DE19501773A1 - Einrichtung zum Messen des Innendruckes in einer Vakuumkammer in einem Bereich von 100 mbar bis 10·-··7· mbar - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen des Innen­ druckes in einer Vakuumkammer in einem Bereich von 100 mbar bis 10^-7 mbar, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Funktionsweise bestimmter Geräte in Vakuumkammer, insbeson­ dere in einer Vakuumschaltkammer, hängt in besonderer Weise von der Güte des Vakuums innerhalb der Vakuumschaltkammer ab. Ist der Druck zu hoch, übersteigt er z. B. bei einer Vakuumschalt­ kammer einen Wert von 10^-3 mbar, dann wird das Schaltvermögen der Vakuumschaltkammer so stark herabgesetzt, daß eine sichere Abschaltung nicht gewährleistet ist.

Demgemäß sind eine Reihe von Methoden und Verfahren zur Messung des Druckes bei diesen niedrigen Druckverhältnissen bekannt ge­ worden, mit denen der Druck mehr oder weniger genau gemessen werden kann.

Eine besonders vorteilhafte und relativ genaue Meßmethode wird mit einem Kaltkathoden-Ionisationsvakuummeter (Pennig-Vakuumme­ ter) durchgeführt. Man bezeichnet dieses Meßverfahren auch als Magnetronverfahren. Das Arbeitsprinzip besteht darin, daß zwi­ schen zwei Metallelektroden (Anode, Kathode) durch Anlegen einer hinreichend hohen Gleichspannung im Kilovoltbereich eine Gasent­ ladung erzeugt wird. Der Gasentladungsstrom ist druckabhängig und dient als Meßgröße. Der Meßbereich liegt zwischen 10^-7 bis 10^-3 mbar. Man erreicht hierdurch eine recht genaue Messung, je­ doch ist die Messung aufwendig, da ein elektrisches und magneti­ sches Feld benötigt wird und die Vakuumkammer in eine Magnet­ spule gestellt werden muß.

Eine weitere Meßmethode besteht darin, den Innendruck über die Messung der Lichtbogenspannung zu überprüfen. Der Druckbereich allerdings bei dem diese Methode anwendbar ist, liegt oberhalb von 10^-1 mbar.

Eine weitere Meßmethode besteht darin, den Innendruck über die elektrische Festigkeit der Vakuumstrecke zu bestimmen.

Es ist bekannt, daß die elektrische Festigkeit einer Vakuum­ strecke zwischen zwei Schaltkontakten druckabhängig ist, wobei die Durchschlagsspannung im Druckbereich von Ultrahochvakuum (UHV) bis ca. 1×10^-2 mbar nahezu konstant und unabhängig vom Druck ist. Bei höheren Druckwerten fällt die Durchschlagsspan­ nung steil ab, bis schließlich zwischen 10^-1 mbar und 1 mbar ein minimaler Wert erreicht wird, welches als Paschenminimum be­ zeichnet wird. Die Druckbestimmung erfolgt dabei über die Mes­ sung der Durchschlagsspannung und Geräte, mit denen diese Mes­ sung durchgeführt wird, werden als Vakuumchecker bezeichnet. Al­ lerdings läßt diese Meßmethode nur eine Ja/Nein-Aussage zu, wo­ bei man zusätzlich nicht weiß, ob man sich auf dem abfallenden oder ansteigenden Druckast bewegt.

Bei einer weiteren Meßmethode wird die Innendruckbestimmung durch das Ausschaltvermögen von hochfrequenten Strömen durchge­ führt. Im allgemeinen wird der Lichtbogen im ersten Stromnull­ durchgang gelöscht, während es in Luft oder in SF₆ noch mehrere Wechselstromperioden weiterbrennt. Zur besseren Aussage, ob eine Kammer intakt oder defekt ist, kommt auch eine erhöhte Frequenz des abgeschalteten Stromes zur Anwendung. Der Einsatzdruckbe­ reich liegt oberhalb von 10^-4 mbar. Hierbei wird aber auch nur eine Aussage gemacht, ob der Druck über 10^-4 mbar oder darunter liegt. Es ist dies ebenfalls praktisch eine Ja/Nein-Aussage.

Bei einer anderen Meßmethode nutzt man die Erkenntnis aus, daß der Intensitätsverlauf der Röntgenstrahlung einer Vakuumkammer bei gleichbleibender Spannung an der Vakuumkammer von Intensi­ tätsänderungen mit einer Frequenz überlagert ist, die ein Maß für den Kammerinnendruck darstellt. Da die Meßergebnisse relativ stark streuen, wird eine zuverlässige Aussage nicht möglich.

Alle diese oben beschriebenen Meßsysteme haben den Nachteil, daß sie entweder nur eine Ja/Nein-Aussage treffen, für einen be­ grenzten Druckbereich oder nur für einen annähernden Druckbe­ reich anwendbar sind und zudem aufwendige Betriebseinrichtungen, die schwer transportierbar sind, benötigen.

Eine Einrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 34 31 517 C1 bekannt geworden. Wie diese Einrichtung bei einer Vakuum­ schaltkammer benutzt werden kann, ist nicht dargestellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs ge­ nannten Art zu schaffen, mit der auf einfache Weise eine Druck­ messung bei einer Vakuumschaltkammer erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Anspruches 1.

Erfindungsgemäß ist somit an der Vakuumschaltkammer ein in sie einmündendes Rohr befestigt, in dem eine Kugel gelagert ist, die im Rohr festgehalten wird.

Die Einrichtung umfaßt weiterhin ein Gehäuse, in dem zur rei­ bungsfreien Lagerung der Kugel während des Meßvorganges zwei in Abstand zueinander angeordnete Permanentmagnete sowie diesen zu­ geordnete Spulen für die vertikale Stabilisierung, die die Kugel zwischen sich nehmen, wobei die Permanentmagnete sowie die Spu­ len für die vertikale Stabilisierung auf einer Achse liegen, An­ triebsspulen zum Antrieb der Kugel und Meßspulen zur Detektion der Anzahl der Umdrehungen nach Abschalten des Antriebes bzw. der Antriebsspulen vorgesehen sind, wobei die Signale der Meß­ spulen einer Auswerteeinheit übermittelt werden, und welches an sich gegenüberliegenden Wandabschnitten Durchbrüche aufweist, deren Achsen mit den Achsen zweier Antriebsspulen fluchten, so daß das Rohr durch die Durchbrechungen und durch die Antriebs­ spulen ins Innere des Gehäuses einführbar ist. Nach dem Einfüh­ ren des Rohres ins Innere des Gehäuses ist die Kugel mittels der Permanentmagnete sowie der Spulen für die vertikale Stabilisie­ rung reibungsfrei gelagert, so daß sie mittels der Antriebsspu­ len in Drehung versetzt werden kann.

Das Meßprinzip, auf dem die Einrichtung beruht, nutzt die Tatsa­ che aus, daß die dynamische Viskosität der Gase im Gebiet nied­ riger Drücke vom Gasdruck bzw. von der Teilchendichte abhängig ist. Erfindungsgemäß also wird dabei die Gasreibung ausgenutzt, die die Kugel abbremst. Voraussetzung ist allerdings, daß die Lagerung der Kugel selbst im wesentlichen reibungsfrei ist. An­ triebsspulen erzeugen ein in der horizontalen Ebene mit einer definierten Frequenz umlaufendes Drehfeld, daß die Kugel um ihre vertikale Achse auf die Anfangsfrequenz antreibt. Nach Erreichen dieser Drehfrequenz wird der Antrieb abgeschaltet und die Kugel läuft dann gemäß der auf ihr wirkenden Bremsmomente aufgrund der Gasreibung langsam aus. Durch die herrschenden Magnetfelder er­ hält die Kugel eine Magnetisierung, die wegen der magnetischen Härte des Materials der Kugel inhomogen ist. Das hierdurch er­ zeugte Außenfeld ist wegen der genannten Inhomogenität azimutal nicht konstant und induziert daher in zwei in der Horizontal­ ebene liegenden Aufnehmerspulen eine Wechselspannung der Dreh­ frequenz der Kugel. Sie ist relativ klein und nimmt mit der Bremsung ab. Befindet sich nun im Behälter ein Gas vom Druck P = n×k×T (n = Teilchendichte, k = Boltzmann-Konstante, T = Temperatur), so wird deutlich, daß mit zunehmender Teilchen­ dichte bei angenähert konstanter Temperatur die Bremswirkung auf die rotierende Kugel größer wird. Damit wird also zur Bestimmung des Druckes im Inneren des Behälters die Verzögerung der Kugel gemessen.

Bei der Messung wird die Anzahl der Umdrehungen in einem be­ stimmten Zeitintervall zu Beginn der Meßreihe gemessen; nach ei­ ner gewissen Zeitdauer wird die gleiche Anzahl Umdrehungen er­ faßt und die dafür benötigte Zeitdauer gemessen. Die Änderung der Zeitdauer für eine bestimmte Anzahl von Umdrehungen nach ei­ ner bestimmten Zeit ist dann ein Maß für den Innendruck.

Damit die Kugel nicht ins Innere der Vakuumschaltkammer hinein­ fällt, ist im Rohr ein Querstift vorgesehen, der das Hineinfal­ len der Kugel verhindert; anstatt eines Querstiftes kann auch ein Kreuz vorgesehen werden, das gemäß den Merkmalen des Anspru­ ches 3 ausgebildet sein kann.

Damit die Kugel beim Verlöten der Vakuumschaltkammer nicht am Querstift oder Kreuz festgelötet wird, besteht der Querstift oder das Kreuz aus einem Werkstoff mit schlechter Lotbenetzbar­ keit, z. B. aus bestimmtem Stahl, z. B. aus 1.4541 < x6 CrNiTi 1810 oder Keramik oder aus einem Material, das CERMETS bezeich­ net wird und ein keramisch/metallischer Werkstoff mit annähernd metallischen Festigkeitseigenschaften ist.

Das Kreuz ist aus zwei ineinandersteckbaren Plättchen zusammen­ gesetzt, deren Wandstärke zwischen 0,1 mm bis 0,3 mm liegen kann und die je eine V-förmige, zur Kugel offene Ausnehmung aufwei­ sen.

Erfindungsgemäß also ist ein Vakuummeßrohr in oder an der Vaku­ umschaltkammer integriert.

Anhand der Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele der Er­ findung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung, teilweise geschnitten, einer Meßeinrichtung,

Fig. 2 die schematische Darstellung der Lagerung und des Antriebes der Meßeinrichtung und

Fig. 3 eine Schnittansicht durch den oberen Bereich einer Vakuumschaltkammer,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Kreuzes, und

Fig. 5 und 6 je eine Seitenansicht der Elemente, aus denen das Kreuz zusammengesetzt ist.

Es sei nun Bezug genommen auf die Fig. 1.

Einer zu Meßzwecken horizontal liegenden Vakuumschaltkammer 10, die nur teilweise dargestellt ist, ist ein Meßkopf 11 zugeord­ net, der ein Rohr 12 umfaßt, welches stirnseitig an den Festkon­ taktträger 13 einer Vakuumschaltkammer angeschlossen ist. Der Meßkopf 11 ist von einem Gehäuse 14 umschlossen, das stirnseitig mittels Deckeln 15 und 16 abgeschlossen ist, wobei im Deckel 15 eine Libelle 17 zur Einjustierung des Meßkopfes 11 mit dem Ge­ häuse 14 vorgesehen ist. Das Gehäuse 14 besitzt weiterhin sich gegenüberliegende Durchbrechungen 18 und 19, so daß das Gehäuse 14 senkrecht zu der Längsachse des Gehäuses 14 über das Rohr 12 gesteckt werden kann, so daß das Rohr 12 vollständig sich inner­ halb des Gehäuses befindet oder ggf. auch aus der Durchbrechung 19 geringfügig herausragt.

Auf der Innenfläche der Deckel 15 und 16 befinden sich je ein Permanentmagnet 20, 21, denen dazwischen und in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnete Spulen 22 und 23 für vertikale Stabilisierung zugeordnet sind. Durch das Zusammenwirken der Permanentmagnete 20, 21 und der Spulen 22 und 23 wird eine im Inneren des Rohres befindlich Kugel 24 freischwebend ohne Rei­ bung gelagert. Weiterhin sind vier Antriebsspulen 25, 26 (Fig. 1) vorgesehen, die in Fig. 2 nicht zu sehen sind. Die Antriebs­ spulen 25 und 26 umfassen im montierten Zustand das Rohr 12, wo­ gegen die Antriebsspule 27 und die vor dem Rohr 12 angeordnete nicht dargestellte Antriebsspule mit ihrer Spulenebene senkrecht zur Spulenebene der Antriebsspulen 25 und 26 und parallel zur Mittelachse des Gehäuses 14 bzw. zur Mittelachse des Rohres 12 ausgerichtet sind. Diese vier Antriebsspulen erzeugen ein in der horizontalen Ebene mit einer definierten Drehfrequenz umlaufen­ des Drehfeld, welches die Kugel 24 um eine Achse entsprechend dem Pfeil 28 dreht, die mit der Achse des Gehäuses 14 fluchtet.

Aufgrund der herrschenden Magnetfelder erhält die Kugel 24 eine Magnetisierung, die wegen der magnetischen Härte des Materials, hier vorzugsweise des Stahls, aus dem die Kugel hergestellt ist, inhomogen ist und ein dem Erdmagnetfeld in seiner Konfiguration ähnliches Außenfeld erzeugt.

Dieses Außenfeld wird durch zwei Detektionsspulen 29 und 30 de­ tektiert, so daß die Drehzahl ermittelt werden kann.

Befindet sich nun im Vakuumrohr 10 ein Gas mit dem Druck

P=n×k×T

n = Teilchendichtung
k = Boltzmann-Konstante
T = Temperatur

so wird deutlich, daß mit zunehmender Teilchendichte bei ange­ nommener konstanter Temperatur die Bremswirkung auf die rotie­ rende Kugel 24 größer wird.

Zur Bestimmung des Vakuumdruckes im Inneren der Vakuumschaltkam­ mer 10 wird somit die Verzögerung der Kugel gemessen.

Die Messung der Verzögerung erfolgt über die Vorgabe einer fe­ sten Umdrehungszahl, die Messung der aufeinanderfolgenden Anzahl von Umdrehungen und die Messung aufeinanderfolgender Zeitinter­ valle, die während jeweils dieser Anzahl der Umdrehungen verge­ hen. Da sich die Zeitintervalle aufgrund des Abbremsens der Ku­ geldrehzahl vergrößern, kann hieraus der Innendruck berechnet werden. Diese Messung stellt eine Absolutdruckmessung dar.

Es sei nun Bezug genommen auf die Fig. 3.

Die Vakuumschaltkammer 10 besitzt in bekannter Weise ein Iso­ lierrohr 31, das an dem in der Fig. 3 dargestellten oberen Ende mittels eines metallischen Deckels 32 abgeschlossen ist. Dem me­ tallischen Deckel 32 ist eine Abschirmung 33 zugeordnet. Die obere Zuleitung zu einem in der Fig. nicht dargestellten Kon­ taktstück trägt die Bezugsziffer 34 und diese obere Zuleitung besitzt im Inneren eine Längsbohrung 35, der sich eine Querboh­ rung 36 innerhalb der Vakuumschaltkammer anschließt, so daß der Raum 37 innerhalb der Vakuumschaltkammer mit den Bohrungen 36 und 35 in Verbindung steht. An der freien Stirnfläche der Zufüh­ rung 34, mit der Längsbohrung 35 fluchtend, ist das zu seinem freien Ende mit einem Boden 38 abgeschlossene Rohr 12 mit der darin befindlichen Kugel 24 befestigt. Damit die Kugel 24 nun nicht durch die Längsbohrung 35 und die Querbohrung 36 ins In­ nere der Vakuumschaltkammer gelangen kann, ist im Rohr 12 an seinem freien Ende ein Querstift 39 vorgesehen, der die Kugel 24 in der gezeichneten Lage festhält.

Zur Messung wird nach der Evakuierung der Vakuumschaltkammer 10 das Rohr 12 durch die Bohrungen 18 und 19 gesteckt, wobei da­ durch das Rohr 12 auch durch die Spulen 25 und 26 hindurch und an den Spulen 22 und 23 vorbeigesteckt bzw. -geführt wird.

Selbstverständlich kann das Rohr 12 an jeder Stelle der Vakuum­ schaltkammer angebracht sein; es genügt nur, daß das Innere des Rohres, das - nebenbei bemerkt - in der Fig. 2 teilweise ge­ schnitten dargestellt ist, so daß die Kugel 24 sichtbar ist, mit dem Innenraum 37 der Vakuumschaltkammer in Verbindung steht.

Die Benutzung der Einrichtung erfolgt dadurch, daß die Vakuum­ schaltkammer 10 mit dem Rohr 12 in das Gehäuse eingesteckt wird.

Anstatt des Stiftes 39 kann, die in Fig. 4 dargestellt ist, in dem Rohr 12, das teilweise aufgeschnitten ist, ein Kreuz 40 be­ festigt sein, welches aus zwei Elementen 41 und 42 zusammenge­ setzt ist. Das Element 41 ist in Fig. 6 dargestellt. Es ist ein im Querschnitt etwa rechteckförmiges Plättchen, welches an einer Kante eine V-förmige Ausnehmung 43 aufweist, die in ihrem V-Grund in eine rechteckige Vertiefung 44 übergeht.

Das in Fig. 5 gezeigte Element 42 besitzt an einer Kante eine der V-förmigen Ausnehmung 43 entsprechende V-förmige Ausnehmung 45 und an der gegenüberliegenden Kante eine rechteckförmige Ver­ tiefung 46; die Vertiefungen 44 und 46 sind so aneinander ange­ paßt, daß die Elemente 41 und 42 ineinandergesteckt werden kön­ nen; die Tiefe t₁ der Vertiefung 46 entspricht dem Abstand d₁ des Bodens der Vertiefung 44 von der gegenüberliegenden Kante, und die Breite B der Vertiefungen 44 und 46 entsprechen der Wandstärke d₂ der Elemente 41 und 42, die zwischen 0,1 mm bis 0,3 mm betragen kann. Die Fig. 4 zeigt die beiden Elemente 41 und 42 in zusammengestecktem Zustand. Sie sind dabei vorzugs­ weise in das Rohr 12 eingepreßt oder auf andere Weise innerhalb des Rohres 12 fixiert. Die V-Form 43 und 45 ist an die Kugel 24 angepaßt, so daß die Kugel 24 in dieser V-Form gelagert bleibt, wenn die Vakuumschaltkammer 10 senkrecht in ein Schaltfeld ein­ gebaut wird. Selbstverständlich ist eine V-Form nicht nötig; die Kanten können gerade verlaufen, also im eingebauten Zustand senkrecht zur Mittelachse des Rohres 12 oder eine U-Form aufwei­ sen, deren offene Seite zur Kugel 24 gerichtet ist, wie die V-Form.

Claims (6)

1. Einrichtung zur Messung des Innendruckes in einer Vakuum­ kammer (10) in einem Bereich von 100 mbar bis 10^-7 mbar, mit ei­ nem in die Vakuumkammer (10) ein in sie einmündendes Rohr (12), in dem eine Kugel (24) frei beweglich angeordnet ist, befestigt ist, daß die Einrichtung ein Gehäuse umfaßt, in dem zur rei­ bungsfreien Lagerung der Kugel (24) beim Meßvorgang zwei in Ab­ stand zueinander angeordnete Permanentmagnete (20, 21) sowie diesen zugeordnete Spulen (22, 23) für die vertikale Stabilisie­ rung, die die Kugel zwischen sich nehmen, wobei die Permanentma­ gnete (20, 21) sowie die Spulen (22, 23) für die vertikale Sta­ bilisierung auf einer Achse liegen, Antriebsspulen (25, 26; 27) zum Antrieb der Kugel (24) und Meßspulen (29, 30) zur Detektion der Anzahl der Umdrehungen der Drehkörper (24) nach Abschalten des Antriebes bzw. der Antriebsspulen (25, 26; 27) vorgesehen sind, deren Signale einer Auswerteeinheit übermittelt werden, und das an sich gegenüberliegenden Wandabschnitten Durchbrüche (18, 19) aufweist, deren Achsen mit den Achsen zweier Antriebs­ spulen (25, 26) fluchten, so daß das Rohr (12) durch die Durch­ brechungen (18, 19) und durch die Antriebsspulen (25, 26) ins Innere des Gehäuses (14) einführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer (10) eine Vakuumschaltkammer ist, daß das Rohr (12) an der Vakuumschaltkammer (10) befestigt ist und die Kugel (24) enthält und daß im Rohr (12) Mittel vorgesehen sind, die das Hineinfallen der Kugel (24) ins Innere der Vakuumschalt­ kammer verhindern.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel ein Querstift (39) vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel im Rohr ein aus zwei ineinander steckbaren dünnwandi­ gen Elementen (41, 42) gebildetes Kreuz befestigt ist, mit dem das Hineinfallen der Kugel (24) ins Innere der Vakuumschaltkam­ mer verhindert ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die der Kugel (24) zugewandte Kante der Elemente (41, 42) eine zur Kugel (24) hin konkave Aussparung (43, 45) vorzugsweise eine V-förmige aufweist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Querstift (39) oder das Kreuz aus einem Stahl mit schlechter Lotbenetzbarkeit besteht.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Querstift (39) oder das Kreuz aus kerami­ schem oder keramisch/metallischem (CERMETS) Werkstoff besteht.