So funktionieren direkte Vakuumdruckmesser

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Vakuummeter mit gasartunabhängig ablesbarem Druck

Mechanische Vakuummeter messen den Druck direkt, indem sie registrieren, welche Kraft die Partikel (Moleküle und Atome) in einem gasgefüllten Raum aufgrund ihrer thermischen Geschwindigkeit auf eine Oberfläche ausüben.

Bourdon-Vakuummeter

Das Innere eines kreisförmig gebogenen Rohres (Bourdonrohr) (3), wird an dem zu evakuierenden Behälter angeschlossen (Abb. 3.2). Durch die Wirkung des Außenluftdrucks wird das Rohrende beim Evakuieren mehr oder weniger gebogen, und der angeschlossene Zeigermechanismus (4) und (2) wird betätigt. Da der gemessene Druck vom äußeren atmosphärischen Druck abhängt, ist er nur auf ca. 10 mbar genau, sofern die Änderung des atmosphärischen Drucks nicht korrigiert wird.

Abb. 3.2 Querschnitt eines Bourdonrohrs.

Verbindungsschlauch zum Anschlussflansch
Zeiger
Bourdonrohr
Hebelsystem

Membran-Vakuummeter

Kapselfeder-Vakuummeter

Die bekannteste Bauweise eines Membran-Vakuummeters ist ein Barometer mit einer Aneroiddose als Messsystem. Er enthält eine hermetisch versiegelte, evakuierte, dünnwandige Membran-Dose aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung. Bei Druckabfall dehnt sich die Kapselmembran aus. Diese Bewegung wird von einem Hebelsystem auf eine Spitze übertragen. Der nach diesem Prinzip konzipierte Kapselfeder-Vakuummeter zeigt den Druck auf einer linearen Skala unabhängig vom äußeren atmosphärischen Druck an.

Membran-Vakuummeter DIAVAC

Bei Werten unter 50 mbar ist häufig die genaueste Druckmessung erforderlich. In diesem Fall ist ein anderes Membran-Vakuummanometer besser geeignet, d. h. das DIAVAC, dessen Druckskala deutlich um 1 bis 100 mbar erweitert wird. Der Abschnitt des Innenraums, in dem sich das Hebelsystem (2) des Messkopfes befindet (siehe Abb. 3.3), wird auf einen Referenzdruck unter 10^-3 mbar evakuiert. Der Verschluss zum Behälter erfolgt in Form einer tellerförmige Membran (4) aus Edelstahl, die, solange der Behälter nicht entlüftet wird, fest gegen die Wand gedrückt wird (1). Mit zunehmender Evakuierung nimmt die Differenz zwischen dem zu messenden px-Druck und dem Referenzdruck ab. Die Membran biegt sich zunächst nur schwach, dann aber weiter unter 100 mbar. Mit dem DIAVAC wird die Membrandurchbiegung wieder auf einen Zeiger (9) übertragen, insbesondere der Messbereich zwischen 1 und 20 mbar wird erheblich erweitert, damit der Druck genau abgelesen werden kann (bis ca. 0,3 mbar). Die Empfindlichkeit dieses Instruments gegenüber Vibrationen ist etwas höher als beim Kapselfeder-Vakuummeter.

Abb. 3.3 – Querschnitt des Membran-Vakuummeters DIAVAC DV 1000.

Basisplatte
Hebelsystem
Anschlussflansch
Membran
Referenzdruck P_ref
Abquetschende
Spiegelscheibe
Plexiglasscheibe
Zeiger
Glasglocke
Halteplatte
Gehäuse

Kapselfeder-Vakuummeter messen den Druck präzise bis auf 10 mbar (aufgrund der linearen Skala ist der Messwert am unteren Druckende der Skala am wenigsten genau). Wenn nur Drücke unter 30 mbar gemessen werden sollen, wird der DIAVAC empfohlen, da der Messwert wesentlich genauer ist (siehe oben). Wenn hohe Anforderungen an die Messgenauigkeit gestellt werden, sollten Präzisions-Membran-Vakuummeter verwendet werden. Wenn niedrige Drücke genau gemessen werden müssen und aus diesem Grund beispielsweise ein Messbereich von bis zu 100 mbar gewählt wird, können höhere Drücke nicht mehr gemessen werden, da diese Manometer eine lineare Skala haben. Alle mechanischen Vakuummeter reagieren bis zu einem gewissen Grad erschütterungsempfindlich. Geringe Erschütterungen, wie sie z. B. beim direkten Anschluss an eine Vorvakuumpumpe auftreten, sind in der Regel unschädlich.

DMS-/Piezo-Membranmessgeräte

Die Durchbiegung einer Membran kann auch elektrisch als Dehnung oder elektrische Kapazitätsänderung gemessen werden. In der Vergangenheit wurden vier Dehnungsmessstreifen, die bei einer Durchbiegung der Membran (d. h. bei Zugbelastung) ihren Widerstand ändern, als Brückenschaltung auf eine Metallmembran montiert. Bei Leybold wurden solche Instrumente mit der Bezeichnung MEMBRANOVAC versehen. Später wurden Silikonmembranen verwendet, die vier solcher Dehnungswiderstände direkt auf der Oberfläche enthielten. Die elektrische Anordnung bestand wieder aus einer Brückenschaltung. An zwei gegenüberliegenden Eckpunkten wurde ein konstanter Strom zugeführt, während an den beiden anderen Eckpunkten ein lineares, druckproportionales Spannungssignal aufgenommen wurde. Abb. 3.4 veranschaulicht das Prinzip dieser Anordnung. Solche Instrumente wurden als PIEZOVAC bezeichnet, heute heißen sie DI/DU2000 und werden in vielen Fällen immer noch verwendet.

Abb. 3.4 – Piezoelektrischer Sensor (Basisdiagramm)

Kapazitätsmembranmessgeräte

Die Messung der Dehnung als Teil einer Brückenschaltung sorgt für hohe Genauigkeit, hat aber einen begrenzten Bereich. Eine weiterentwickelte Methode ist die Messung der Membrandurchbiegung als Kapazitätsänderung eines Plattenkondensators: Die eine Elektrode des Kondensators ist fest, die andere wird durch die Membran gebildet. Bei Auslenkung der Membran wird der Abstand zwischen den Elektroden und damit die Kapazität des Kondensators verändert. Abb. 3.5 zeigt das Prinzip dieser Anordnung. Sie wird im CERVAC CTR-Bereich verwendet. Man unterscheidet Sensoren mit metallischen und solche mit keramischen Membranen. Kapazitätsmembranmessgeräte werden von Atmosphärendruck bis 1·10^-4 mbar eingesetzt (unter 10^-4 mbar steigt die Messunsicherheit rapide an). Um eine ausreichende Auslenkung der Membranen bei solchen niedrigen Drücken zu gewährleisten, werden Membranen unterschiedlicher Dicke für die verschiedenen Druckstufen verbaut. In jedem Fall kann der Druck von den Sensoren mit einer Genauigkeit von jeweils 3 Zehnerpotenzen gemessen werden:

1000 bis 1 Torr
100 bis 10^–1 Torr
10 bis 10^–2 Torr
1 bis 10^–3 Torr
10–1 bis 10^–4 Torr

Um die Genauigkeit weiter zu erhöhen, kann die kapazitive Zelle auch erwärmt werden. In diesem Fall ist die kapazitive Zelle stark gegen Umgebungstemperatur isoliert, und ein kleiner Heizfaden erwärmt die Zelle auf eine feste Temperatur. Dadurch können Schwankungen bei veränderlichen Umgebungstemperaturen vermieden werden. Dieses Konzept wird auch bei Gasen verwendet, die im Inneren des Messgeräts nicht kondensieren sollen, da dies ansonsten zu einer kalten Stelle im System führen würde.

Abb. 3.5 – Kapazitiver Sensor (Basisdiagramm)

Wenn die zu messenden Drücke diese Bereichsgrenzen überschreiten, sollte eine Mehrkanaleinheit mit zwei oder drei Sensoren eingesetzt werden.

Das Kapazitätsmembranmessgerät stellt somit für alle Praxiszwecke das einzige Absolutdruckmessgerät dar, das unabhängig von der Gasart und für Drücke unter 1 mbar ausgelegt ist. Heute sind zwei Arten von kapazitiven Sensoren erhältlich: