Prinzipien der Vakuum-Messung
Nachdem ich nun ein Vakuum erzeugen konnte, galt es, dieses auch zu bemessen, um die Funktion der Pumpe sicherzustellen und im späteren Betrieb auch zu wissen, wann es für eine Anwendung ausreichend ist. Im Folgenden möchte ich einen sehr groben Überblick über gängige Messmethoden geben.
Pirani-Vakuummeter
Eine einfache Messmethode läuft hierbei über die Wärmeleitung ab. Mit sinkendem Druck fällt auch die Wärmeleitfähigkeit des Mediums. Von einem heißen Objekt wird daher weniger Wärme abgeführt. Dieses Prinzip wird im Pirani-Vakuummeter angewendet: dort wird ein Glühdraht auf konstanter Temperatur gehalten und gemessen, welcher Strom hierfür notwendig ist. Je geringer die Wärmeleitung (und damit je niedriger der Druck), desto weniger Strom. Pirani-Sensoren funktionieren jedoch nur bis in den Feinvakuum-Bereich, darunter ist die Wärmeleitung über das Restgas zu gering, um sie noch bemessen zu können.
Ionisations-Vakuummeter
Eine weitere Messmethode beruht darauf, durch beschleunigte Elektronen (diese werden aus einer Heizwendel emittiert und dann von einer Spannung beschleunigt) die restlichen Gasmoleküle zu ionisieren und diese dann mit einer geladenen Elektrode zu sammeln, wo sie als Strom festgestellt werden können. Dieses Messprinzip wird Glühkathoden-Ionisations-Vakuummeter genannt und ist prinzipiell bis ins Ultra-Hochvakuum anwendbar. Allerdings ist für den Effekt ein Mindest-Vakuum notwendig, das im Feinvakuum-Bereich liegt.
Die Messsonden TR211 und TTR211 S
Ich habe bei einer Auktion zum Spottpreis drei Pirani-Sensoren von Leybold ersteigert. Im Set enthalten waren zwei TR211 und eine TTR211 S. Dabei verwenden beide Sensortypen die gleiche Röhre, allerdings enthält die TR211 lediglich ein paar Passiv-Komponenten zum Abgleich der Röhre, während die TTR211 S eine komplette Auswerteelektronik beinhaltet, die ein direkt verwendbares Spannungssignal erzeugt. Die Röhre ist für einen Messbereich von 1000 bis 1x10-4 mbar geeignet, den der TTR211 S auch abdeckt. Ich habe die Sensoren mal zerlegt und auf die Sensor-Teardown-Seite gestellt.
Die Messsonde IMR265
Der IMR265 von Pfeiffer Vacuum ist ein Kombinationsgerät aus Pirani- und Ionisations-Prinzip. Beide sind in einer Messröhre umgesetzt und das Gerät schaltet selbstständig von einer zur anderen Methode um. Dabei kalibriert es auch automatisch die beiden Sensoren gegeneinander. Der Pirani-Teil deckt den Bereich von 1000 bis 1x10-2 mbar ab; die Heisskathode misst zwischen 1 und 2x10-6 mbar. Der Sensor ist daher ideal für den angestrebten Messbereich geeignet. Die Elektronik wandelt die Messergebnisse in ein 0-10 V Signal um, das dann in einen logarithmischen Druckwert umgerechnet werden kann. Mit bestimmten Spannungswerten kann der Sensor auch Fehler in einer der Messprinzipien signalisieren.
Ich habe diesen Sensor vergleichsweise günstig (Neupreis ist >1000€!) auf ebay gebraucht aus einem Anlagenrückbau erworben. Für Interessierte gibt es hier einen kleinen Teardown der Sensorelektronik. Einziges Problem war nun eine passende Auswerteelektronik. Ein Blick auf ebay offenbart: hier kann man viel Geld los werden.
Vakuumsensoren-Auswertebox
An die Auswerte-Elektronik habe ich folgende Forderungen gestellt:
- Die Sensoren sollen über ihren Ausgangs-Spannungsbereich mit mindestens 14 Bit ausgelesen werden. Die Samplingrate soll mindestens 1 kSps betragen.
- Die Messergebnisse sollen sowohl auf einem Display einfach lesbar dargestellt werden, als auch über eine USB-Verbindung zu einem Steuerungsrechner übertragen werden können.
- Die Auswerte-Elektronik soll erweiterbar gestaltet sein, um mehrere Sensoren auswerten zu können.
- Die von den Sensoren benötigten 24V müssen rauscharm und vor allem abgesichert zur Verfügung gestellt werden, damit diese auf keinen Fall Schaden nehmen können.
- Die Messelektronik soll mit 230 V versorgt werden.
Für die Umsetzung habe ich entschieden:
- Da ich vermutlich nur ein Exemplar der Auswertebox erzeuge, entwickle ich keine eigene Platine hierfür.
- Als Hauptplatine kommt Ramian 2.0 aus dem Radar-Projekt zum Einsatz. Diese bietet:
- Mit dem ATSAM4S16B einen völlig unnötig leistungsfähigen 120 MHz CortexM4-Controller.
- Eine galvanisch getrennte USB-Verbindung.
- Einen 16 Bit ADC mit bis zu 500 kSps und 8 Kanälen.
- Weder den Trident-Bereich noch den DAC werde ich bestücken, da beide unnötig teuer und nicht notwendig sind.
- Als Haupt-Netzteil kaufe ich ein fertiges 24V/3A-Netzteil. Hiervon werden die benötigten 5 V für den Mikrocontroller mit einem DCDC-Baustein abgeführt.
- Für die 24V-Schiene entwickle ich eine Filter-Platine, um die Sensoren zu schützen und rauscharm zu versorgen.
- Für die Anzeige habe ich mich für die simpelste Lösung entschieden:
- Als Display verwende ich ein 2,8" TFT Touch-Display von Elegoo (Elegoo UNO R3 2,8"). Dieses kostet nur 20€ und hat schon fertige Bibliotheken zur Darstellung von Schrift und zum Auslesen der Touch-Position.
- Gesteuert wird das Display nicht vom ATSam, sondern von einem Ardunio Mega 2560 R3 (12€). Diese Lösung ist mit Abstand die Simpelste und zudem relativ preisgünstig. Dennoch verbleibt der fade Beigeschmack, Arduino eingesetzt zu haben.
- Das Arduino kommuniziert über UART mit dem ATSam. Dabei ist ein Pegelwandler von 5V auf 3,3 V nötig, den ich fertig zugekauft habe.
- Ein gedrucktes, passendes Gehäuse.
Supply-Kondom
Am Netzteil habe ich gespart. Zugegeben, das ist vermutlich ein Fehler. Aber ich habe beschlossen, dem auf anderem Wege Abhilfe zu schaffen: mit dem Supply-Kondom. Eine kleine Platine, die Bauteile vor minderwertiger Versorgung schützt. Der Gedanke hinter der Entwicklung war auch, dass man das Board je nach Bedarf anders bestücken und so verschiedenste Versorgungsspannungen abdecken kann.
Features des Supply-Kondoms:
- Verpolungsschutz mit p-channel Mosfet RSJ250P10
- Strombegrenzung mit Feinsicherungen
- Überspannungsschutz mit Varistor, der dann die Feinsicherungen auslöst
- Leichter Pi-Filter zur Reduktion von Rauschen: 2x 44µF, 20µH
Die simple, kleine Platine war schnell bestückt und funktioniert tadellos.
Montage der Auswertebox
Das Gehäuse war schnell in SketchUp designt und gedruckt, auch wenn mein Drucker Probleme mit den großen Flächen hatte und ich an den Ecken das verhasste Warping hinnehmen musste.
Für die Erzeugung der 5 V habe ich einem DCDC-Block von Traco ein paar Tantalkondensatoren beschert und auf Lochraster gelötet. Der IMR265 hat einen Pin zur Erkennung, ob er überhaupt angeschlossen ist (einfach ein Widerstand gegen Masse, dessen Präsenz man messen kann). Hierfür habe ich auf Lochraster noch eine kleine Platine gemacht, um diesen Pin in einen Messteiler zu integrieren und ihn mit Ramian2 auszuwerten. Nachdem ich alles verkabelt hatte und in die passenden Fächer des Gehäuses gebracht habe, sieht die fertige Box, aktuell nur für den IMR265 ausgelegt, so aus:
Ziemlich hässlich und notdürftig habe ich den Deckel noch mit dem Etikettiergerät beschriftet. So kann man das Ding zwar fast nicht vorzeigen, aber für meine Zwecke reicht es.
Die Entwicklung der Firmware für Arduino und Ramian war dank bestehender Librarys in kürzester Zeit gemacht. Das Design der Oberfläche ist relativ spartanisch, reicht aber für den Testbetrieb. Die finale Auswertung und Steuerung soll eh über einen PC geschehen. Das Display zeigt den Druck in wissenschaftlicher Schreibweise an und meldet den Status des IMR265 (Pirani aktiv, Heißkathode aktiv, Fehler einer der Sensoren etc.). Mit einem Touch-Button kann man zwischen verschiedenen Einheiten wechseln.
Nach einigen Tests kann ich sagen: alle 4 Messröhren sind einsatzfähig und messen zuverlässig und reproduzierbar den Druck in ihrem Messbereich. Aktuell benötige ich nur die IMR265, werde die Auswertebox aber bei nächster Gelegenheit für den TTR211 S erweitern.