ISO 21360-1:2012
(Main)Vacuum technology — Standard methods for measuring vacuum-pump performance — Part 1: General description
Vacuum technology — Standard methods for measuring vacuum-pump performance — Part 1: General description
Technique du vide — Méthodes normalisées pour mesurer les performances des pompes à vide — Partie 1: Description générale
L'ISO 21360-1:2012 spécifie trois méthodes pour le mesurage de débit volumique ainsi qu'une méthode pour le mesurage de la pression de base, une méthode pour le mesurage du coefficient de compression et une méthode pour le mesurage de la pression critique de refoulement de la pompe à vide. La première méthode pour le mesurage du débit volumique (la méthode du flux) est un concept de base dans lequel un flux stable de gaz est injecté dans la pompe tout en mesurant la pression d'entrée. En pratique, le mesurage du flux de gaz peut être compliqué ou inexact. Pour cette raison, deux autres méthodes sont spécifiées pour éviter le mesurage direct du flux. La seconde méthode pour le mesurage du débit volumique (la méthode du diaphragme) est utilisée pour les très petits flux à de très faibles pressions d'entrée (sous vide élevé ou très élevé). Elle est basée sur le mesurage du taux de compression dans un dôme d'essai à deux chambres séparées par une paroi comportant un diaphragme circulaire. La troisième méthode pour le mesurage du débit volumique (la méthode d'aspiration) est adaptée pour les mesurages automatisés. Elle est basée sur l'évacuation d'un grand récipient. Le débit volumique est calculé à partir de deux pressions, avant et après une période de pompage, et à partir du volume du dôme d'essai. Différents effets comme les taux de fuite et de désorption, le refroidissement du gaz par une expansion presque isentropique pendant la période de pompage et l'augmentation de la résistance du débit dans la conduite de branchement entre le dôme d'essai et la pompe, engendrée par un débit moléculaire à basses pressions, ont une influence sur les résultats de la mesure de pression et du débit volumique résultant. Le choix des méthodes de mesure nécessaires dépend des propriétés des types spécifiques de pompe à vide, par exemple le mesurage de la pression critique de refoulement n'est nécessaire que pour les pompes à vide qui ont besoin d'une pompe de refoulement. Toutes les données mesurées sur une pompe à vide mais non spécifiées dans l'ISO 21360-1:2012 (par exemple le mesurage de la consommation d'énergie), sont définies dans la norme spécifique relative à la pompe.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 21360-1
First edition
2012-04-15
Vacuum technology — Standard
methods for measuring vacuum-pump
performance —
Part 1:
General description
Technique du vide — Méthodes normalisées pour mesurer les
performances des pompes à vide —
Partie 1: Description générale
Reference number
ISO 21360-1:2012(E)
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ISO 21360-1:2012(E)
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ISO 21360-1:2012(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols and abbreviated terms . 3
5 Test methods . 4
5.1 Volume flow rate (pumping speed) measurement by the throughput method . 4
5.2 Volume flow rate (pumping speed) measurement by the orifice method . 8
5.3 Volume flow rate (pumping speed) measurement by the pump-down method .13
5.4 Measurement of the base pressure .17
5.5 Measurement of the compression ratio and the critical backing pressure .18
Annex A (informative) Mean free path of some important gases.22
Annex B (informative) Measuring uncertainties .23
Bibliography .26
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ISO 21360-1:2012(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International
Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 21360-1 was prepared by Technical Committee ISO/TC 112, Vacuum technology.
This first edition of ISO 21360-1 cancels and replaces ISO 21360:2007, of which it constitutes a minor revision.
ISO 21360 consists of the following parts, under the general title Vacuum technology — Standard methods for
measuring vacuum-pump performance:
— Part 1: General description
— Part 2: Positive displacement vacuum pumps
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ISO 21360-1:2012(E)
Introduction
This part of ISO 21360 is a basic standard for measuring the performance data of vacuum pumps. The methods
specified here are well known from existing national and International Standards. In developing this part of
ISO 21360, the aim has been to provide a single document containing the measurements of performance data
of vacuum pumps and to simplify the future development of specific vacuum pump standards.
Specific vacuum pump standards will contain a suitable selection of measurement methods from this part of
ISO 21360 in order to determine the performance data, limiting values and specific operational conditions on
the basis of the specific properties of the particular kind of pump. Whenever a discrepancy exists between this
part of ISO 21360 and the specific standard, it is the specific standard which is valid.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 21360-1:2012(E)
Vacuum technology — Standard methods for measuring
vacuum-pump performance —
Part 1:
General description
1 Scope
This part of ISO 21360 specifies three methods for measuring the volume flow rate and one method each for
measuring the base pressure, the compression ratio, and the critical backing pressure of a vacuum pump.
The first method for measuring the volume flow rate (the throughput method) is the basic concept, in which a
steady gas flow is injected into the pump while the inlet pressure is measured. In practice, the measurement of
gas throughput may be complicated or inexact. For this reason, two other methods are specified which avoid
the direct measurement of throughput.
The second method for measuring the volume flow rate (the orifice method) is used when there is very small
throughput at very small inlet pressures (under a high or ultra-high vacuum). It is based on measuring the ratio of
pressures in a two-chamber test dome in which the two chambers are separated by a wall with a circular orifice.
The third method for measuring the volume flow rate (the pump-down method) is well suited for automated
measurement. It is based on the evacuation of a large vessel. The volume flow rate is calculated from two
pressures, before and after a pumping interval, and from the volume of the test dome. Different effects, such
as leak and desorption rates, gas cooling by nearly isentropic expansion during the pumping interval, and
increasing flow resistance in the connection line between test dome and pump caused by molecular flow at low
pressures, influence the results of the pressure measurement and the resulting volume flow rate.
The choice of the required measurement methods depends on the properties of the specific kinds of vacuum
pump, e.g. the measurement of the critical backing pressure is only necessary for vacuum pumps which need
a backing pump. All data that are measured on a vacuum pump, but not specified in this part of ISO 21360 (e.g.
measurement of power consumption), are defined in the specific pump standard.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced document
(including any amendments) applies.
ISO 3529-2, Vacuum technology — Vocabulary — Part 2: Vacuum pumps and related terms
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 3529-2 and the following apply.
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ISO 21360-1:2012(E)
3.1
volume flow rate
q
V
dV
q =
V
dt
where
V is volume;
t is time
[4]
[ISO 80000-4:2006 , 4-30]
EXAMPLE In the context of this part of ISO 21360, the volume flow rate is the volume of gas which, under ideal
conditions, flows from the test dome through the pump inlet per time.
NOTE 1 For practical reasons, the volume flow rate of a given pump and for a given gas is conventionally considered to
be equal to the quotient of the throughput of this gas and of the equilibrium pressure at a given location. The volume flow
rate is expressed in cubic metres per hour or litres per second.
NOTE 2 The term “pumping speed” and symbol “S” are often used instead of “volume flow rate”.
3.2
inlet pressure
p , p , p
1 d e
pressure at the inlet of the pump, measured at a defined location in the test dome
3.3
base pressure
p
b
pressure obtained in the test dome after conditioning the vacuum pump and the test dome
See 5.4.
NOTE The base pressure is the value which the pressure in the test dome approaches asymptotically. It is the lowest
pressure obtainable with the pump, but there is no practical method of measurement or specification.
3.4
maximum working pressure
p
1max
highest pressure on the inlet side that the vacuum pump and the driving device can withstand for a prolonged
period of operation time without being damaged
3.5
backing pressure
p
3
pressure at the outlet of a vacuum pump
3.6
critical backing pressure
p
c
maximum backing pressure for which the conditions are defined in the instruction manual or in a specific
standard for the particular vacuum pump
3.7
compression ratio
K
0
ratio of the backing pressure, p , to the inlet pressure, p , of the vacuum pump without throughput, expressed
3 1
by the equation:
p
3
K =
0
p
1
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3.8
test dome
special vacuum vessel with precisely defined size, diameter and connection flanges on specified locations,
used for standard performance data measurements on vacuum pumps
3.9
throughput
Q
amount of gas flowing through a duct, expressed by the equation:
pV
1
Q == pq
1 V
t
where
p is the (high) vacuum pressure on the inlet;
1
q is the volume flow rate of the test pump;
V
t is time;
V is the volume of the test dome
3.10
standard gas flow rate
q
Vstd
volume flow rate at standard reference conditions, i.e. 0 °C and 101 325 Pa
[1]
NOTE Standard reference conditions are defined in ISO 3529-1:1981 , 1.0.2.
4 Symbols and abbreviated terms
Symbol Designation Unit
a inner diameter of the connection pipe between test pump and m
quick-acting valve (items 3 and 5 in Figure 6)
2
A cross-section of the connection pipe between test pump and m
quick-acting valve (items 3 and 5 in Figure 6)
3 3
C conductance m /s (= 10 l/s)
d diameter of orifice m
D inner diameter of test dome m
D nominal diameter of test dome m
N
K compression ratio of vacuum pump with zero throughput —
0
l length of the connection pipe between test pump and m
quick-acting valve (items 3 and 5 in Figure 6)
mean free path m
l
M molar mass of gas kg/mol
p standard atmospheric pressure — 101 325 Pa (defined in Pa
0
[1]
ISO 3529-1:1981 , 1.0.2)
p (high) vacuum pressure on inlet Pa (or mbar)
1
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p maximum working pressure on inlet Pa (or mbar)
1max
p vacuum pressure in backing line Pa (or mbar)
3
pressures in the test dome for the pump-down method, Pa (or mbar)
p p p
t t t
1 2 3
, ,
measured before and after time intervals Δt , Δt , Δt
1 2 3
p , p , p base pressures Pa (or mbar)
b1 b2 b3
p critical backing pressure Pa (or mbar)
c
p , p pressures in the test dome for the orifice method Pa (or mbar)
d e
Q gas throughput of vacuum pump Pa•l/s (or mbar•l/s)
Q test gas load Pa•l/s (or mbar•l/s)
r
3
q volume flow rate of test pump l/s (or m /h)
V
3
q volume flow rate of backing pump l/s (or m /h)
VBP
3
q volume flow rate at standard reference conditions for gases, sccm (or cm /min)
Vsccm
i.e. 0 °C and 101 325 Pa
3
q volume flow rate at standard reference conditions for gases, l/s (or m /h)
Vstd
i.e. 0 °C and 101 325 Pa
Q maximum gas throughput of vacuum pump which the pump can Pa⋅l/s (or mbar•l/s)
max
withstand without damage
R ideal gas constant 8,314 J/(mol•K)
T thermodynamic temperature K
[1]
T 273,15 K (defined as 0 °C in ISO 3529-1:1981 , 1.0.2) K
0
T temperature of the test dome K
D
T temperature of the flow meter K
f
u measurement uncertainty —
3
V volume of the test dome l, m
3
V volume of connection pipe between test pump and quick-acting l, m
i
valve (items 3 and 5 in Figure 6)
d
thickness of the orifice wall at the orifice diameter m
5 Test methods
5.1 Volume flow rate (pumping speed) measurement by the throughput method
5.1.1 General
The throughput method is the one most used for vacuum pumps and is applicable to all pressure ranges and
pump sizes where flow meters for gas throughput measurements are available with sufficient accuracy. The
gas flow measuring ranges shall be chosen by multiplying the expected volume flow rate by the maximum and
minimum working pressure of the test pump.
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All measuring devices shall be calibrated either:
a) in a traceable way to a vacuum primary or to a national standard, or
b) by means of instruments of absolute measure which are traceable to the SI units and to which measurement
uncertainties can be attributed.
In the case of calibrated measuring instruments, there should exist a calibration certificate in accordance with
[3]
ISO/IEC 17025 .
5.1.2 Test dome for the throughput method
For these measurements, use a test dome as shown in Figure 1 with the same nominal diameter, D , as that
N
of the pump inlet. The face of the dome opposite the inlet flange may be flat, conical or slightly curved, with the
same average height above the flange as the flat face. Three flanges are preferable for pressure measurement
at a height of D/2 above the bottom flange if more than one pressure gauge is used. The diameter of these
flanges should be greater than or equal to the flanges of the gauges used, and their mounting dimensions shall
be noted. No measuring port shall be located in the angle range ±45° next to a gas inlet port. The connection
pipes between flange and dome shall not protrude beyond the dome wall on the inside, with the exception of
the gas inlet pipe.
If necessary for the test pump, the test dome shall be fitted with a device for bake-out that ensures uniform
heating of the dome to achieve the base pressure.
The volume of the test dome may depend on the pump type. Refer to the specific pump standard for details.
For pumps with an inlet flange diameter of less than D = 100 mm, the diameter of the dome shall correspond
N
to D = 100 mm. The transition to the pump inlet flange shall be made through a 45° conical adaptor, as
N
shown in Figure 1.
Key
1 gas inlet pipe and temperature measuring point for T
D
2 vacuum gauge and mass spectrometer connections
D inner diameter of test dome, in metres
Figure 1 — Test dome for the throughput method
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5.1.3 Experimental setup
See Figure 2.
The test dome shall be clean and dry. The cleanness of the pump, seals and other components shall be
appropriate for the expected base pressure. All components are mounted together under clean conditions in
accordance with Figure 2. Because of the narrow measuring range, flow meters with different ranges may be
switched in series. If flow is restricted by a small flow meter, they may be used in parallel with a manifold, adding
a valve between every flow meter and the manifold. Instead of the flow meter and the gas inlet valve, mass flow
controllers with programmable throughputs may be used. They shall be combined in parallel on a manifold.
The leak-tightness of large mass flow controllers is not sufficient in many cases. In such cases, it is advisable
that valves be used between the flow controller and the manifold.
Ionization gauges and mass spectrometers shall be installed in such a way that there is no direct geometrical
path between them.
CAUTION — Observe the safety instructions of the vacuum pump manufacturer.
Key
1 test dome 4 gas inlet valve 7 heating jacket (optional)
2 backing pump 5 flow meters to measure Q 8 vacuum gauge to measure p
3
3 test pump 6 vacuum gauge to measure p 9 temperature measuring point for T
1 D
NOTE Items 2 and 8 are only used in connection with high-vacuum test pumps.
Figure 2 — Arrangement for measuring volume flow rate (pumping speed) with throughput method
5.1.4 Determination of the volume flow rate
The method adopted for the measurement of the volume flow rate, q , is the throughput method for which the
V
gas throughput, Q, is measured outside the dome. If the pressure, p , in the test dome, measured by a vacuum
1
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gauge at the specified height above the bottom flange (see Figure 1), is held constant, the volume flow rate,
q , is obtained by the relationship
V
Q
q = (1)
V
pp−
1b
where p is the base pressure in the test dome (see 5.4).
b
An analogue equation is valid for the volume flow rate of the backing pump, q .
VBP
Q
q = (2)
VBP
pp−
33b
The gas throughput can be measured volumetrically (gas burettes, gas counters) by means of viscous
flow effects (rotameter, capillaries) or, in most cases, by means of thermoelectric mass flow meters (see
Reference [6], pp. 109–113).
Because of the dependence of the temperature on the gas volume, for all volumetric measurements, corrections
by a factor of T /T are necessary if the temperature, T , of the flow meter and T of the test dome are different.
D f f D
NOTE Thermoelectric mass flow meters do not measure the throughput, but the volume flow rate, q , at standard
Vstd
[1]
reference conditions for gases (i.e. p = 101 325 Pa and T = 273,15 K, see ISO 3529-1:1981 , 1.0.2). To obtain the
0 0
throughput, q is multiplied by the factor T p /T . Consequently, q is given by:
Vstd D 0 0 V
qp T
Vstd0 D
q = (3)
V
Tp()− p
01 b
The unit “sccm” (standard cubic centimetre per minute) is frequently used for q . If so, one obtains q , in litres per
Vstd V
−3
second, by inserting [q = (q /sccm) × 10 l/60 s], [p = 101 325 Pa] and [T = 273,15 K] in Equation (3), as follows:
Vstd Vsccm 0 0
31−−3
qT/mcm in ××10 lP101325 a×
()Vsccm D
q = l//s (4)
V
60 sK××273,(15 pp− )
1b
5.1.5 Measuring procedure
The arrangement of the measuring equipment with the test dome from Figure 1 is given in Figure 2. At the
start, when the gas inlet valve is closed, the base pressure shall prevail in the test dome (see 5.4). Then gas
is admitted to the test dome through the adjustable valve. Measurements are made with increasing pressure
from a threshold value, allowing the correct use of the flow meter. During this period of time, the ambient
temperature shall be constant within ±2 °C.
When the required pressure, p , is obtained, within a variation of 3 %/min, measure the pressures, p and
1 1
p , the ambient temperature and the test dome temperature, T , as well as the admitted throughput, Q. If the
3 D
throughput remains steady to within ±3 %, the measurement at this point may be regarded as valid. If the
throughput is unsteady due to a transient condition, wait until it stabilizes. If the throughput measurement lasts
for more than 60 s, the pressure, p , in the dome shall be noted at least every minute. In this case, the pressure
1
is the average of the measured values. If during a measurement, the pressure or the throughput varies by more
than ±3 %, the measurement shall be repeated until the readings are stable.
Measurements shall be made at a minimum of three points per pressure decade of p . If the throughput is
1
increased to the maximum allowed value, Q , the maximum inlet pressure is obtained whose values may be
max
limited by the manufacturer.
NOTE Volume flow rate measurements can be made with different gases. When the gas is changed, all pipes
connected to the gas inlet valve are purged with the new gas before the beginning of the new measurement.
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5.1.6 Measuring uncertainties
The gas flow should be measured with a standard uncertainty of ±2,5 % and the pressure with a standard
uncertainty of less than ±3 %. For the exact calculation, see Annex B. The total uncertainty of the volume flow
rate shall be <10 %.
5.1.7 Evaluation of the measurement
Plot on a semi-logarithmic graph (similar to Figure 5) the volume flow rate, q , of the test pump, calculated by
V
means of Equation (1), with respect to the inlet pressure, and plot on the same graph the volume flow rate, q ,
VBP
of the backing pump (if used), calculated from Q and p , with respect to p , so as to show the size of the
std 3 3
backing pump. The range of abscissa shall cover the whole range of pressures p and p . The base pressures
1 3
of the vacuum pump, p , and of the backing pump, p , shall be indicated.
b1 b3
The test report shall include as a minimum:
a) type, serial number, measuring uncertainty and operational conditions of all vacuum gauges and flow
meters used;
b) type and serial number of the test pump;
c) rotational frequency (“speed”) and/or other operating conditions of the test pump;
d) fluids and their vapour pressures at 20 °C used in the test pump;
e) D (nominal diameter of the test dome and flange type);
N
f) type and volume flow rate of the backing pump (if used);
g) type of seals used upstream from the inlet flange of the test pump;
h) type of baffles and traps employed during the test, as well as their temperatures;
i) cooling water temperatures and water flow rate;
j) ambient and test dome temperatures;
k) baking time and temperatures.
5.2 Volume flow rate (pumping speed) measurement by the orifice method
5.2.1 General
The orifice method is applicable to high-vacuum pumps. Molecular flow conditions shall be present in the test
dome. This method is recommended for low gas throughputs where no suitable gas flow meters are available.
The orifice diameter in the test dome shall be adapted to the expected volume flow rate of the test pump in
order to avoid excessively high pressures which would result in laminar flow conditions through the orifice.
5.2.2 Test dome for the orifice method
The test dome shall be cylindrical and of the shape shown in Figure 3. A wall with a (changeable) circular orifice
divides the dome into two chambers. A device for bake-out that ensures uniform heating of the dome is needed.
The diameter of the thin-wall orifice plate (d/d < 0,1) shall be chosen according to the expected flow rate and
shall be such that the ratio of the pressures p and p is between 3 and 30. Care shall be taken to ensure that
d e
in the orifice the mean free path, l , of the gas particles is not smaller than twice the orifice diameter, 2d.
For specific values of l , see Annex A.
For pumps with an inlet flange diameter greater than or equal to D = 100 mm, the nominal diameter, D , of the
N N
dome shall be equal to the actual diameter of the inlet flange.
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For pumps with an inlet flange diameter of less than D = 100 mm, the diameter of the dome shall correspond
N
to D = 100 mm. In this case, the transition to the pump inlet flange shall be made through a 45° taper fitting
N
in accordance with Figure 1.
Key
1 gas inlet
2 gas inlet and temperature measuring point for T
D
3 vacuum gauge and mass spectrometer connections
D inner diameter of test dome, in metres
d
thickness of the orifice wall at the orifice diameter, in metres
p , p pressures in the test dome for the orifice method, in pascals (or millibars)
d e
Figure 3 — Test dome for the orifice method
5.2.3 Experimental setup
See Figure 4.
The test dome shall be clean and dry. For all connections on the high-vacuum side, bakeable knife-edge
flanges are recommended.
CAUTION — Do not touch inner surfaces with your hands. Use gloves during mounting.
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ISO 21360-1:2012(E)
Key
1 test dome 6 vacuum gauge to measure p
3
2 backing pump 7 vacuum gauge to measure p
d
3 test pump 8 vacuum gauge to measure p
e
4 gas inlet valve 9 heating jacket
5 gas inlet valve 10 temperature measuring point for T
D
Figure 4 — Arrangement for measuring volume flow rate (pumping speed) with orifice method
5.2.4 Determination of the volume flow rate
A thin circular orifice plate divides the test dome into two volumes (see Figure 3). The volume flow rate is given by
pp−
dbd
qC= −1 (5)
V
pp−
ebe
where C is the calculated conductance, taking into account the orifice size and the gas properties.
The base pressures, p and p , in the upper and lower chamber of the test dome are measured after baking
bd be
(see 5.4) and before admission of the gas. The conductance of the orifice with diameter, d, and thickness, d,
can be calculated using Equation (6):
πRT
1
2
D
C = d (6)
32Md1+ δ /
()
The term 1/[1 + (d/d)] is a correction factor (only valid for d << d) that can be defined as the average transition
probability through the orifice.
Take care that the equation is used with consistent units. Inserting the values
R = 8,314 J/(mol⋅K)
−3
M = 28,97 × 10 kg/mol
air
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T = 293 K (20 °C)
D
gives, in cubic metres per second,
2
91d
C = (7)
air
1+ δ /d
()
or, in litres per second,
2
91000d
C = (8)
air
1+ δ /d
()
where d and d are measured in metres.
5.2.5 Measuring procedure for the orifice method
The arrangement of the measuring equipment is given in Figure 4. At the start, after baking with all inlet valves
closed, the base pressures, p and p , shall prevail in the test dome (see 5.4).
bd be
5.2.6 Adjustment of the pressure-measuring gauges
After reaching and recording the base pressures, p and p , in the test dome, the test gas is admitted to
bd be
valve (Figure 4, label 4) to check the sensitivity of the gauges (Figure 4, label 7) and (Figure 4, label 8).
Because the gas flows directly to the pump inlet, the actual pressures, p − p and p − p , are equal at a
d bd e be
constant gas flow through the valve.
CAUTION — Use only dry gases (99,9 % by mass) for the measurements in order to avoid adsorption
and desorption processes.
Take at least three measurements per decade of p with increasing pressures, beginning from a threshold
e
value of twice that of the base pressure, p .
be
Calculate the ratio (p − p )/(p − p ) for every couple of pressure values which should be equal to 1. If there are
d bd e be
deviations from 1, the sensitivity of one gauge shall be corrected by the mean deviation factor for each decade.
After this adjustment, the test dome is pumped down to almost the base pressure and the measurement of the
volume flow rate can start.
5.2.7 Measurement of the volume flow rate
The gas is admitted to the test dome through the adjustable valve (Figure 4, label 5). Take measurements with
increasing pressures, starting from a threshold value of twice that of the base pressure, p . When the required
be
pressure, p , is obtained and remains stable for the following minute to within ±3%, this point may be regarded
be
as valid. If pressure is unsteady due to a transient condition, wait until it stabilizes.
−3
Take measurements at a minimum of three points per pressure decade up to p = 1 × 10 Pa or to a pressure
e
at which the mean free path (see Reference [7], p. 43) of the gas molecules in the upper part of the test dome
becomes less than 2d, where d is the diameter of the orifice (see Annex A). The pressures p , p and p are
d e 3
recorded at each measurement.
Calculate the volume flow rate, q , with Equation (5).
V
NOTE Volume flow rate measurements can be made with different gases. When the gas is changed, all pipes
connected to the gas inlet valve are purged with the new gas before the beginning of the new measurement.
5.2.8 Measuring uncertainties
The pressure ratios should be measured with an uncertainty of ≤3 % and the orifice diameter with an uncertainty
of 0,5 %. If the pressure in the upper chamber rises to a value where the mean free path approaches double the
© ISO 2012 – All rights reserved 11
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ISO 21360-1:2012(E)
orifice diameter, the conductance grows by 3 % of the molecular flow value (see Reference [7], pp. 147–150).
For the exact calculation, see Annex B. The total uncertainty of the volume flow rate shall be <1
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 21360-1
Première édition
2012-04-15
Technique du vide — Méthodes
normalisées pour mesurer les
performances des pompes à vide —
Partie 1:
Description générale
Vacuum technology — Standard methods for measuring vacuum-pump
performance —
Part 1: General description
Numéro de référence
ISO 21360-1:2012(F)
©
ISO 2012
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quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l’accord écrit
de l’ISO à l’adresse ci-après ou du comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction . v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles et termes abrégés . 3
5 Méthodes d’essai . 5
5.1 Mesurage du débit volumique (vitesse de pompage) avec la méthode du flux . 5
5.2 Mesurage du débit volumique (vitesse de pompage) avec la méthode du diaphragme . 9
5.3 Mesurage du débit volumique (vitesse de pompage) avec la méthode d’aspiration .14
5.4 Mesurage de la pression de base .19
5.5 Mesurage du taux de compression et de la pression critique de refoulement .20
Annexe A (informative) Passage libre moyen de quelques gaz importants .24
Annexe B (informative) Incertitudes de mesure .25
Bibliographie .28
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ISO 21360-1:2012(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est en général confiée aux
comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du comité
technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales,
en liaison avec l’ISO participent également aux travaux. L’ISO collabore étroitement avec la Commission
électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI, Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d’élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur publication
comme Normes internationales requiert l’approbation de 75 % au moins des comités membres votants.
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de droits
de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne pas avoir
identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L’ISO 21360-1 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 112, Technique du vide.
Cette première édition de l’ISO 21360-1 annule et remplace l’ISO 21360:2007, dont elle constitue une
révision mineure.
L’ISO 21360 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Technique du vide — Méthodes
normalisées pour mesurer les performances des pompes à vide:
— Partie 1: Description générale
— Partie 2: Pompes à vide volumétriques
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ISO 21360-1:2012(F)
Introduction
La présente partie de l’ISO 21360 est une norme de base destinée à mesurer les données de performance
des pompes à vide. Les méthodes spécifiées ici sont bien connues d’après les Normes internationales et
nationales existantes. En développant la présente partie de l’ISO 21360, l’objectif a été de fournir un seul
document contenant les mesurages des données de performance des pompes à vide et de simplifier les
développements futurs de normes spécifiques relatives aux pompes à vide.
Les normes spécifiques relatives aux pompes à vide contiendront une sélection adaptée de méthodes de
mesure issues de la présente partie de l’ISO 21360 afin de déterminer les données de performance, les
valeurs limites et les conditions spécifiques de fonctionnement sur la base des propriétés spécifiques du type
particulier de pompe. Chaque fois qu’il existe un écart entre la présente partie de l’ISO 21360 et la norme
spécifique, c’est la norme spécifique qui est valide.
© ISO 2012 – Tous droits réservés v
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NORME INTERNATIONALE ISO 21360-1:2012(F)
Technique du vide — Méthodes normalisées pour mesurer les
performances des pompes à vide —
Partie 1:
Description générale
1 Domaine d’application
La présente partie de l’ISO 21360 spécifie trois méthodes pour le mesurage de débit volumique ainsi qu’une
méthode pour le mesurage de la pression de base, une méthode pour le mesurage du coefficient de compression
et une méthode pour le mesurage de la pression critique de refoulement de la pompe à vide.
La première méthode pour le mesurage du débit volumique (la méthode du flux) est un concept de base dans
lequel un flux stable de gaz est injecté dans la pompe tout en mesurant la pression d’entrée. En pratique,
le mesurage du flux de gaz peut être compliqué ou inexact. Pour cette raison, deux autres méthodes sont
spécifiées pour éviter le mesurage direct du flux.
La seconde méthode pour le mesurage du débit volumique (la méthode du diaphragme) est utilisée pour
les très petits flux à de très faibles pressions d’entrée (sous vide élevé ou très élevé). Elle est basée sur le
mesurage du taux de compression dans un dôme d’essai à deux chambres séparées par une paroi comportant
un diaphragme circulaire.
La troisième méthode pour le mesurage du débit volumique (la méthode d’aspiration) est adaptée pour les
mesurages automatisés. Elle est basée sur l’évacuation d’un grand récipient. Le débit volumique est calculé
à partir de deux pressions, avant et après une période de pompage, et à partir du volume du dôme d’essai.
Différents effets comme les taux de fuite et de désorption, le refroidissement du gaz par une expansion presque
isentropique pendant la période de pompage et l’augmentation de la résistance du débit dans la conduite de
branchement entre le dôme d’essai et la pompe, engendrée par un débit moléculaire à basses pressions, ont
une influence sur les résultats de la mesure de pression et du débit volumique résultant.
Le choix des méthodes de mesure nécessaires dépend des propriétés des types spécifiques de pompe à vide,
par exemple le mesurage de la pression critique de refoulement n’est nécessaire que pour les pompes à vide
qui ont besoin d’une pompe de refoulement. Toutes les données mesurées sur une pompe à vide mais non
spécifiées dans la présente partie de l’ISO 21360 (par exemple le mesurage de la consommation d’énergie),
sont définies dans la norme spécifique relative à la pompe.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l’application du présent document. Pour les
références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s’applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 3529-2, Technique du vide — Vocabulaire — Partie 2: Pompes à vide et termes associés
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 3529-2 ainsi que les
suivants s’appliquent.
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ISO 21360-1:2012(F)
3.1
débit volumique
q
V
dV
q =
V
dt
où
V est le volume;
t est le temps.
[4]
[ISO 80000-4:2006 , 4-30]
EXEMPLE Dans le contexte de la présente partie de l’ISO 21360, le débit volumique est le volume de gaz qui, dans
des conditions de gaz parfait, s’écoule depuis le dôme d’essai à travers l’entrée de la pompe par unité de temps.
NOTE 1 Pour des raisons pratiques, le débit volumique d’une pompe donnée pour un gaz donné est considéré comme
égal, par convention, au rapport du flux de ce gaz et de la pression d’équilibre à un endroit donné. Le débit volumique est
exprimé en mètres cubes par heure ou en litres par seconde.
NOTE 2 Le terme «vitesse de pompage» et le symbole «S» sont souvent utilisés au lieu de «débit volumique».
3.2
pression d’entrée
p , p , p
1 d e
pression à l’entrée de la pompe, mesurée à un endroit défini du dôme d’essai
3.3
pression de base
p
b
pression obtenue dans le dôme d’essai après mise à l’épreuve de la pompe à vide et du dôme d’essai
Voir 5.4.
NOTE La pression de base est la valeur vers laquelle la pression dans le dôme d’essai s’approche de façon
asymptotique. C’est la plus basse pression qu’il est possible d’obtenir avec la pompe, mais il n’existe aucune méthode
pratique de mesure ou de spécification.
3.4
pression de travail maximale
p
1max
pression la plus élevée au niveau de l’entrée que la pompe à vide et le dispositif d’entraînement peuvent
supporter pendant une durée prolongée de fonctionnement sans être endommagés
3.5
pression de refoulement
p
3
pression à la sortie d’une pompe à vide
3.6
pression critique de refoulement
p
c
pression maximale de refoulement pour laquelle les conditions sont définies dans le manuel d’instructions ou
dans une norme spécifique relative à la pompe à vide en question
2 © ISO 2012 – Tous droits réservés
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ISO 21360-1:2012(F)
3.7
taux de compression
K
0
rapport de la pression de refoulement, p , à la pression d’entrée, p , de la pompe à vide sans flux, exprimée
3 1
par l’équation:
p
3
K =
0
p
1
3.8
dôme d’essai
récipient à vide spécial, avec des dimensions, des diamètres et des brides de branchement définis précisément
sur des emplacements spécifiés, utilisé pour les mesurages de données de performances normalisées sur les
pompes à vide
3.9
flux
Q
quantité de gaz s’écoulant à travers un conduit, exprimée par l’équation:
pV
1
Q == pq
1 V
t
où
p est la pression de vide (élevé) à l’entrée;
1
q est le débit volumique de la pompe d’essai;
V
t est le temps;
V est le volume du dôme d’essai
3.10
débit de gaz normalisé
q
Vstd
débit volumique aux conditions de référence normalisées pour les gaz, c’est-à-dire 0 °C et 101 325 Pa
[1]
NOTE Les conditions de référence normalisées sont définies dans l’ISO 3529-1:1981 , 1.0.2.
4 Symboles et termes abrégés
Symbole Désignation Unité
a
diamètre intérieur de la conduite de branchement m
entre la pompe d’essai et la vanne à manœuvre rapide (Figure 6,
éléments 3 et 5)
2
A
section de la conduite de branchement entre la pompe d’essai m
et la vanne à manœuvre rapide (Figure 6, éléments 3 et 5)
3 3
C
conductance m /s (= 10 l/s)
d
diamètre du diaphragme m
D
diamètre interne du dôme d’essai m
D diamètre nominal du dôme d’essai m
N
K taux de compression de la pompe à vide avec un flux nul —
0
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ISO 21360-1:2012(F)
l longueur de la conduite de branchement entre la pompe d’essai m
et la vanne à manœuvre rapide (Figure 6, éléments 3 et 5)
passage libre moyen m
l
M masse molaire du gaz kg/mol
p pression atmosphérique normale — 101 325 Pa (définie dans Pa
0
[1]
l’ISO 3529-1:1981 , 1.0.2)
p pression de vide (élevé) à l’entrée Pa (ou mbar)
1
p pression de travail maximale à l’entrée Pa (ou mbar)
1max
p pression de vide dans la ligne de refoulement Pa (ou mbar)
3
pressions dans le dôme d’essai pour la méthode d’aspiration Pa (ou mbar)
pp,, p
tt t
12 3
mesurées avant et après les intervalles de temps, Δt , Δt , Δt
1 2 3
p , p , p pressions de base Pa (ou mbar)
b1 b2 b3
p pression de refoulement critique Pa (ou mbar)
c
p , p pressions dans le dôme d’essai pour la méthode du diaphragme Pa (ou mbar)
d e
Q flux de gaz de la pompe à vide Pa⋅l/s (ou mbar·l/s)
Q flux de gaz d’essai Pa⋅l/s (ou mbar·l/s)
r
3
q
débit volumique de la pompe d’essai l/s (ou m /h)
V
3
q débit volumique de la pompe de refoulement l/s (ou m /h)
VBP
3
q débit volumique aux conditions de référence normalisées ccsm (ou cm /min)
Vccsm
pour des gaz, c’est-à-dire 0 °C et 101 325 Pa
3
q débit volumique aux conditions de référence normalisées l/s (ou m /h)
Vstd
pour des gaz, c’est-à-dire 0 °C et 101 325 Pa
Q flux de gaz maximal que la pompe à vide peut supporter Pa⋅l/s (ou mbar·l/s)
max
sans être endommagée
R
constante des gaz parfaits 8,314 J/(mol·K)
T
température thermodynamique K
[1]
T 273,15 K (définie comme 0 °C dans l’ISO 3529-1:1981 , 1.0.2) K
0
T température du dôme d’essai K
D
T température du débitmètre K
f
u
incertitude de mesure —
3
V volume du dôme d’essai l, m
3
V volume du conduit de branchement entre la pompe d’essai l, m
i
et la vanne à manœuvre rapide (Figure 6, éléments 3 et 5)
δ épaisseur de la paroi du diaphragme à la hauteur du diamètre m
du diaphragme
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ISO 21360-1:2012(F)
5 Méthodes d’essai
5.1 Mesurage du débit volumique (vitesse de pompage) avec la méthode du flux
5.1.1 Généralités
La méthode du flux est la plus utilisée pour les pompes à vide et s’applique à toutes les gammes de pression
et à toutes les tailles de pompe où il est possible d’utiliser des débitmètres pour le mesurage du flux avec une
exactitude suffisante. Les gammes de mesure du débit gazeux doivent être choisies en multipliant le débit
volumique attendu par les pressions de travail minimales et maximales de la pompe d’essai.
Tous les dispositifs de mesure doivent être étalonnés
a) soit suivant une traçabilité par rapport à un vide primaire ou à une norme nationale,
b) soit à l’aide d’instruments de mesure absolue qui sont traçables pour les unités SI et pour lesquels on peut
attribuer des incertitudes de mesure.
Dans le cas d’instruments de mesure étalonnés, il convient qu’un certificat d’étalonnage existe et qu’il soit
[3]
conforme à l’ISO/CEI 17025 .
5.1.2 Dôme d’essai pour la méthode du flux
Pour ces mesurages, utiliser un dôme d’essai tel que représenté à la Figure 1 avec le même diamètre nominal,
D , que celui de l’entrée de la pompe. Le côté du dôme d’essai opposé à celui de la bride d’entrée peut être
N
plat, conique ou légèrement courbé avec la même hauteur moyenne au-dessus de la bride que le côté plat. Il
est préférable d’avoir trois brides pour le mesurage de la pression à une hauteur de D/2 au-dessus de la bride
inférieure si plus d’un manomètre est utilisé. Il convient que le diamètre de ces brides soit égal ou supérieur à
celui des brides des manomètres utilisés et leurs dimensions de montage doivent être notées. Aucun port de
mesure ne doit être placé à côté d’un port d’entrée du gaz dans une gamme d’angles de ±45°. Les conduites
de branchement entre les brides et le dôme ne doivent pas dépasser la paroi du dôme à l’intérieur, à l’exception
des conduites d’entrée du gaz.
Si nécessaire pour la pompe d’essai, le dôme d’essai doit être muni d’un dispositif d’étuvage garantissant un
chauffage uniforme du dôme pour atteindre la pression de base.
Le volume du dôme d’essai peut dépendre du type de pompe. Se référer à la norme spécifique relative aux
pompes pour les détails.
Pour les pompes ayant un diamètre de bride d’entrée inférieur à D = 100 mm, le diamètre du dôme doit
N
correspondre à D = 100 mm. La transition à la bride d’entrée de la pompe doit être réalisée à l’aide d’un
N
adaptateur conique à 45°, tel que représenté à la Figure 1.
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ISO 21360-1:2012(F)
Légende
1 tube d’entrée du gaz et point de mesure de la température pour T
D
2 branchements au manomètre à vide et au spectromètre de masse
D diamètre nominal du dôme d’essai, en mètres
Figure 1 — Dôme d’essai pour la méthode du flux
5.1.3 Réglage expérimental
Voir Figure 2.
Le dôme d’essai doit être propre et sec. La propreté de la pompe, des joints et des autres composants doit être
appropriée à la pression de base attendue. Tous les composants sont assemblés dans des conditions propres
conformément à la Figure 2. Compte tenu de la gamme de mesure étroite, les débitmètres avec différentes
gammes peuvent être montés en série. Dans le cas d’une restriction du débit liée à l’utilisation d’un petit
débitmètre, ceux-ci peuvent être montés en parallèle avec un distributeur en ajoutant une vanne entre chaque
débitmètre et le distributeur. Des contrôleurs de débit massique à flux programmable peuvent être montés au
lieu du débitmètre et de la vanne d’entrée du gaz. Ils doivent être montés en parallèle sur un distributeur.
Dans de nombreux cas, l’étanchéité aux fuites des grands contrôleurs de débit massique n’est pas suffisante.
Dans de tels cas, Il est recommandé d’utiliser des vannes entre le contrôleur de débit et le distributeur.
Les manomètres à ionisation et les spectromètres de masse doivent être installés de façon à ne pas permettre
un passage géométrique direct entre eux.
ATTENTION — Respecter les consignes de sécurité du fabricant de la pompe à vide.
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ISO 21360-1:2012(F)
Légende
1 dôme d’essai
2 pompe de refoulement
3 pompe d’essai
4 vanne d’entrée du gaz
5 débitmètres pour le mesurage de Q
6 manomètre à vide pour le mesurage de p
1
7 chemise de réchauffage (facultative)
8 manomètre à vide pour le mesurage de p
3
9 point de mesure de la température pour T
D
NOTE Les équipements 2 et 8 ne sont utilisés qu’avec des pompes d’essai à «vide élevé».
Figure 2 — Disposition pour le mesurage du débit volumique (vitesse de pompage)
avec la méthode du flux
5.1.4 Détermination du débit volumique
La méthode adoptée pour le mesurage du débit volumique, q , est la méthode du flux pour laquelle le flux de
V
gaz, Q, est mesuré à l’extérieur du dôme. Si la pression, p , dans le dôme d’essai, mesurée par un manomètre
1
à vide à la hauteur spécifiée au-dessus de la bride arrière (voir Figure 1), est maintenue constante, le débit
volumique, q , est obtenu par l’équation
V
Q
q = (1)
V
pp−
1b
où p est la pression de base dans le dôme d’essai (voir 5.4).
b
Une équation analogue s’applique au débit volumique de la pompe de refoulement, q .
VBP
Q
q = (2)
VBP
pp−
3b3
Le flux de gaz peut être déterminé par mesurage volumétrique (burettes à gaz, compteurs à gaz) au moyen
d’effets d’écoulement visqueux (débitmètre à flotteur, capillaires) ou dans la plupart des cas à l’aide de
débitmètres massique thermoélectriques (voir Référence [6], pp. 109-113).
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ISO 21360-1:2012(F)
Compte tenu de la dépendance de la température sur le volume du gaz, pour tous les mesurages volumétriques,
des corrections par un facteur de T /T sont nécessaires si les températures, T , dans le débitmètre et T , dans
D f f D
le dôme d’essai, sont différentes.
NOTE Les débitmètres massiques thermoélectriques ne mesurent pas le flux mais le débit volumique, q , aux
Vstd
[1]
conditions de référence normalisées pour les gaz (c’est-à-dire p = 101 325 Pa et T = 273,15 K, voir l’ISO 3529-1:1981 ,
0 0
1.0.2). Pour obtenir le flux, q est multiplié par le facteur T p /T . Par conséquent, q , est donné par:
Vstd D 0 0 V
qp T
VstdD0
q = (3)
V
Tp()− p
0b1
L’unité «ccsm» (centimètre cube standard par minute) est souvent utilisée pour q . Dans ce cas, on obtient q , en
Vstd V
−3
litres/seconde, en remplaçant [q = (q /ccsm) × 10 l/60 s], [p = 101 325 Pa] et [T = 273,15 K] dans l’Équation (3),
Vstd Vccsm 0 0
comme ci-après:
−3
()q /ccsm ××10 l 101325Pa×T
Vccsm D
q = l/s (4)
V
60 s××273,15K pp−
()
1b
5.1.5 Mode opératoire de mesure
La disposition du matériel de mesure avec le dôme d’essai de la Figure 1 est représentée à la Figure 2. Au
démarrage, lorsque la vanne d’entrée du gaz est fermée, la pression de base, p , doit prévaloir dans le dôme
b
d’essai (voir 5.4). Ensuite le gaz est admis dans le dôme d’essai à travers la vanne ajustable. Les mesurages
sont réalisés en augmentant la pression depuis une valeur seuil permettant l’utilisation correcte du débitmètre.
Durant cette période de temps, la température ambiante doit rester constante dans une gamme de ±2 °C.
Lorsque la pression requise, p , est obtenue avec une variation de 3 %/min, mesurer les pressions p et p , la
1 1 3
température ambiante et celle du dôme d’essai, T , ainsi que le flux admis, Q. Si le flux reste constant dans une
D
gamme de ±3 %, le mesurage à ce point peut être considéré comme valide. Si le flux n’est pas régulier à cause
d’une condition transitoire, attendre jusqu’à stabilisation. Si le mesurage du flux dure plus de 60 s, la pression,
p , dans le dôme doit être notée au moins toutes les minutes. Dans ce cas, la pression est la moyenne des
1
valeurs mesurées. Si, pendant un mesurage, la pression ou le flux varie de plus de ±3 %, le mesurage doit être
répété jusqu’à stabilisation des lectures.
Les mesurages doivent être réalisés en trois points minimum par décade de la pression, p . Si le flux est
1
augmenté jusqu’à la valeur maximale admise, Q , on obtient la pression maximale à l’entrée, dont les valeurs
max
peuvent être limitées par le fabricant.
NOTE Les mesurages de débit volumique peuvent être réalisés avec des gaz différents. Lorsque le gaz est changé,
toutes les conduites reliées à la vanne d’entrée du gaz doivent être purgées avec le nouveau gaz avant le début d’un
nouveau mesurage.
5.1.6 Incertitudes de mesure
Il convient de mesurer le débit de gaz avec une incertitude type de ±2,5 % et la pression avec une incertitude type
inférieure à ±3 %. Pour un calcul exact, voir l’Annexe B. L’incertitude totale du débit volumique doit être <10 %.
5.1.7 Évaluation du mesurage
Tracer sur un graphique semi logarithmique (similaire à la Figure 5) le débit volumique, q , de la pompe d’essai,
V
calculé suivant l’Équation (1), en fonction de la pression d’entrée et sur le même graphique le débit volumique,
q , de la pompe de refoulement, lorsqu’elle est utilisée, calculé à l’aide de Q et de p , en fonction de p de
VBP std 3 3
façon à montrer la taille de la pompe de refoulement. La plage des abscisses doit couvrir la plage totale des
pressions p et p . Les pressions de base de la pompe à vide, p , et de la pompe de refoulement, p , doivent
1 3 b1 b3
être mentionnées.
8 © ISO 2012 – Tous droits réservés
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ISO 21360-1:2012(F)
Le rapport d’essai doit inclure au moins les informations suivantes:
a) le type, le numéro de série, l’incertitude de mesure et les conditions de fonctionnement de tous les
manomètres à vide et les débitmètres utilisés;
b) le type et le numéro de série de la pompe d’essai;
c) la fréquence de rotation («vitesse») et/ou les conditions de fonctionnement de la pompe d’essai;
d) les fluides et leur pression de vapeur à 20 °C utilisés dans la pompe d’essai;
e) D (diamètre nominal du dôme d’essai et type de bride);
N
f) le type et le débit volumique de la pompe de refoulement, si elle est utilisée;
g) le type de joints d’étanchéité utilisés en amont de la bride d’entrée de la pompe d’essai;
h) le type de chicanes et de purgeurs employés pendant l’essai, ainsi que leurs températures;
i) les températures de l’eau de refroidissement et le débit de l’eau;
j) la température ambiante et celle du dôme d’essai;
k) la durée et les températures de l’étuvage.
5.2 Mesurage du débit volumique (vitesse de pompage) avec la méthode du diaphragme
5.2.1 Généralités
La méthode du diaphragme s’applique aux pompes à «vide élevé». Les conditions d’écoulement moléculaire
doivent être présentes dans le dôme d’essai. Cette méthode est recommandée pour des flux de gaz faibles où
aucun débitmètre à gaz n’est adapté. Le diamètre du diaphragme dans le dôme d’essai doit être adapté au débit
volumique attendu de la pompe d’essai pour éviter des pressions excessivement hautes qui entraîneraient des
conditions d’écoulement laminaires à travers le diaphragme.
5.2.2 Dôme d’essai pour la méthode du diaphragme
Le dôme d’essai doit être cylindrique et de la forme représentée à la Figure 3. Une paroi avec un diaphragme
circulaire (variable) divise le dôme en deux chambres. Il est nécessaire d’avoir un dispositif pour l’étuvage
garantissant un chauffage uniforme du dôme.
Le diamètre du plateau du diaphragme à paroi fine (δ/d < 0,1) doit être choisi selon le débit attendu et doit être
tel que le taux de compression entre p et p soit compris entre 3 et 30. Il faut s’assurer avec soin que le
d e
passage libre moyen, l , des particules de gaz dans le diaphragme n’est pas inférieur à deux fois le diamètre
du diaphragme, 2d.
Pour les valeurs spécifiques de l , voir l’Annexe A.
Pour les pompes ayant un diamètre de bride à l’entrée supérieur ou égal à D = 100 mm, le diamètre nominal,
N
D , du dôme doit être égal au diamètre réel de la bride d’entrée.
N
Pour les pompes ayant un diamètre de bride à l’entrée inférieur à D = 100 mm, le diamètre du dôme doit
N
correspondre à D = 100 mm. Dans ce cas, la transition à la bride d’entrée de la pompe doit alors être réalisée
N
au moyen d’une douille conique à 45° conformément à la Figure 1.
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Légende
1 tube d’entrée du gaz
2 tube d’entrée du gaz et point de mesure de la température T
D
3 branchements au manomètre à vide et au spectromètre de masse
D diamètre interne du dôme d’essai, en mètres
δ épaisseur de la paroi du diaphragme à la hauteur du diamètre du diaphragme, en mètres
p , p pressions dans le dôme d’essai pour la méthode du diaphragme, en pascals (ou en millibars)
d e
Figure 3 — Dôme d’essai pour la méthode du diaphragme
5.2.3 Réglage expérimental
Voir Figure 4.
Le dôme d’essai doit être propre et sec. Pour tous les branchements sur le côté «vide élevé», des brides
étuvables de type guillotine sont recommandées.
ATTENTION — Ne pas toucher les surfaces intérieures avec les mains. Utiliser des gants durant le montage.
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Légende
1 dôme d’essai
2 pompe de refoulement
3 pompe d’essai
4 vanne d’entrée du gaz
5 vanne d’entrée du gaz
6 manomètre à vide pour le mesurage de p
3
7 manomètre à vide pour le mesurage de p
d
8 manomètre à vide pour le mesurage de p
e
9 chemise de réchauffage
10 point de mesure de la température, T
D
Figure 4 — Disposition pour le mesurage du débit volumique (vitesse de pompage)
selon la méthode du diaphragme
5.2.4 Détermination du débit volumique
Un mince plateau du diaphragme circulaire divise le dôme d’essai en deux volumes (voir Figure 3). Le débit
volumique est donné par:
pp−
dbd
qC= −1 (5)
V
pp−
ebe
où C est la conductance calculée en prenant en compte la dimension du diaphragme et les propriétés du gaz.
Les pressions de base, p et p , dans les chambres supérieure et inférieure du dôme d’essai sont mesurées
bd be
après l’étuvage (voir 5.4) et avant l’admission du gaz. La conductance du diaphragme avec le diamètre, d, et
l’épaisseur, δ, peut être calculée à l’aide de l’Équation (6):
πRT 1
D 2
C = d (6)
32Md1/+ δ
()
Le terme 1/[1 + (δ / d)] est un facteur de correction (uniquement valable lorsque δ << d) qui peut être défini
comme la probabilité moyenne de passage à travers le diaphragme.
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Veiller à ce que l’équation soit utilisée avec des unités cohérentes. En utilisant les valeurs
R = 8,314 J/(mol⋅K)
−3
M = 28,97 × 10 kg/mol
air
T = 293 K (20 °C)
D
on obtient, en mètres cubes par seconde,
2
91d
C = (7)
air
1+()δ /d
ou, en litres par seconde,
2
91 000d
C = (8)
air
1+ δ /d
()
avec δ et d mesurés en mètres.
5.2.5 Mode opératoire de mesure pour la méthode du diaphragme
La disposition
...
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