Vakuum- und Druckmesstechnik: Kaltkathode, Thermoelement und Druckschalter

Kaltkathoden-Vakuummeter (Penning-Prinzip)

Das Kaltkathoden-Vakuummeter basiert auf dem Prinzip der Messung des Ionenstroms, der durch eine Hochspannungsentladung erzeugt wird. Elektronen, die von der Kathode abgelöst werden, bewegen sich in einer spiralförmigen Bahn zur Anode, da sie ein starkes Magnetfeld durchqueren.

Die spiralförmige Bewegung führt dazu, dass die mittlere freie Weglänge der Elektronen größer ist als der Abstand zwischen den Elektroden. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen mit den vorhandenen Gasmolekülen, was zu einem erhöhten Ionenstrom führt.

Die Zündung der Kathode erfolgt somit bei einem niedrigeren Druck (oder einem höheren Vakuum). Dieses Instrument kann nicht so schnell entlüftet werden wie ein Glühdraht-Vakuummeter, ist aber robuster und hat kein Problem mit durchbrennenden Glühkörpern.

Thermoelement-Vakuummeter

Der Thermoelement-Temperaturwandler enthält einen Heizfaden, der ein kleines Thermoelement beinhaltet. Durch den Faden fließt ein konstanter Strom. Die Temperatur des Fadens ist umgekehrt proportional zum absoluten Druck des Gases.

Die durch das Thermoelement erzeugte elektromotorische Kraft (EMK) zeigt die Temperatur des Fadens an und gibt somit Aufschluss über das Vakuum. Um die Umgebungstemperatur zu kompensieren, wird ein zweites, in einer Vakuumröhre versiegeltes Thermoelement verwendet. Das differentielle Ausgangssignal der beiden Thermoelemente ist proportional zum Druck.

Ionisationsvakuummeter mit versiegelter Radioquelle

Ein Strahlungswandler enthält eine versiegelte Radioquelle, die Alpha-Teilchen erzeugt. Diese Alpha-Teilchen ionisieren die Gasmoleküle in der Vakuumkammer. Die daraus resultierenden Ionen werden an einer Elektrode gesammelt und erzeugen einen Strom, der direkt mit der Anzahl der Gasmoleküle in der Vakuumkammer variiert und somit proportional zum Druck des Systems ist.

Vorteile und Messbereich

• Da kein Glühdraht involviert ist, kann das Instrument keinen Schaden durch die Einwirkung von atmosphärischem Druck nehmen.
• Es verfügt über eine stabile Emissionsrate.
• Bei sehr niedrigem Druck ist ein Vorverstärker erforderlich, da die erzeugten Ströme sehr klein sind (in der Größenordnung von 10⁻¹¹ bis 10⁻¹³ A).
• Sein Messbereich liegt typischerweise zwischen 760 und 10⁻⁴ mm Hg.

Druckschalter (Presostato)

Ein Druckschalter ist ein Gerät, das einen Stromkreis öffnet oder schließt, abhängig vom gemessenen Fluiddruck.

Funktionsprinzip

Der Fluiddruck wirkt auf eine innere Bahn (oft eine Membran oder ein Balg), die sich bewegt, bis sie zwei Kontakte verbindet. Wenn der Druck abfällt, drückt eine Feder in die entgegengesetzte Richtung und trennt die Kontakte.

Eine Stellschraube dient dazu, die Empfindlichkeit des Druckschalters anzupassen, indem sie die auf die Feder wirkende Kraft verändert.

Druckschalter verfügen in der Regel über zwei verschiedene Einstellungen:

1. Einschaltdruck (Druck AN)
2. Ausschaltdruck (Druck AUS)