So wird der Vakuumdruck gemessen

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Die in der Vakuumtechnik gemessenen Drücke reichen heute von 2000 mbar bis 10^-12 mbar und erstrecken sich demnach über 15 Zehnerpotenzen. Diese enorme Dynamik lässt sich durch eine Analogieanalyse von Vakuumdruckmessung und Längenmessung zeigen, siehe Tabelle 3.1.

Tabelle 3.1 – Analogieanalyse von Vakuumdruckmessung und Längenmessung

Für die Messung in diesem breiten Druckbereich werden Messgeräte verwendet, die wir als Vakuummeter bezeichnen. Da es aus physikalischen Gründen nicht möglich ist, einen Vakuummeter zu bauen, der quantitative Messungen im gesamten Vakuumbereich durchführen kann, stehen verschiedene Vakuummeter zur Verfügung, die jeweils einen charakteristischen Messbereich haben, der sich in der Regel über mehrere Zehnerpotenzen erstreckt (siehe Abb. 9.16a). Um den einzelnen Vakuummeter den größtmöglichen Messbereich zuordnen zu können, wird akzeptiert, dass die Messunsicherheit an der oberen und unteren Messbereichsgrenze sehr schnell um teilweise bis zu 100 % ansteigt. Daher ist zwischen dem im Katalog angegebenen Messbereich und dem Messbereich für genaue Messungen zu unterscheiden. Die Messbereiche der einzelnen Vakuummeter sind im oberen und unteren Bereich durch physikalische Effekte begrenzt.

Abb. 9.16a – Messbereiche gängiger Vakuummeter

Grundlagen der Niederdruckmessung

Vakuummeter sind Geräte zur Messung von Gasdrücken von knapp über bis weit unter Atmosphärendruck (DIN 28 400, Teil 3, Ausgabe 1992). In vielen Fällen hängt die Druckanzeige von den Eigenschaften des Gases ab. Die exakte Messung der Teildrücke bestimmter Gase oder Dämpfe erfolgt mithilfe von Partialdruckmessgeräten, die nach dem Massenspektrometerprinzip arbeiten (siehe Abschnitt Gasanalyse und Massenspektrometer).

Gasartabhängigkeit der Druckanzeige

Folgende Vakuummeter sind zu unterscheiden:

Instrumente, die per Definition den Druck als Kraft messen, die auf eine Fläche wirkt, werden als direkte oder absolute Vakuummeter bezeichnet. Nach der kinetischen Gastheorie ist diese Kraft, die von den Partikeln auf die Wand ausgeübt wird, nur von der Anzahl der Gasmoleküle pro Volumeneinheit (Anzahl der Moleküle n) und deren Temperatur abhängig, nicht aber von ihrer molaren Masse. Der Messwert des Messgeräts ist unabhängig von der Gasart. Zu diesen Geräten gehören flüssigkeitsgefüllte Vakuummeter und mechanische Vakuummeter.
Geräte mit indirekter Druckmessung. In diesem Fall wird der Druck als Funktion einer druckabhängigen (oder dichteabhängigen) Eigenschaft des Gases – wie Wärmeleitfähigkeit, Ionisierungswahrscheinlichkeit oder elektrische Leitfähigkeit – bestimmt. Diese Eigenschaften sind abhängig von der molaren Masse sowie vom Druck. Der Druckwert des Messgeräts hängt von der Gasart ab.

Die Skalen dieser Druckmessgeräte richten sich stets nach Luft oder Stickstoff als Prüfgas. Für andere Gase oder Dämpfe müssen Korrekturfaktoren angegeben werden, die in der Regel auf Luft oder Stickstoff basieren (siehe Tabelle 3.2). Für eine präzise Druckmessung mit Vakuummetern, die die Dichte mithilfe elektrischer Energie bestimmen (indirekte Druckmessung), muss die Gaszusammensetzung bekannt sein. In der Praxis ist die Gaszusammensetzung nur als grobe Näherung bekannt; in vielen Fällen reicht es aber aus zu wissen, ob leichte oder schwere Moleküle in dem Gasgemisch, dessen Druck gemessen werden soll, überwiegen (z. B. Wasserstoff- oder Treibdampfmoleküle der Pumpenflüssigkeit).

Tabelle 3.2 – Korrekturfaktoren

Beispiel:

Wenn der Druck eines Gases, das im Wesentlichen aus Pumpenflüssigkeitsmolekülen besteht, mit einem Ionisationsvakuummeter gemessen wird, dann ist der gemessene Druck (angewendet auf Luft oder N₂) laut Tabelle 3.2 um einen Faktor von ca. 10 zu hoch.

Messung im Grobvakuumbereich – Atmosphäre auf 1 mbar

Die Druckmessung im Grobvakuumbereich kann relativ genau mithilfe von Vakuummetern mit direkter Druckmessung durchgeführt werden. Die Messung von niedrigeren Drücken < 10^-3 andererseits unterliegt fast immer verschiedenen Grundfehlern, die die Messgenauigkeit von Anfang an einschränken, sodass sie nicht mit dem Genauigkeitsgrad vergleichbar ist, der üblicherweise mit indirekten Messgeräten erreicht wird.

Um eine Aussage zu einem vom Vakuummeter im Grobvakuum angezeigten Druck treffen zu können, muss zunächst berücksichtigt werden, wo und wie das Messsystem angeschlossen wird. In allen Druckbereichen mit laminaren Strömungen (1013 > p > 10^-1 mbar) sind die durch das Pumpen verursachten Druckgefälle zu beachten. Unmittelbar vor der Pumpe (vom Behälter aus gesehen) ist der Druck niedriger als im Behälter. Selbst Bauteile mit einem hohen Leitwert können ein solches Druckgefälle erzeugen. Schließlich darf die Leitfähigkeit der Verbindungsleitung zwischen Vakuumsystem und Messsystem nicht zu klein sein, da die Leitung sonst im Druckbereich der laminaren Strömung zu langsam evakuiert wird, sodass der angezeigte Druck zu hoch ist.

Messung im Feinvakuumbereich – 1 mbar bis 10^-3 mbar

Die Messung im Feinvakuumbereich erfordert entweder einen Sensor mit niedriger Kapazität und breiter Skala (z. B. CTR100 0,1 Torr) oder, was üblicher ist, ein Wärmeleitfähigkeitsmessgerät wie die Messgeräte der THERMOVAC-Serie (z. B. TTR91RN). In diesem Bereich beginnt der Übergang von der laminaren zur molekularen Gasströmung. Daher gilt es zu überlegen, wo sich die Messanzeige befindet, um die beste Leistung zu erzielen. Die Messungen in diesem Bereich betragen bei Verwendung eines Wärmeleitfähigkeitsmessgeräts normalerweise +-15 %, sodass eine angemessene Genauigkeit erreicht wird, die aber nicht so hoch ist wie direkten Messgeräten für das Grobvakuum.

Messung im Hoch- und Ultrahochvakuumbereich 10^-3 mbar bis <10^-12 mbar

Komplizierter ist die Situation beim Hoch- und Ultrahochvakuum. Je nach Einbauweise kann ein zu hoher Druck oder bei stark entgasten Messrohren ein zu niedriger Druck durch Ausgasung der Wände des Vakuummeters oder durch unzureichende Ausgasung des Messsystems aufgezeichnet werden. Im Hoch- und Ultrahochvakuum kann der Druckausgleich zwischen Vakuumsystem und Messrohren lange dauern. Der Einfluss des eigentlichen Messverfahrens auf die Druckmessung muss immer besonders berücksichtigt werden. Bei Ionisationsvakuummetern, die mit einer Glühkathode arbeiten, werden beispielsweise die Gaspartikel (insbesondere die der höheren Kohlenwasserstoffe), thermisch aufgespalten. Dadurch ändert sich die Gaszusammensetzung. Solche Effekte spielen eine Rolle im Zusammenhang mit der Druckmessung im Ultrahochvakuum. Dasselbe gilt für die Gasreinigung in Ionisationsvakuummetern, insbesondere Kaltkathodenmessgeräten (in der Größenordnung 10^-2bis 10^-1 l/s). Eine Kontamination des Messsystems, störende elektrische und magnetische Felder, Isolationsfehler und unzulässig hohe Umgebungstemperaturen beeinträchtigen die Druckmessung.

Um den Druck im Fein- und Hochvakuumbereich mit einer Messunsicherheit von weniger als 50 % zu messen, muss die Person, die das Experiment durchführt, mit äußerster Vorsicht vorgehen. Druckmessungen, die bis auf wenige Prozent genau sein müssen, erfordern großen Aufwand und meist den Einsatz spezieller Messgeräte. Dies gilt insbesondere für alle Druckmessungen im Ultrahochvakuumbereich (p < 10^-7 mbar).

Auswahl des geeigneten Vakuummeters

Der gewünschte Druckbereich ist nicht der einzige Faktor, der bei der Auswahl eines geeigneten Messinstrument berücksichtigt werden muss. Auch die Betriebsbedingungen, unter denen das Messgerät arbeitet, spielen eine wichtige Rolle. Sollen Messungen unter erschwerten Betriebsbedingungen durchgeführt werden (d. h. bei hohem Kontaminationsrisiko, wenn Schwingungen in den Rohren nicht ausgeschlossen werden können, wenn Luftstöße zu erwarten sind usw.), muss das Messgerät robust sein. In Industrieanlagen werden Bourdonrohre, Membranvakuummeter, Wärmeleitungsvakuummeter, Ionisationsvakuummeter mit Glühkathode und Penning-Vakuummeter eingesetzt. Einige dieser Messgeräte reagieren empfindlich auf ungünstige Betriebsbedingungen. Sie dürfen und können nur dann erfolgreich verwendet werden, wenn die oben genannten Fehlerquellen so weit wie möglich ausgeschlossen sind und die Betriebsanleitung befolgt wird.

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