Wärmeverlustvakuummeter

Die druckabhängigen Wärmetransporteigenschaften des Gases für die Druckmessung nutzen

Pirani WaermeleitungsvakuummeterWärmeleitung ist eine weitere charakteristische Eigenschaft der Gase, die mit der Teilchendichte eng zusammenhängt. Die Energie wird hierbei durch gegenseitige Zusammenstoße der Gasmoleküle übertragen und je nach der mittleren freien Weglänge der Partikel geschieht der Wärmetransport mit unterschiedlicher Effizienz. In einem bestimmten Druckbereich ist die Wärmeleitfähigkeit proportional zum Druck, allerdings muss mit störenden Effekten wie der Wärmeströmung, Wärmestrahlung, Wärmeleitung über die Kontakte, usw. gerechnet werden.

Die Grundidee eines Pirani-Wärmeverlustvakuumsensors besteht darin, einen Draht (wie in der Abbildung gezeigt) auf eine konstante Temperatur zu heizen, die viel höher ist als die des umgebenden Restgases im Vakuum. Der Draht (Durchmesser typischerweise 5 bis 25 μm, Länge zwischen 50 und 100 mm) gibt Wärme an das Gas ab. Er ist gleichzeitig ein Teil einer elektrischen Schaltung, wie z. B. einer abgeglichenen Wheatstone-Brücke, und seine Temperatur kann somit direkt aus ihrer Proportionalität zum Drahtwiderstand bestimmt werden. Die eigentliche Messgröße, die zur Temperaturstabilisierung notwendige elektrische Leistung, ist aufgrund der Proportionalität der Wärmeleitfähigkeit eines Gases zum Druck auch druckabhängig.

Mit der Wheatstone-Brücke, die zur Temperaturstabilisierung genutzt wird, misst man gleichzeitig auch die Differenzspannung zwischen einer definierten Referenz und der anliegenden Heizspannung. Die Referenzspannung wird durch einen sogenannten Nullpunktabgleich, der im Handbuch des Sensorherstellers beschrieben wird, eingestellt. Dieser Nullpunktabgleich trägt vor allem der unerwünschten Wärmeleitung durch die Kontaktstellen des Drahtes und der Wärmestrahlung Rechnung. In der Regel entspricht die Referenzspannung der Heizspannung, die angelegt werden muss, wenn der Druck in der Anlage weit unterhalb der unteren Messgrenze liegt.

Vorteile eines Wärmeleitungs-Vakuummeters sind insbesondere der weite Messbereich von 10-4 mbar bis Atmosphärendruck und die Genauigkeit, die mit ±10 % im bevorzugten Messbereich für viele Anwendungen ausreichend ist.

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