真空圧力の測定方法は？

現在の真空技術で測定される圧力は、2000 mbar～10^-12 mbarの範囲、つまり、15桁以上をカバーしています。こちらに含まれる膨大なダイナミクスは、表3.1に示すように、真空圧力測定と長さ測定の類似分析によって示されます。

表3.1 真空圧力測定と長さ測定の類似分析

真空計として指定された測定機器は、この幅広い圧力範囲での測定に使用されます。真空範囲全体で定量的な測定を実行できる真空計を構築することは、物理的な理由から不可能であるため、一連の真空計が用意されています。各真空計には、通常数桁を超える特性測定範囲があります（図9.16aを参照）。可能な最大の測定範囲を個々のタイプの真空計に割り当てるために、測定不確実性が非常に急速に上昇し、場合によっては上限と下限の範囲で最大100%まで上昇するという事実を受け入れる必要があります。したがって、カタログに記載されている測定範囲と「正確な」測定の測定範囲を区別する必要があります。個々の真空計の測定範囲は、物理的影響により上限と下限の範囲に制限されます。

図9.16a 一般的な真空計の測定範囲

低圧力測定の基礎

真空計は、大気圧のすぐ上からかなり下までのガス圧力を測定する機器です（DIN 28 400、Part 3、1992年発行）。多くの場合、圧力表示はガスの性質に依存します。特定のガスまたは蒸気の分圧の正確な測定は、質量分析計の原理に基づいて動作する分圧測定器を使用して行います（ガス分析および質量分析計のセクションを参照）。

圧力表示のガスタイプへの依存性

次の真空計を区別する必要があります。

定義上、圧力を面積に作用する力として測定する機器、いわゆる直接または絶対真空計です。ガスの運動理論によれば、この力は粒子が壁に衝突することによって、単位体積あたりのガス分子の数（分子の数密度n）とその温度のみに依存しますが、そのモル質量には依存しません。測定器の測定値は、ガスの種類に依存しません。このようなユニットには、液体充填真空計と機械式真空計が含まれます。
間接圧力測定を行う機器。この場合、圧力は、ガスの圧力依存（またはより正確には密度依存）特性（熱伝導率、イオン化確率、電気伝導率）に対して決定されます。これらの特性は、モル質量と圧力に依存します。測定器の圧力測定値は、ガスのタイプによって異なります。

これらの圧力測定器のスケールは、常に空気または窒素をテストガスとして基準にしています。他のガスまたは蒸気について、通常は空気または窒素に基づく補正係数を指定する必要があります（表3.2を参照）。電気エネルギーを加えて数密度を求める間接測定真空計（間接圧力測定）で正確な圧力測定を行うには、ガス組成を知ることが重要です。実際には、ガス組成は大まかな近似としてのみ知られています。しかし、多くの場合、圧力が測定されるガス混合物（水素やポンプの液体蒸気分子など）では、軽い分子と重い分子のどちらが優勢であるかを知るだけで十分です。

表3.2 補正係数

例

ポンプ液分子で構成されるガスの圧力が電離真空計で測定されると、表3.2に示すように、圧力の読み取り値（空気またはN2に適用）が約10倍高くなりすぎます。

低真空圧力範囲での測定 – 大気圧～1 mbar

低真空範囲の圧力の測定は、直接圧力測定を行う真空計を使用して比較的正確に行うことができます。一方、<10^-3の低圧力の測定は、最初から正確な測定精度を制限するいくつかの基本的なエラーの影響を受けることがほとんどです。したがって、通常は間接測定器で達成される精度とまったく比較になりません

低真空の真空計で示された圧力について、意味のある説明を行えるようにするには、まず測定システムがどの位置にどのように接続されているかを考慮する必要があります。層流が優勢なすべての圧力領域（1013 > p > 10^-1 mbar）では、排気によって発生する圧力勾配に注意する必要があります。ポンプの直前（容器から見た場合）、容器よりも低い圧力が発生します。コンダクタンスが高いコンポーネントでも、そのような圧力勾配が発生する可能性があります。最後に真空システムと測定システムの間の接続ラインのコンダクタンスは小さすぎないようにしてください。そうしないと、層流の圧力領域でラインがゆっくり排気され、表示圧力が高くなりすぎるためです。

中真空圧範囲 - 1mbar～10^-3 mbarでの測定

中真空で測定するには、低フルスケール静電容量センサー（CTR100 0.1 Torrなど）またはTHERMOVACシリーズゲージ（TTR91RNなど）の熱伝導率ゲージを使用する必要があります。通常、この範囲では、層流から分子ガスフローへの移行を開始します。そのため、最高の性能を得るには、ゲージの位置を考慮する必要があります。この範囲の測定値は、通常、熱伝導率ゲージを使用すると ±15% であるため、妥当な精度レベルを達成できますが、低真空で詳述されている直接ゲージを使用できる場合ほどの高い精度は得られません。

高真空および超高真空圧力範囲10^-3 mbar～<10^-12での測定

高真空および超高真空の場合、状況はより複雑になります。特定の設置機能に応じて、過剰な高圧、または十分に脱気された測定チューブの場合は、真空計の壁の脱ガスや測定システムの不適切な脱気により、過剰な低い圧力が記録されることがあります。高真空および超高真空では、真空システムと測定チューブ間の圧力の均等化に時間がかかる場合があります。測定プロセス自体が圧力測定に与える影響については、常に特別な考慮が必要です。例えば、熱陰極で動作する電離真空計では、ガス粒子、特に高級炭化水素の粒子が熱分解されます。これによりガス組成が変化します。そのような影響は、超高真空範囲の圧力測定に関連して役割を果たします。同じことが電離真空計、特に冷陰極真空計（10^-2～10^-1l/s 程度）のガスクリーンアップにも当てはまります。測定システムの汚染、電場と磁場の干渉、絶縁エラー、および異常に高い周囲温度により、圧力測定が正しく行われません。

測定の不確かさが50%未満の中真空および高真空範囲の圧力を測定するには、実験を実施する人は細心の注意を払って作業を進める必要があります。正確さを数パーセントにする必要がある圧力測定には多大な労力が必要であり、一般に特殊な測定機器の導入が必要です。これは、特に超高真空範囲（p < 10^-7 mbar）のすべての圧力測定に当てはまります。

適切な真空計を選択する方法

適切な測定機器を選択する際に考慮されるのは、希望の圧力範囲だけではありません。ゲージが作動する動作条件も重要な役割を果たします。汚染の危険性が高い、チューブ内の振動を排除できない、空気のバーストを予測できるなど、操作が困難な条件下で測定を実施する場合は、測定機器に堅牢性が必要です。産業施設では、ブルドンゲージ、ダイヤフラム真空計、熱伝導率真空計、熱陰極電離真空計、ペニング真空計が使用されます。これらの測定機器の中には、動作条件の悪化に敏感なものもあります。これらのエラーは、上記のエラー原因が可能な限り除外され、操作手順に従っている場合にのみ、正常に使用できます。

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