Comment la pression à vide est-elle mesurée ?

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Les plages de pression en technologie du vide et leur caractérisation

En technologie du vide, il est courant de subdiviser sa large plage de pression globale, qui s'étend sur plus de 16 puissances de dix, en régimes individuels plus petits, généralement définis comme suit :

Vide grossier (RV) 1 000 – 1 mbar

Vide moyen (MV) 1 – 10-3 mbar

Vide poussé (HV) 10-3 – 10-7 mbar

Ultravide (UHV) 10-7 – (10-14) mbar

Tableau IX Plages de pression utilisées en technologie du vide et leurs caractéristiques (nombres arrondis à la puissance entière de dix)

Cette division est, naturellement, quelque peu arbitraire. Les chimistes en particulier peuvent désigner le spectre qui les intéresse le plus, situé entre 100 et 1 mbar, comme « vide intermédiaire ». Certains ingénieurs peuvent ne pas faire référence au vide, mais parler de « basse pression » ou même de « pression négative ». Les régimes de pression énumérés ci-dessus peuvent toutefois être clairement définis à partir d'une observation de la situation cinétique gazeuse et de la nature du débit de gaz. Les technologies d'exploitation des différentes plages seront également différentes.

Air atmosphérique

Avant l'évacuation, chaque système de vide sur terre contient de l'air et il est toujours entouré d'air pendant le fonctionnement. Il est donc nécessaire de connaître les propriétés physiques et chimiques de l'air atmosphérique.

L'atmosphère est composée d'un certain nombre de gaz et, près de la surface de la terre, de vapeur d'eau également. La pression exercée par l'air atmosphérique est référencée au niveau de la mer. La pression atmosphérique moyenne est de 1 013 mbar (équivalente à une « atmosphère », l'unité de mesure anciennement utilisée). Le tableau VIII montre la composition de l'atmosphère standard à une humidité relative de 50 % et une température de 68 °F ou 20 °C.

Tableau VIII Composition de l'air atmosphérique. Remarque : dans la composition de l'air atmosphérique, l'humidité relative (HR) est indiquée séparément avec la température.

A l'humidité relative donnée, la pression d'air lue sur le baromètre est donc de 1 024 mbar.

Tableau XVII Comparaison et conversion des températures (valeurs arrondies aux degrés entiers)

En termes de technologie du vide, les points suivants doivent être pris en compte concernant la composition de l'air :

a) La vapeur d'eau contenue dans l'air, qui varie en fonction du niveau d'humidité, joue un rôle important lors de l'évacuation d'une installation de vide (voir page sur le pompage de gaz – procédé humide).

b) La quantité considérable d'argon, un gaz inerte, doit être prise en compte dans les procédures d'évacuation faisant appel à des pompes à sorption.

c) Malgré la très faible teneur en hélium dans l'atmosphère, à seulement 5 ppm (parties par million) environ, ce gaz inerte se manifeste particulièrement dans les systèmes à ultravide scellés au Viton ou qui intègrent des composants en verre ou en quartz. L'hélium est capable de pénétrer ces substances de manière mesurable.

La pression de l'air atmosphérique chute à mesure que l'altitude augmente au-dessus de la surface de la Terre (voir Fig. 9.3). Le vide poussé prévaut à une altitude d'environ 100 km (328 083 pi) et l'ultravide au-dessus de 400 km (1 312 335 pi). La composition de l'air change également en fonction de la distance par rapport à la surface de la terre (voir Fig. 9.4).

Fig 9.3 Diminution de la pression d'air (1) et modification de la température (2) en fonction de l'altitude

Fig 9.4 Modification de la composition gazeuse de l'atmosphère en fonction de l'altitude

Unités de pression et leur définition

Pression p (mbar)

Pression des liquides (gaz et liquides). (Quantité : pression ; symbole : p ; unité de mesure : millibar ; abréviation : mbar.) La pression est définie dans la norme DIN 1314 comme le quotient de la force normalisée appliquée à une surface et l'étendue de cette surface (force rapportée à la surface). Même si le Torr n'est plus utilisé comme unité de mesure de la pression, il est néanmoins utile, par souci de transparence, de mentionner cette unité de pression : 1 Torr correspond à la pression du gaz capable d'élever une colonne de mercure de 1 mm à 0 °C (32 °F). (La pression atmosphérique standard est de 760 Torr ou 760 mmHg.) La pression p peut être définie plus précisément à l'aide d'indices :

Pression absolue p_abs

La pression absolue est toujours spécifiée en technologie du vide de sorte que l'indice « abs » puisse normalement être omis.

Pression totale p_t

La pression totale dans un réservoir est la somme des pressions partielles de tous les gaz et vapeurs dans le réservoir.

Pression partielle p_i

La pression partielle d'un certain gaz ou d'une certaine vapeur est la pression que ce gaz ou cette vapeur exercerait s'il était seul présent dans le réservoir. Remarque importante : en particulier en technologie du vide grossier, la pression partielle dans un mélange de gaz et de vapeur est souvent considérée comme la somme des pressions partielles de tous les composants non condensables présents dans le mélange, par exemple en cas de pression finale partielle au niveau d'une pompe à palettes rotatives.

Pression de vapeur saturante p_s

La pression de la vapeur saturée est appelée Pression de vapeur saturante ps. ps est une fonction de la température pour une substance donnée.

Pression de vapeur p_d

Pression partielle de ces vapeurs qui peuvent être liquéfiées à la température de l'azote liquide (LN₂).

Pression standard p_n

La pression standard p_n est définie dans la norme DIN 1343 comme une pression de p_n= 1013,25 mbar.

Pression limite p_end

La pression la plus basse pouvant être atteinte dans un réservoir sous vide. La pression limite dépend non seulement de la vitesse d'aspiration de la pompe, mais aussi de la pression de vapeur pd des lubrifiants, des produits d'étanchéité et des propulseurs utilisés dans la pompe. Si un réservoir est simplement évacué à l'aide d'une pompe à vide rotative (volumétrique) à joint d'huile, la pression limite pouvant être atteinte dépend principalement de la pression des vapeurs de l'huile de pompe utilisée et, selon la propreté du réservoir, des vapeurs libérées par les parois du réservoir et, bien sûr, de l'étanchéité du réservoir de vide lui-même.

Pression ambiante p_amb

ou pression atmosphérique (absolue)

Surpression p_e ou pression manométrique

(Symbole d'indice pour « excès »)

Ici, les valeurs positives pour p_e indiquent une surpression ou une pression manométrique ; les valeurs négatives caractérisent un vide.

Pression de service p_W

Pendant l'évacuation, les gaz et/ou les vapeurs sont éliminés d'un réservoir. Les gaz sont considérés comme des matières à l'état gazeux qui ne se condensent pas à la température de fonctionnement ou de service. La vapeur est également de la matière à l'état gazeux, mais elle peut être liquéfiée aux températures dominantes en augmentant la pression. Enfin, la vapeur saturée est une matière qui, à la température dominante, est un gaz en équilibre avec la phase liquide de la même substance.

Tableau I Unités de pression autorisées, y compris le Torr 1) et leur conversion.

Le Torr est inclus dans le tableau uniquement pour faciliter la transition de cette unité familière aux unités réglementaires N·m^-2, mbar et bar. A l'avenir, les unités de pression torr, mm de colonne d'eau, mm de colonne de mercure (mm Hg), % de vide, atmosphère technique (at), atmosphère physique (atm), atmosphère absolue (ata), pression au-dessus de la pression atmosphérique et pression en dessous de la pression atmosphérique ne pourront plus être utilisées. Dans ce contexte, il est fait référence à la norme DIN 1314.
L'unité Newton divisée par mètres carrés (N·m^-2) est également désignée Pascal (Pa) : 1 N·m^-2= 1 Pa. Newton divisé par mètres carrés ou Pascal est l'unité SI pour la pression des liquides.
1 torr = 4/3 mbar ; fl torr = 1 mbar.

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