Comment fonctionnent les jauges à vide à mesure directe ?
Jauges à vide avec indication de pression indépendante du type de gaz
Les jauges à vide mécaniques mesurent la pression directement en enregistrant la force exercée sur une surface par les particules (molécules et atomes) dans un espace rempli de gaz en raison de leur vitesse thermique.
Jauges à vide de Bourdon
L'intérieur d'un tube cintré de section ovale (appelé tube de Bourdon) (3) est raccordé au réservoir à mettre sous vide (Fig. 3.2). Grâce à l'effet de la pression d'air externe, l'extrémité du tube est plus ou moins déformée au cours de la mise sous vide et le dispositif à pointeur (4) et (2) qui y est relié est actionné. Comme la valeur de pression indiquée dépend de la pression atmosphérique externe, elle n'est précise qu'à environ 10 mbar, à condition que le changement de pression atmosphérique ambiante ne soit pas corrigé.
Fig. 3.2 Coupe transversale d'une jauge de Bourdon.
- Tube de raccordement à la bride de raccordement
- Pointeur
- Tube de Bourdon
- Système de levier
Jauges à vide à membrane
Jauges à vide à capsule
La conception la plus connue d'une jauge à vide à membrane est celle d'un baromètre muni d'une capsule anéroïde comme système de mesure. Il contient une capsule à membrane à paroi mince, sous vide et hermétiquement scellée, fabriquée en alliage de cuivre-béryllium. Au fur et à mesure que la pression chute, la membrane de la capsule se dilate. Ce mouvement est transmis à un point par un système de levier. La jauge à vide à capsule, conçue selon ce principe, indique la pression sur une échelle linéaire, indépendante de la pression atmosphérique externe.
Jauge à vide à membrane DIAVAC
Une grande précision de mesure de pression est souvent requise pour les niveaux inférieurs à 50 mbar. Dans ce cas, une autre jauge à vide à membrane est plus adaptée, à savoir le modèle DIAVAC, dont l'échelle de pression est très large, entre 1 et 100 mbar. La partie interne dans laquelle se trouve le système de levier (2) de la tête de la jauge (voir Fig. 3.3) est mise sous vide à une pression de référence préréglée inférieure à 10-3 mbar. L'enveloppe du réservoir se présente sous la forme d'une membrane ondulée (4) en acier spécial. Tant que le réservoir n'est pas mis sous vide, cette membrane s'appuie fermement contre la paroi (1). A mesure que le vide augmente, l'écart entre la pression à mesurer px et la pression de référence diminue. La membrane ne se plie que légèrement au début, puis davantage en dessous de 100 mbar. Sur la jauge DIAVAC, la déflexion de la membrane est à nouveau transmise à un pointeur (9). En particulier, la plage de mesure entre 1 et 20 mbar est considérablement élargie pour que la pression puisse être lue avec précision (jusqu'à environ 0,3 mbar). La sensibilité aux vibrations de cet instrument est un peu plus élevée que celle d'une jauge à vide à capsule.
Fig 3.3 Vue en coupe de la jauge à vide à membrane DIAVAC DV 1 000.
- Plaque de base
- Système de levier
- Bride de raccord
- Membrane
- Pression de référence préréglée
- Extrémité de pincement
- Feuille miroir
- Plaque de plexiglas
- Pointeur
- Vitre
- Plaque de fixation
- Corps
Les jauges à vide à capsule mesurent la pression avec précision jusqu'à 10 mbar (en raison de l'échelle linéaire, elles sont moins précises dans la zone basse pression de l'échelle). Si seules des pressions inférieures à 30 mbar doivent être mesurées, la jauge DIAVAC est recommandée, car sa valeur (voir ci-dessus) est nettement plus précise. Pour des exigences de précision de mesure extrêmes, il faut utiliser des jauges à vide à membrane de précision. Si une grande précision est requise dans les mesures de basses pressions et si, pour cette raison, on sélectionne une plage de mesure jusqu'à 100 mbar, par exemple, il n'est plus possible de mesurer les pressions supérieures, car ces jauges ont une échelle linéaire. Toutes les jauges à vide mécaniques sont sensibles aux vibrations dans une certaine mesure. Les petites vibrations, telles que celles qui se produisent en cas de raccordement direct à une pompe primaire, ne sont généralement pas préjudiciables.
Jauges à membrane de contrainte/piézoélectriques
La déflexion d'une membrane peut également être mesurée électriquement sous forme de « contrainte » ou de changement de capacité. Anciennement, quatre jauges de contrainte, dont la résistance se modifie avec la déflexion de la membrane, c'est-à-dire sous un effort de tension, étaient montées sur une membrane métallique dans un circuit en pont. Chez Leybold, ces instruments ont fait l'objet d'une désignation spéciale : MEMBRANOVAC. Plus tard, on a eu recours à des membranes en silicium contenant quatre « résistances à la contrainte » directement sur leur surface. La configuration électrique consistait à nouveau en un circuit en pont, et un courant constant était introduit à deux points d'angle opposés, tandis qu'un signal de tension linéaire proportionnel à la pression était capté aux deux autres points d'angle. La figure 3.4 illustre le principe de cette disposition. Ces instruments ont été désignés sous le nom de PIEZOVAC ; actuellement, il s'agit des unités DI/DU2000, toujours utilisées dans de nombreux cas.
Fig 3.4 Capteur piézoélectrique (schéma de base)
Jauges à membrane capacitives
La mesure de la contrainte dans le cadre d'un circuit en pont permet d'obtenir des niveaux de précision élevés, mais sa plage est limitée. Une méthode plus avancée consiste à mesurer la déflexion de la membrane en fonction du changement de capacité d'un condensateur à plaque : une électrode est fixe, l'autre est formée par la membrane. Lorsque la membrane est déviée, la distance entre les électrodes, et donc la capacité du condensateur, est modifiée. La figure 3.5 illustre le principe de cette disposition, utilisée dans la gamme CEREVAC CTR. On distingue les capteurs à membrane métallique et ceux à membrane en céramique. Les jauges capacitives à membrane sont utilisées dans la plage allant de la pression atmosphérique jusqu'à 1·10-4 mbar (en dessous de 10-4 mbar, l'incertitude de mesure augmente rapidement). Pour garantir une déflexion suffisante des membranes à de telles pressions, on a recours à des membranes de différentes épaisseurs pour les différents niveaux de pression. Dans chaque cas, les capteurs permettent de mesurer la pression avec une précision de 3 puissances de dix :
de 1 000 à 1 Torr
de 100 à 10–1 Torr
de 10 à 10–2 Torr
de 1 à 10–3 Torr
de 10–1 à 10–4 Torr
Afin d'augmenter davantage les niveaux de précision, vous pouvez également chauffer la cellule capacitive. Dans ce cas, cette dernière est fortement isolée contre la température ambiante et un petit filament chauffant chauffe la cellule à une température fixe. Cela permet d'éliminer toute variation due aux fluctuations de la température ambiante. Elle est également utilisée en présence de gaz dont la condensation à l'intérieur de la jauge n'est pas souhaitable, pour ne pas constituer un point froid dans le système.
Fig 3.5 Capteur capacitif (schéma de base)
Si les pressions à mesurer deviennent hors plage, il est recommandé d'utiliser une unité multicanaux munie de deux ou trois capteurs.
La jauge capacitive à membrane représente donc, pour tous les usages pratiques, le seul instrument de mesure de pression absolue indépendant du type de gaz et conçu pour des pressions inférieures à 1 mbar. Aujourd'hui, les types de capteurs capacitifs disponibles sont au nombre de deux :
- DI/DU 200
- CTR100N/101N
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