pascal (Pa) bezeichnet: 1 N · m^-2 = 1 Pa Newton pro Quadratmeter oder Pascal ist die SI-Einheit des Drucks von Fluiden
1 Torr = 4/3 mbar; 3/4 Torr = 1 mbar

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