DE2945889A1

DE2945889A1 - Verfahren zun vorrichtung zur messung niedriger druecke

Info

Publication number: DE2945889A1
Application number: DE19792945889
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Udo 5042 Erftstadt Beeck
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1979-11-14
Filing date: 1979-11-14
Publication date: 1981-05-27

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung niedriger Drücke
Bei der Messung niedriger Drücke wird grundsätzlich unterschieden zwischen der direkten (oder absoluten) Druckmessung, bei der der Druck definitionsgemäß als Kraft -bezogen auf eine Fläche - gemessen wird, und der indirekten Druckmessung, bei der der Druck als Funktion einer druckabhängigen Eigenschaft (Wärmeleitfähigkeit, Ionisierungswahrscheinlichkeit o.dgl.) des Gases ermittelt wird. Auch die vom Druck abhängige Reibung von Gasen wird bei der indirekten Messung sehr niedriger Drücke herangezogen, wie z. B. beim Quarzfaden-Manometer nach Knudsen. Bei diesem Druckmeßgerät wird die Dämpfung der Bewegung eines pendelnden Quarzfadens als Maß für den vorhandenen Druck benutzt (vgl. Grimsehl *Lehrbuch der Physik", Band 1, 1957, Seite 399).
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur indirekten Messung niedriger Drücke in einem Rezipienten, bei dem ebenfalls der Druck als Funktion der druckabhängigen Gasreibung ermittelt wird. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung dieses Meßverfahrens.
Das Druckmeßverfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die am Rotor einer Turbomolekular-Vakuumpumpe auftretende Gasreibung als Maß für den im Rezipienten herrschenden Druck benutzt wird. Ein wesentlicher Vorteil dieser erfindungsgemäßen Idee besteht darin, daß nahezu im gesamten Einsatzbereich von Turbomolekularpumpen sehr genaue Druckmessungen möglich sind, unabhängig davon, ob die Turbomolekularpumpe allein wegen der Druckmessung an den Rezipienten angeschlossen ist oder ob sie zusätzlich auch der Evakuierung des Rezipienten dient. Im letzteren Falle kann mindestens auf ein, häufig sogar auf zwei kostspielige Vakuummeßgeräte verzichtet werden.
Die am Rotor auftretenden, sein Drehzahlverhalten bestimmenden Kräfte setzen sich im wesentlichen aus Gasreibungskräften und Lagerreibungskräften zusammen. Da nur die Gasreibungskräfte und nicht die Lagerreibungskräfte Aussagen über den Druckzustand zulassen, ist es im Rahmen der Erfindung besonders zweckmäßig, für die Druckmessung mit Hilfe einer Turbomolekular-Vakuumpumpe eine magnetgelagerte Pumpe dieser Gattung zu verwenden. Bei einer derartigen Pumpe sind Lagerreibungskräfte vernachlässigbar gering, so daß sie das Meßergebnis nicht störend beeinflussen können.
Bei einer üblichen, mechanisch oder magnetisch gelagerten Turbomolekular-Vakuumpumpe mit Versorgungsgerät können in relativ einfacher Weise Signale aus den ohnehin vorhandenen Betriebsdaten gewonnen werden, die Aussagen über den Druckzustand im Bereich des Rotors zulassen. Auch die zeitliche Xnderung einiger Betriebsdaten läßt solche Schlüsse zu.
So können z. B. in einem bestimmten Zeitraum auftretende, von der Gasreibung abhängige Änderungen der Drehzahl des Rotors als Maß für den im Rezipienten vorhandenen Druck herangezogen werden, z. B. die Hochlaufzeit des Rotors bis zu einer Solldrehzahl, die Zeit zwischen zwei Solldrehzahlen bei einem Drehzahlabfall oder -anstieg oder auch die zeitliche Änderung der Drehzahl (dn/dt) des Rotors, vorzugsweise bei konstanter Leistungsaufnahme. Auch der Leistungsbedarf des Antriebsmotors der Turbomolekularpumpe zur Aufrechterhaltung einer Soll-Drehzahl oder der "Schlupf" zwischen dem elektrischen Drehfeld des Motors und der Ankerdrehzahl sind ein direktes Maß für die am Rotor auftretenden Reibungskräfte.
Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht deshalb zweckmäßig aus einer vorzugsweise magnetisch gelagerten Turbomolekularpumpe, einem Versorgungsgerät dafür sowie elektronischen Mitteln zur Messung von Zeit-, Drehzahl-, Leistungs- oder Phasenwinkelwerten und zu deren Verarbeitung zu einer Druckanzeige mit Hilfe eines Anzeigegerätes.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Block schaltbildern erläutert werden.
In allen Figuren ist die Turbomolekular-Vakuumpumpe mit 1 bezeichnet. Diese Turbomolekular-Vakuumpumpe ist an einen nicht dargestellten Rezipienten angeschlossen. Die Pumpe 1 dient entweder nur der Druckmessung im Rezipienten oder sowohl der Druckmessung als auch der Evakuierung des Rezipienten. Der Turbomolekularpumpe 1 ist ein allgemein mit 2 bezeichnetes Versorgungsgerät zugeordnet. Dieses dient im wesentlichen der Versorgung des Antriebsmotors der Turbomolekularpumpe 1 mit elektrischer Energie, und zwar unter Umwandlung der Netzfrequenz in die von der Turbomolekularpumpe benötigte Frequenz. Mit 3 ist jeweils ein Anzeigegerät bezeichnet, das der mit Hilfe elektronischer Mittel aus den Betriebsdaten gewonnenen Druckanzeige dient.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist eine elektronische Baugruppe 4 vorgesehen, deren Ausgangssignale das Druckanzeigegerät 3 ansteuern. Zur Bildung eines dem Druck im Rezipienten entsprechenden Anzeigesignals werden der Baugruppe 4 vom Versorgungsgerät 2 der Ist-Drehzahl der Turbomolekularpumpe 1 entsprechende Signale zugeführt.
Weiterhin sind der Einheit 4 ein Solldrehzahlgeber 5 und ein Zeitgeber 6 zugeordnet. Mit Hilfe einer solchen Einrichtung können in der Einheit 4 Signale erzeugt werden, die der Hochlaufzeit des Rotors bis zu einer Soll-Drehzahl oder der Zeit eines Drehzahlanstiegs oder -abfalls zwischen zwei Soll-Drehzahlen entsprechen. Da diese Zeiten abhängig von der Gasreibung des Rotors sind, kann -nach entsprechender Eichung - mit dem Anzeigegerät der im Rezipienten vorhandene Druck angezeigt werden.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist dem Versorgungsgerät 2 eine Differenzierstufe zugeordnet, die mit einem der zeitlichen Änderung der Drehzahl des Rotors (dn/dt) der Turbomolekular-VAkuumpumpe entsprechenden Signal das Anzeigegerät 3 ansteuert.
Bei den Ausführungsbeispielen nach Figur 1 und Figur 2 spielt jeweils auch die Leistungsaufnahme des Motors der Turbomolekularpumpe eine Rolle. Sie ist deshalb bei der Bildung des Signals für das Druckanzeigegerät zu berücksichtigen. Zweckmäßigerweise erfolgen die Messungen bei einer bestimmten Leistungsaufnahme. Im übrigen können die Ausführungsbeispiele nach Figur 1 und Figur 2 nur dann der Druckmessung im Rezipienten dienen, wenn der Rotor der Turbomolekularpumpe seine Drehzahl ändert.
Mit dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 kann ein dem Druck im Rezipienten entsprechendes Signal gewonnen werden, wenn die Rotordrehzahl konstant bleibt. Dazu ist dem Versorgungsgerät 2 ein Leistungsmesser 8 zugeordnet. Dieser mißt die Leistungsaufnahme bei konstanter Drehzahl und wandelt das Ergebnis in ein Signal,um mit dem die Druckanzeige 3 ansteuerbar ist. Da bei höheren Drücken die Gasreibung am Rotor größer ist, ist - bei einer bestimmten Drehzahl -auch die notwendige Leistungsaufnahme größer, so daß sich wieder ein druckabhängiges Signal ergibt.
Je nach Größe kann der Vorvakuumdruck Einfluß auf das so gewonnene Meßergebnis haben und muß entsprechend berücksichtigt werden. Das Meßergebnis gemäß Erfindung erlaubt eine Beurteilung des Druck zustandes im gesamten Bereich der Turbomolekular-Vakuumpumpe.
Der Block 8 kann auch eine Einrichtung zur Messung des Phasenwinkels zwischen Drehfeld und Anker sein. Aus einer solchen Messung läßt sich ebenfalls ein vom Druck im Rezipienten 1 abhängiges Signal bilden, mit dem die Druckanzeige 3 ansteuerbar ist.

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Messung niedriger Drücke Ansprüche 1.)Verfahren zur Messung niedriger Drücke in einem Rezipienten, bei dem der Druck als Funktion der druckabhängigen Gasreibung ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die am Rotor einer Turbomolekular-Vakuumpumpe (1) auftretende Gasreibung als Maß für den im Rezipienten herrschenden Druck benutzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Turbomolekular-Vakuumpumpe (1) mit einem magnetgelagerten Rotor verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem bestimmten Zeitraum auftretende, von der Gasreibung abhängige Änderungen der Drehzahl des Rotors als Maß für den im Rezipienten vorhandenen Druck herangezogen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit für den Hochlauf des Rotors bis zu einer Solldrehzahl als Maß für den Druck verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Drehzahlanstieg oder bei einem Drehzahlabfall (z. B. nach dem Abschalten des Antriebsmotors der Pumpe) die Zeit zwischen zwei Solldrehzahlen gemessen und als Maß für den Druck herangezogen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Änderung der Drehzahl (dn/dt) des Rotors -vorzugsweise bei konstanter Leistungsaufnahme - als Maß für den vorhandenen Druck dient.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsbedarf des Antriebsmotors für den Rotor zur Aufrechterhaltung einer Solldrehzahl als Maß für den Druck im Rezipienten herangezogen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Antriebsmotor mit Spule und Anker für den Rotor der Turbomolekularpumpe (1) die zwischen dem Drehfeld des Motors und der Ankerdrehzahl vorhandene Phasenverschiebung (bzw. der "Schlupf") gemessen und als Maß für den Druck im Rezipienten verwendet wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung eines der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Turbomolekuldr-Vakuumpumpe (1), ein Versorgungsgerät (2) dafür und elektronische Mittel (4 bis 6 bzw. 7 bzw. 8) zur Messung von Zeit-, Drehzahl-, Leistungs- bzw.

Phasenwinkelwerten und zu deren Verarbeitung zu einer Druckanzeige mit Hilfe eines Anzeigegerätes (3).
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor der Turbomolekularpumpe (1) magnetisch gelagert ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Baugruppe vorgesehen ist, der Ist-Drehzahlwerte, Soll-Drehzahlwerte und Zeitwerte zuführbar sind und die Ausgangssignale zur Ansteuerung des Anzeigegerätes (3) liefert.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Versorgungsgerät (2) eine Einrichtung (8) zur Messung der Leistung oder des Phasenwinkels zugeordnet ist, mit deren Ausgangssignalen das Anzeigegerät (3) ansteuerbar ist.