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Feinvakuum genauer messbar

Mit Hilfe einer neuen Druckwaage kann die Unsicherheit der Druckmessung im Bereich zwischen 30 Pa und 1000 Pa jetzt um etwa eine Größenordnung verbessert werden. Kalibrierungen in diesem technologisch wichtigen Druckbereich werden besonders oft nachgefragt. Hersteller von Druckmessgeräten erhalten damit noch genauere Auskunft über die Qualität ihrer Geräte.

Das „Herz“ der neuen Druckwaage FRS5 ist ein durch ein Parallelogrammsystem zentrisch aufgehängter Kolben aus Invar, der auf eine Waage drückt. Eine Prüfmasse ermöglicht die In-situ-Kalibrierung der Waage. Links oben: Die Standardabweichung s bei Rekalibrierungen von vier Vakuummessgeräten (CDG) über drei Jahre mit dem bisherigen Primärnormal (SE2) und der FRS5.

Industriell eingesetzte Druckmessgeräte steuern den Gasdruck in Produktionsprozessen sehr genau. Das Feinvakuum zwischen 30 Pa und 1000 Pa ist beispielsweise wichtig in der Metallurgie, wenn störende Gase aus dem flüssigen Stahl entfernt werden, oder bei der chemischen Dampfabscheidung von magnetischen Schichten bei der Herstellung von Festplatten.

Zur Kalibrierung industrieller Druckmessgeräte hat die PTB eine neue Druckwaage evaluiert. Sie ermittelt den Druck, indem sie die Kraft misst, die ein Gas auf einen Kolben ausübt. Der „Gegendruck“ kann dabei vernachlässigt werden, weil sich die Waage im Hochvakuum befindet. Für genaue Messungen mit einer Druckwaage muss der effektive Querschnitt des Kolbens genau bekannt sein: Das Quecksilbermanometer der PTB ermittelt ihn, indem es die Kraft auf den Kolben bei einem bekannten Druck misst. Um einen signifikanten Einfluss von Strömungseffekten auszuschließen, wurden die Messungen mit verschiedenen Gasen und unter verschiedenen Druckbedingungen durchgeführt.

Die Evaluierung der Druckwaage erbrachte im Druckbereich zwischen 30 Pa und 1000 Pa wesentlich kleinere Unsicherheiten der Darstellung, als dies mit dem bisher verwendeten statischen Expansionsnormal möglich war. Bei 1000 Pa beträgt nun die relative erweiterte Unsicherheit 0,0064  statt früher 0,15 .

Die Druckwaage wird in der PTB bereits parallel neben dem etablierten nationalen Normal eingesetzt. Es zeigte sich, dass im Vergleich zum bisherigen Verfahren die Langzeitstreuungen bei Rekalibrierungen von in der Industrie eingesetzten hochwertigen kapazitiven Membranvakuummetern bei der Messung mit der Druckwaage erheblich reduziert wurden. Durch ihren Einsatz erhalten Hersteller von Vakuummessgeräten in Zukunft wesentlich genauere Informationen über die Langzeitstabilität und Reproduzierbarkeit ihrer Geräte.

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