¿Cómo se mide la presión de vacío?

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Las presiones que se obtienen en la actualidad en la tecnología de vacío abarcan de los 2000 mbar a los 10^-12 mbar, lo que supone más de 15 órdenes de magnitud. La enorme envergadura de las dinámicas de este rango puede observarse comparando las mediciones de presión de vacío con las de longitud, como se indica en la Tabla 3.1.

Tabla 3.1: Análisis comparativo de las mediciones de presión de vacío y las de longitud

Los instrumentos de medición designados para utilizarse en este amplio rango de presiones son los medidores. Puesto que, por motivos físicos, resulta imposible fabricar un medidor capaz de llevar a cabo mediciones cuantitativas en todo el rango de vacío, hay disponibles distintos medidores con un rango de medición característico que suele prolongarse por varios órdenes de magnitud (véase la Fig. 9.16a). Para poder asignar los rangos de medición más amplios posibles a los distintos medidores, debe aceptarse que la incertidumbre incremente con gran rapidez (hasta el 100 % en determinadas situaciones) en los rangos máximo y mínimo. Por consiguiente, debe distinguirse entre el rango de medición indicado en el catálogo y el rango para mediciones "exactas". Los rangos de medición de los diferentes medidores están limitados en los rangos máximo y mínimo como consecuencia de efectos físicos.

Fig. 9.16a: Rangos de medición de los medidores habituales

Fundamentos de las mediciones de baja presión

Los medidores son dispositivos para medir presiones de gases de valores apenas superiores a muy inferiores a la atmosférica (DIN 28 400, Parte 3, edición de 1992). En muchos casos, la indicación de presión depende de la naturaleza del gas pertinente. Para efectuar mediciones exactas de las presiones parciales de determinados gases o vapores se recurre a la ayuda de instrumentos de medición de presión parcial, que funcionan conforme al principio del espectrómetro de masas (véase el apartado sobre análisis de gases y espectrómetros de masas).

La indicación de presión depende del tipo de gas

Se debe distinguir entre los siguientes medidores:

Instrumentos que por su definición miden la presión como la fuerza que actúa sobre una superficie, los denominados "medidores directos" o "absolutos". Conforme a la teoría cinética de los gases, esta fuerza aplicada por las partículas al chocar contra las paredes depende únicamente del número de moléculas del gas por unidad volumétrica (la densidad numérica de las moléculas, n) y su temperatura, pero no de su masa molar. La lectura del instrumento de medición es independiente del tipo de gas. Entre los dispositivos de este tipo se encuentran los medidores de líquido y los mecánicos.
Instrumentos con medición indirecta de presión. En este tipo, la presión se calcula como función de una propiedad que depende de la presión del gas (o, más correctamente, de su densidad): la conductividad térmica, la probabilidad de ionización o la conductividad eléctrica. Estas propiedades dependen tanto de la masa molar como de la presión. La lectura de presióndel instrumento de medición depende del tipo de gas.

Las escalas de estos instrumentos de medición de presión siempre emplean aire o nitrógeno a modo de gas de ensayo. Para otros gases o vapores, deben tenerse en cuenta factores de corrección (habitualmente relacionados a su vez con el aire o el nitrógeno; véase la Tabla 3.2). Para llevar a cabo mediciones exactas de presión por medio de medidores indirectos que calculen la densidad numérica mediante aplicación de energía eléctrica (esto es, mediante medición indirecta de la presión), es importante conocer la composición del correspondiente gas. En la práctica, la composición del gas solo se conoce de forma aproximada; en muchas situaciones, no obstante, basta con saber si en la mezcla de gases cuya presión quiere medirse predominan las partículas ligeras o las pesadas (p. ej., moléculas de hidrógeno o de vapor de líquido de bombeo).

Tabla 3.2: Factores de corrección

Ejemplo

Si se mide la presión de un gas que conste principalmente de moléculas de líquido de bombeo mediante un medidor de ionización, la lectura de presión (aplicada al aire o al N2), como se indica en la Tabla 3.2, es excesiva en un factor de aproximadamente 10.

Medición en el rango de presión de vacío bajo: de la presión atmosférica hasta 1 mbar

Las mediciones de presión en el rango del vacío bajo pueden llevarse a cabo con relativa exactitud mediante medidores de vacío de medición directa. Por otra parte, para medir presiones más bajas, de <10^-3, casi siempre se produce una serie de errores fundamentales que limitan la exactitud de las mediciones desde el principio. Por consiguiente, no cabe comparación alguna con el grado de exactitud que suele lograrse con los instrumentos de medición indirectos.

Para poder hablar con propiedad sobre la presión indicada en un medidor en el rango de vacío bajo, antes deben tenerse en cuenta la ubicación y el modo de conexión del sistema de medición. En todas aquellas zonas de presión en las que se produzca circulación o flujo laminar (1013 > p > 10^-1 mbar), debe tomarse nota de los gradientes de presión generados por medio del bombeo. Inmediatamente delante de la bomba (observada desde el depósito) se genera una presión inferior que en el depósito. Este gradiente de presión pueden producirlo aun aquellos componentes de alta conductancia. Por último, la conductancia de la línea de conexión entre el sistema de vacío y el de medición no debe ser demasiado baja, ya que, de serlo, la evacuación se llevaría a cabo con demasiada lentitud en la región de presión de la circulación o flujo laminar, por lo que la presión indicada será excesivamente alta.

Medición en el rango de presión media: de 1 mbar a 10^-3 mbar

Para llevar a cabo mediciones en el rango del vacío medio se necesita, bien de un sensor de escala completa de capacitancia baja (como el CTR100 de 0,1 Torr), bien, lo que es más habitual, de un medidor de conductividad térmica como los de la serie THERMOVAC (p. ej., el TTR91RN). En este rango, lo normal es que empiece a pasarse de la circulación laminar al flujo de gases moleculares, por lo que debe empezar a plantearse dónde colocar el correspondiente medidor a fin de sacar el máximo partido de sus capacidades. Las mediciones que se efectúen dentro de este rango tienen una exactitud del ±15 % en caso de usar un medidor de conductividad térmica; por consiguiente, puede alcanzarse una exactitud bastante razonable, pero no igual de elevada que de usar los medidores directos, tratados en el apartado sobre el vacío primario.

Medición en los rangos de presión de alto y ultra alto vacío: de 10^-3 mbar a <10^-12

En el caso del alto y ultra alto vacío, la situación se complica. En función de las características propias de la instalación, pueden registrarse, bien una presión excesivamente elevada, bien una excesivamente baja (en caso de que los tubos de medición se hayan desgasificado debidamente), como consecuencia de la desgasificación espontánea ("outgassing") de las paredes del medidor, o de una desgasificación (voluntaria) inadecuada del sistema de medición. En los rangos de alto y ultra alto vacío, el proceso de igualación de la presión entre el sistema de vacío y los tubos de medición puede prolongarse considerablemente. Debe prestarse siempre especial atención al efecto que tiene el propio proceso de medición en la medición de la presión. Por ejemplo, en medidores de ionización que empleen un cátodo termoiónico se produce descomposición térmica de las partículas de los gases, en particular de las de hidrocarburos superiores, proceso que altera la composición del gas. Estos efectos cumplen una función relacionada con la medición de la presión en el rango de ultra alto vacío. Lo mismo ocurre con la limpieza de gases en los medidores de ionización, en particular en los de cátodo frío (del orden de entre los 10^-2 y los 10^-1 l/s). La contaminación del sistema de medición, los campos eléctricos y magnéticos y sus interferencias, los errores de aislamiento y las temperaturas ambiente que superen los valores admisibles falsifican las mediciones de presión.

Para medir presiones en los rangos medio y alto con una incertidumbre inferior al 50 %, la persona que lleve a cabo el experimento debe proceder con la máxima precaución. Aquellas mediciones de presión para las que sea necesaria una exactitud de un porcentaje muy bajo necesitan de grandes esfuerzos y, por lo general, del uso de instrumentos de medición especiales. Estas consideraciones son especialmente ciertas para todas las mediciones de presión que se efectúen en el rango ultra alto (p < 10^-7 mbar).

Cómo elegir el medidor adecuado

El rango de presión no es el único factor que debe tenerse en cuenta a la hora de elegir un instrumento de medición apto: las condiciones de uso del equipo también son relevantes. Si las mediciones van a efectuarse en condiciones difíciles (p. ej., en caso de existir riesgo de contaminación elevada, que no pueda descartarse la vibración de los tubos, que quepa esperar ráfagas de aire, etc.), el instrumento debe contar con la debida robustez. En puntos de uso de entornos industriales, se usan medidores de Bourdon, medidores de diafragma, de conductividad térmica, de ionización de cátodo termoiónico y medidores de Penning. Algunos de estos instrumentos son sensibles a las condiciones de uso adversas. Solo es posible hacer uso de ellos con la debida eficacia si se descartan los errores anteriores en la medida de lo posible y si se siguen las pertinentes instrucciones de uso.

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