VÁKUUMTECHNIKAI LABORATÓRIUMI GYAKORLATOK Bohátka Sándor és Langer Gábor 2. PIRANI VÁKUUMMÉRŐ MEGISMERÉSE, BEÁLLÍTÁSA, MŰKÖDTETÉSE TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005.

Az előadások a következő témára: "VÁKUUMTECHNIKAI LABORATÓRIUMI GYAKORLATOK Bohátka Sándor és Langer Gábor 2. PIRANI VÁKUUMMÉRŐ MEGISMERÉSE, BEÁLLÍTÁSA, MŰKÖDTETÉSE TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005."— Előadás másolata:

1 VÁKUUMTECHNIKAI LABORATÓRIUMI GYAKORLATOK Bohátka Sándor és Langer Gábor 2. PIRANI VÁKUUMMÉRŐ MEGISMERÉSE, BEÁLLÍTÁSA, MŰKÖDTETÉSE TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt „Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"

2 Hőterjedés áramlással Hőterjedés hővezetéssel Hőterjedés sugárzással és a bevezetőkön keresztül vezetéssel 2.1.1. ábra. Hőterjedés nyomásfüggése. Hőterjedés tetsz. egység A transzport jelenségek tanulmányozásakor megállapítottuk, hogy a hővezetési együttható ( ) alacsony nyomáson (vákuumban) függ a nyomástól. A jelenséget felhasználhatjuk hővezetéses vákuummérő készítésére (2.1.1. ábra): ha egy fűtött fémszál gázok által elvitt hőveszteségét érzékeljük valahogyan. 2. PIRANI VÁKUUMMÉRŐ MEGISMERÉSE, BEÁLLÍTÁSA, MŰKÖDTETÉSE 2.1. HŐVEZETÉSES VÁKUUMMÉRŐK MŰKÖDÉSÉNEK ELVI ALAPJA

3 2.2. PIRANI VÁKUUMMÉRŐ Hengeres geometriájú rendszerben – a 2.2.1. ábra jelöléseivel élve – a vákuummérő cső tengelyében kifeszített r 1 sugarú, ℓ hosszúságú fűtött fémszálról a körülvevő gázok által elvitt hőmennyiség-áram, azaz a szál hővesztesége: (2.2. 1. ) 2.2.1. ábra. Pirani vákuummérő cső elvi felépítése. L magában foglalja a hővezetési együtthatót ( ), így az előbbiek alapján alacsony nyomáson L  p. Átmeneti nyomástartományban a tapasztalat szerint egy geometriai faktorral (g) is kell számolni. Ekkor, (2.2. 2. ) ahol ε a gáz tulajdonságaitól és az eszköz geometriájától függ.

4 A fűtött szál mérete: r 1 = 5 - 15 μ, ℓ ≈ 50 - 100 mm, anyaga: W vagy Ni (korrozív közegben ajánlatosan Pt), hőmérséklete: 100 – 150  C. A betáplált elektromos teljesítmény : =U  I. Egyensúlyban a betáplált fűtőteljesítmény egyenlő a fűtött szál hőveszteségeivel. ahol : hővezetés a gázon át vég : hővezetés a szál végeinél, a rögzítésen át, sug : hősugárzás a fűtött szálról, áraml : hőáramlás a nagy sűrűségű (nyomású) gázban a gáz áramlásával. nagy nyomáson = állandó kis nyomáson ~ k∙p A fűtött szál hővesztessége nagy nyomáson közel állandó, áramlás dominál (2.1.1. ábra). Kisebb nyomáson (~10 mbar) az áramlás megszűnik és a gáz, a hővezetés a gázon át folyamat a meghatározó. 10 -3 mbar nyomás alatt a sug + vég vesztességek dominálnak, és egyben meghatározzák a Pirani vákuummérő alsó méréshatárának korlátját (p 0 ).

5 2.2.2. ábra. A Pirani vákuummérő elvi kapcsolási rajza. Mérési módszerek 1. állandó szálhőmérséklet (ellenáll.) A Wheatstone-hídban a nyomás változásakor a szál hővesztesége változását kompenzálja a betáplált elektromos teljesítmény változása: a szál állandó hőmérsékleten marad – állandó ellenállás. A fűtőfeszültség változik, és ez lesz a nyomás változásának mértéke. Az elektromosan fűtött szálba betáplált teljesítmény: p → 0 nyomáson : p 0 a nyomásmérés alsó korlátja. (2.2.3.) Méréstartománya szélesebb (10 -3 – 100 mbar), ezen belül 10 -2 és 10 mbar között szélesebbre nyújtható. Minden Pirani vákuummérő skálája nemlineáris. 2. Állandó fűtőteljesítmény A szálat fűtő teljesítmény állandó, a szál hőmérséklete/ellenállása változik a nyomással. A szálon eső feszültséget mérik, ez Pirani eredeti megoldása is. Az átfogott méréstartomány kisebb, de a tartomány közepe (10 -1 – 10 mbar) széles.

6 2.2.1. Szilárdtest Pirani mérőfej 2.2.3. ábra. Egy szilárdtest Pirani keresztmetszete és felépítése [MKS2]. - A Pirani vákuummérő fűtött mérőszálát, a mérőhíd további ellenállásait és a kompenzáló ellenállást integrált formában egyetlen szilícium lapocskára viszik fel vékonyréteg formájában (mikro- elektromechanikai rendszer – MEMS). - Miniatűr méretű, ezért a Knudsen szám nagy és nincs hőáramlás, méréshatára kitolódik. - A korai gyártmányok hőkapacitása nagyobb, alsó méréshatára lényegesen rosszabb volt a hagyományos Piraniénál. Ma már sokkal kisebb méretű és jobb annál. Van olyan gyártmány, amely 1∙10 -5 – 1000 mbar között mér, mégpedig 1,3∙10 -3 – 100 mbar között 5% pontossággal (MicroPirani Vacuum Sensor Kit 905 [MKS1]). - Előnyei: 8 nagyságrendet fog át, olajfilm szennyezés nem ég rá (alacsony hőmérsékl.), stabil a környezeti hőmérséklet változásával szemben. 2.2.4 ábra. MicroPirani Vac. Sensor Kit 905 [MKS1] Si fedél Hőmérő ellenállások Mérő ellenállás MKS 925 jeladó [MKS1]

7 2.2.5 ábra. Egy korszerű Pirani vákuummérőn leolvasott (p leolv. ) és a valódi nyomás (p val. ) [P1]. Bejelöltük a mért eltérést He és Ar esetében. p leolv. (mbar) p val. (mbar)

8 Szennyezésre érzékeny (pl. kondenzált olajgőzök), mert a lerakódások a szál hőátadását megváltoztatják. Tisztítása a W-szál vékonysága miatt kockázatos. Régebben csak üvegburával, ma leginkább fémházas kivitelben gyártják. A Pirani vákuummérők méréshatára: 10 -3 (10 -4 ) – 1000 mbar. A pontosság: tiszta mérőfejeknél ±5-10%-ra csökkenthető. A szilárdtest-mérőfejek pontosabbak és stabilabbak, méréshatáruk tágabb (10 -5 – 1000 mbar) is lehet. - Hitelesítés: a gyárban N 2 -re, esetleg levegőre hitelesítik. - Méréshatár kiterjesztése: felső határ: - a méretek csökkentésével, - konvekcióval; alsó határ: - a 2.2.3. kifejezés p 0 értékét elektronikusan kompenzálva, - a szál átmérőjét csökkentve. Kombinált Pirani – ionizációs mérőfej Egy mérőházban helyezik el az ionizációs mérőfejet és a Pirani mérőszálat. Méréshatáruk átfedi egymást.

9 2.2.6. ábra. Egy Pirani vákuummérő fej és meghajtó/kijelző elektronikája [KL1]. 2.3. TERMOKERESZTES (TERMOPÁR) VÁKUUMMÉRŐ 2.3.1. ábra. A termopár felépítése [KL4]. A hővezetés elvén működő vákuummérőkhöz tartozik a termokeresztes vákuummérő, melyet gyakran a Pirani vákuummérővel tévesztenek össze. Ebben a vákuummérőben azonban az állandó teljesítménnyel fűtött szál nyomással változó hőmérsékletét a szálhoz erősített termopárral mérik. Kimeneti jele mV nagyságrendű. Zajokra érzékenyebb, lassabb, pontatlanabb a Piraninál. Olcsó és egyszerű mérőeszköz.

10 2.4. A PIRANI VÁKUUMMÉRŐ BEKAPCSOLÁSA ÉS HITELESÍTÉSE A gyakorlatot a Pfeiffer Maxigauge vákuummérővel végezzük el. A vákuummérő 6 darab Pirani vagy 6 darab kombinált (Pirani – nagyvákuum mérő) mérőfejet tud kezelni egyidejűleg. Váltás a mérőfejek között Mérőfejek be-ki kapcsolása Összes mérőfej kijelzése egyidejűleg Kapcsolási szint beállítás 2.4.1.. ábra. Maxigauge vákuummérő.[P2]

11 2.4.3.ábra. Maxigauge vákuummérő táp/kijelző egységének hátlapja. 2.4.2.ábra. Pirani vákuummérőcső táp/jel kábel. 1.Csatlakoztassuk a Pirani vákuummérő táp/jel kábelét a maxigauge kijelző egység hátlapján levő sensor1 vagy sensor2 csatlakozóhoz! 2.Csatlakoztassuk a kijelzőt a hátlapon lévő 240 V-os aljzaton keresztül a hálózathoz ! 3.Kapcsoljuk be a kijelző egységet a hátlapon található kapcsolóval!

12 4. Várjunk legalább 10 – 15 percet a készülék bemelegedésére! 5. Győződjünk meg, hogy a Pirani vákuummérő cső atmoszférikus nyomáson van! 6. A 2.4.4. ábrán levő, a Pirani vákuummérő csőhöz mellékelt szerszám segítségével a nyílásban lévő hitelesítő kapcsolót lenyomással aktiválhatjuk. 7. Ha legalább 5 másodpercig lenyomva tartjuk a hitelesítő kapcsolót, a vákuum értéke a kijelzőn fokozatosan változik 1200 és 500 mbar között mindaddig, amíg a nyomást meg nem szüntetjük. 8. A hitelesítő kapcsoló segítségével állítsuk be a kijelzőn az atmoszférikus nyomásnak megfelelő 1000 mbar-t! 2.4.4. ábra. Pirani vákuummérőcső hitelesítő nyílása, alján a hitelesítő kapcsolóval.

13 9. A 2.4.5. ábrán lévő mérési elrendezés segítségével szívjuk le a vákuummérőt az alkalmazott forgólapátos szivattyú végvákuumára, 10 -2 mbar nyomásra! 10. Ismételjük meg a 7-8 pontban leírt műveleteket azzal a különbséggel, hogy most ebben az esetben a nyomás 1∙10 -4 és 10 -2 mbar között változik mindaddig, amíg a hitelesítő kapcsolót lenyomva tartjuk. 11. A 10 -2 mbar nyomás beállításával a vákuummérőt hitelesítettük. 2.4.5. ábra. Mérési elrendezés. Pirani mérőcső Elővákuum szivattyú vezetéke Fellevegőző szelep

14 2.5. A GYAKORLAT MENETE A gyakorlatvezető által előkészített Pirani vákuummérő csövet szereljük fel a 2.4.5. ábrán mutatott mérési elrendezésre! A gyakorlatban leírtak alapján kapcsoljuk be a Pirani vákuummérőt és hitelesítsük atmoszféra és 10 -2 mbar nyomáson.