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Vakuummessung in einem Plasmaautoklaven: vom Problem zur Lösung

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Vakuum messen: Was bedeutet das?

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Die Idee, ein Vakuum zu messen, mag seltsam klingen. Wie ist es möglich, etwas zu messen, das per Definition nicht existiert? Doch in der Krankenhausumgebung spielt die Vakuummessung eine Schlüsselrolle bei den täglichen Sterilisationsaktivitäten.

In diesem Artikel befassen wir uns mit dem Thema, indem wir mit den Grundlagen beginnen und uns dann auf eine der wichtigsten Anwendungen konzentrieren, die nicht nur eine große praktische Bedeutung hat, sondern uns auch vor eine unerwartete Herausforderung stellte, die wir erfolgreich gelöst haben.

Vakuum messen: Was bedeutet das?

Vakuum ist kein abstraktes oder philosophisches Konzept: Es ist eine physikalische, genau definierte und quantifizierbare Realität. Es ist die Abwesenheit von Atomen in einem Raum. Ein absolutes Vakuum entspricht null Atomen, aber dieser Zustand ist praktisch unerreichbar. In technischen Anwendungen kann auch ein Raum mit einer extrem geringen Anzahl von Luftmolekülen als leer angesehen werden.

Aber auch wenn es nur sehr wenige Moleküle gibt, kann man sie nicht immer vernachlässigen. Daher ist es unerlässlich, ihr Vorhandensein durch Druckmessung zu überwachen.

Bei der Messung des Vakuums muss man mit so niedrigen Drücken arbeiten, dass sie fast unrealistisch erscheinen, in der Größenordnung von zehntausendstel Bar. Diese Genauigkeit ist für ein Druckmessgerät unmöglich, kann aber mit Sensoren erreicht werden, die auf dem nach seinem Entdecker benannten Pirani-Vakuum-Prinzip basieren.

Der Sensor besteht aus einem elektrischen Draht in einer kontrollierten Umgebung, der von einem konstanten elektrischen Strom durchflossen wird. Er misst den Druck nicht direkt, sondern über ein System, das sich das Wissen über das Verhalten der Materie auf ziemlich raffinierte Weise zunutze macht:

Wir wissen, dass Atome miteinander Wärme austauschen. Je mehr Atome sich also im Raum befinden, desto größer ist der Wärmeaustausch. In unserem Fall: Je mehr Luftmoleküle vorhanden sind, desto stärker erwärmt sich der Draht.

Wir wissen, dass die Erhöhung der Temperatur des Drahtes zu einer Erhöhung seines elektrischen Widerstandes führt.

Daraus können wir ableiten, dass der elektrische Widerstand direkt proportional zur Menge der vorhandenen Moleküle ist.

Mit Hilfe bestimmter Formeln lässt sich aus dem Widerstandswert der atmosphärische Druck mit großer Genauigkeit berechnen.

Wenn Sie tiefer in dieses faszinierende Thema einsteigen möchten, haben wir in diesem Beitrag die Piranische Leere im Detail beschrieben.

Eine konkrete Anwendung: der Plasma-Autoklav

Was ist der Zweck der Vakuummessung?

Ein praktisches Beispiel ist der Betrieb des Plasma-Autoklaven, der hauptsächlich im medizinischen Bereich zur Sterilisation eingesetzt wird. Der Prozess basiert auf zwei grundlegenden Schritten:

Beseitigung der Luft: Das Vakuum sorgt dafür, dass keine stagnierende Luft zurückbleibt, was eine gleichmäßige Temperaturverteilung ermöglicht.

Verwendung von Wasserstoffperoxid: Es handelt sich um ein besonders starkes Sterilisationsmittel, das wirksamer ist als herkömmlicher Dampf, der zum Sieden gebracht wird und sich auf allen zu behandelnden Oberflächen ausbreitet.

Um das einwandfreie Funktionieren des Plasma-Autoklaven zu gewährleisten, ist es unerlässlich, das Vakuum mit äußerster Präzision zu messen. Hier kommt der Pirani Vacuum Logger ins Spiel, ein Instrument, das entwickelt wurde, um auch unter extremen thermischen Bedingungen zuverlässig und robust kleinste Drücke zu überwachen.

Einige Jahre nach der Entwicklung dieses Datenloggers stießen wir auf ein unerwartetes kritisches Problem, das uns zwang, unsere Lösung zu überdenken...

Die Herausforderung: Schutz des Loggers vor Wasserstoffperoxid

Einer unserer Kunden wandte sich an uns und meldete eine Fehlfunktion unseres Vakuummesssystems, das in seinen Plasmaautoklaven eingesetzt wird.

Obwohl der Pirani-Vakuumlogger korrekt eingeschaltet und an die Datenerfassungssysteme angeschlossen wurde, konnte er den Druck nicht mehr erfassen und zeigte einen flachen Messwert an.

Aber wenn der Logger funktionierte, warum konnte er dann nicht mehr messen? Es war offensichtlich, dass eine Fehlfunktion des Sensors vorlag.

Da der Logger einen Temperaturbereich von -80°C bis +85°C aushält, schlossen wir aus, dass das Problem bei der Temperatur lag. Der Plasma-Autoklav überschreitet diesen Schwellenwert nämlich nie.

Ähnliche Probleme mit dem Pirani-Vakuumlogger haben wir unter anderen Bedingungen, z. B. in Anlagen zur Überwachung von Gefriertrocknungsprozessen, noch nie erlebt.

Wir vermuteten sofort, dass das Problem Wasserstoffperoxid war.

Warum Wasserstoffperoxid ein Problem für Sensoren ist

Wasserstoffperoxid (H₂O₂) ist ein sehr wirksames Sterilisationsmittel, weshalb es in Prozessen eingesetzt wird, die eine gründliche Sterilisation erfordern. Aber es ist auch ein extrem aggressives Molekül für Metalle, so dass es elektronische Präzisionskomponenten beeinträchtigen kann.

Und tatsächlich, als wir unseren Sensor untersuchten, stellten wir fest, dass die internen Schaltkreise zerstört waren, mit losen Drähten und gebrochenen Leiterbahnen. Das Wasserstoffperoxid hatte also das Messsystem beschädigt.

Es war klar, dass der Pirani Vacuum Logger vor Wasserstoffperoxid geschützt werden musste. Aber wie?

Ein Filter zur Messung des Vakuums in einem Autoklaven

Um dieses Problem zu lösen, haben wir einen Filter entwickelt, der auf den Pirani Vacuum Logger aufgesetzt werden kann.

Der von uns benötigte Filter sollte als Katalysatorsystem für Wasserstoffperoxid fungieren. In der Praxis bedeutet "katalysieren", die Zersetzung von H₂O₂-Molekülen in weniger reaktive Elemente zu beschleunigen und so die Anzahl der aggressiven Moleküle zu verringern, die mit dem Sensor des Loggers in Kontakt kommen könnten.

Wir haben dieses Ziel nicht nur erreicht, sondern auch ohne jeglichen Energieverbrauch, indem wir nur die physikalischen und chemischen Eigenschaften der verwendeten Materialien genutzt haben.

Der Filter besteht aus einem robusten Stahlgehäuse und einer Silikonmembran, die die Kammer, in der die Katalyse stattfindet, abdichtet. Seine Konstruktion basiert auf drei Grundprinzipien, um maximale Wirksamkeit und Haltbarkeit zu gewährleisten:

Geeignetes Material. Nach eingehender Untersuchung der chemischen Eigenschaften von H₂O₂ haben wir uns für Mangandioxid entschieden, ein Material, das in Kombination mit Epoxidharz eine hohe katalytische Kapazität bietet, ohne jemals gesättigt zu sein. Diese Wahl gewährleistet eine konstante Wirksamkeit über die Zeit.

Aufschraubbare Kappe. Der Filter ist als Schraubkappe konzipiert, die über ein Gewinde einfach an den Pirani Vacuum Logger angeschlossen werden kann. Durch diese Konstruktion ist der Filter modular aufgebaut, so dass er je nach Bedarf ein- und ausgebaut werden kann.

Internes Labyrinth zur Maximierung der katalytischen Oberfläche. Im Inneren des Filters wird die mit Wasserstoffperoxid beladene Luft gezwungen, einem langen, gewundenen, labyrinthartigen Weg zu folgen. Diese Konfiguration vergrößert die freiliegende Oberfläche des Katalysatormaterials, was die Wirksamkeit des Filters weiter erhöht.

Einbau

Der in unseren Labors entwickelte Prototyp des Filters wurde direkt in den Autoklaven des Kunden getestet, die sich als sehr kooperativ erwiesen.

Die Ergebnisse waren unmittelbar und signifikant: Nach dem Einsatz der Filter traten bei den Pirani-Vakuum-Loggern keine Probleme mehr auf. Eine Beschädigung durch Wasserstoffperoxid wurde verhindert!

Dank des neuen Filters erhielten unsere Pirani-Vakuumlogger einen zusätzlichen Schutz, der eine optimale Überwachung auch in einer besonders schwierigen Umgebung wie einem Plasmaautoklaven gewährleistet.

Die Philosophie von Tecnosoft: Innovation und Zusammenarbeit

Der Pirani-Filter ist das Ergebnis einer Unternehmensphilosophie, die auf Experimente und Zusammenarbeit ausgerichtet ist.

Unsere Produkte entstehen aus den realen Bedürfnissen unserer Kunden und aus einem ständigen Engagement für die Suche nach maßgeschneiderten Lösungen.

Die Zusammenarbeit mit unseren Kunden und die Bewältigung komplexer Herausforderungen ermöglichen es uns, zuverlässige und maßgeschneiderte Messgeräte zu entwickeln.

Wenn Ihr Unternehmen zuverlässige Messgeräte für technisch anspruchsvolle Situationen benötigt, wenden Sie sich an uns. Wir sind bereit, mit Ihnen zusammenzuarbeiten, um die beste Lösung für Ihre Messanforderungen zu finden.