Comment la pression à vide est-elle mesurée ?

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Les pressions mesurées aujourd'hui en technologie du vide couvrent une plage allant de 2 000 mbar à 10^-12 mbar, soit plus de 15 ordres de grandeur. L'énorme dynamique impliquée ici peut être démontrée par une analyse analogique de la mesure de la pression à vide et de la mesure de la longueur, comme illustré dans le tableau 3.1.

Tableau 3.1 Analyse par analogie de la mesure de pression du vide et de la mesure de longueur

Les instruments de mesure désignés comme jauges à vide sont utilisés pour la mesure dans cette large plage de pression. Etant donné qu'il est impossible pour des raisons physiques de construire une jauge à vide capable d'effectuer des mesures quantitatives sur toute la plage de vide, il existe toute une série de jauges à vide disponibles, chacune ayant une plage de mesure caractéristique qui s'étend généralement sur plusieurs ordres de grandeur (voir la Fig. 9.16a). Pour pouvoir attribuer les plus grandes plages de mesure possibles aux différents types de jauges à vide, il faut accepter le fait que l'incertitude de mesure augmente très rapidement, jusqu'à 100 % dans certains cas, aux limites supérieure et inférieure de la plage. Il faut donc faire la distinction entre la plage de mesure indiquée dans le catalogue et la plage de mesure pour une mesure « précise ». Les plages de mesure des jauges à vide individuelles sont limitées dans la plage supérieure et inférieure par des effets physiques.

Fig. 9.16a Plages de mesure des jauges à vide courantes

Principes fondamentaux de la mesure de basse pression

Les jauges à vide sont des dispositifs permettant de mesurer des pressions de gaz comprises entre une valeur juste supérieure à la pression atmosphérique et une valeur bien inférieure à celle-ci (DIN 28400, partie 3, 1992 édition). Souvent, l'indication de pression dépend de la nature du gaz. La mesure exacte des pressions partielles de certains gaz ou vapeurs s'effectue à l'aide d'instruments de mesure de la pression partielle fonctionnant sur le principe du spectromètre de masse (voir la section sur l'analyse des gaz et les spectromètres de masse).

Dépendance entre l'indication de pression et le type de gaz

Il faut faire la distinction entre les jauges à vide suivantes :

Instruments qui, par définition, mesurent la pression en tant que force agissant sur une zone, à savoir les jauges à vide à mesure directe ou absolues. Selon la théorie cinétique des gaz, cette force exercée par l'impact des particules sur la paroi dépend uniquement du nombre de molécules de gaz par unité de volume (densité en nombre de molécules n) et de leur température, mais pas de leur masse molaire. L'indication de l'instrument de mesure est indépendante du type de gaz. Parmi les instruments de ce type, on trouve les jauges à vide remplies de liquide et les jauges à vide mécaniques.
Instruments à mesure indirecte de la pression. Dans ce cas, la pression est déterminée en fonction d'une propriété (conductivité thermique, probabilité d'ionisation, conductivité électrique) du gaz qui dépend de la pression (ou plus exactement de la densité). Ces propriétés dépendent de la masse molaire ainsi que de la pression. L'indication de pression de l'instrument de mesure dépend du type de gaz.

Les échelles de ces instruments de mesure de pression sont toujours basées sur l'air ou l'azote comme gaz de test. Pour les autres gaz ou vapeurs, il convient de fournir des facteurs de correction, généralement basés sur l'air ou l'azote (voir le tableau 3.2). Pour une mesure précise de la pression avec des jauges à vide à mesure indirecte qui déterminent la densité numérique par l'application d'énergie électrique (mesure de pression indirecte), il est important de connaître la composition du gaz. Dans la pratique, la composition du gaz est connue uniquement de manière approximative. Dans de nombreux cas, cependant, il suffit de savoir si des molécules légères ou lourdes prédominent dans le mélange gazeux dont la pression doit être mesurée (par exemple, des molécules d'hydrogène ou de vapeur de fluide de pompage).

Tableau 3.2 Facteurs de correction

Exemple

Si la pression d'un gaz essentiellement constitué de molécules de fluide de pompage est mesurée à l'aide d'une jauge à vide à ionisation, alors la valeur de pression (s'appliquant à l'air ou au N2), comme indiqué dans le tableau 3.2, est dépassée par un facteur de 10 environ.

Mesure dans la plage de pression de vide grossier : de la pression atmosphérique jusqu'à 1 mbar

La mesure des pressions dans la plage de vide grossier peut être effectuée relativement précisément au moyen de jauges à vide à mesure directe de la pression. En revanche, la mesure de pressions inférieures, <10^-3, est presque toujours sujette à un certain nombre d'erreurs fondamentales qui limitent la précision de la mesure dès le début, de sorte qu'elle n'est pas du tout comparable au degré de précision habituellement atteint par les instruments à mesure indirecte

Pour pouvoir faire une déclaration significative sur une pression indiquée par une jauge à vide dans la plage de vide grossier, il faut d'abord tenir compte de l'emplacement du système de mesure et de la façon dont il est raccordé. Dans toutes les zones de pression où les écoulements laminaires prévalent (1 013 > p > 10^-1 mbar), il convient de noter les gradients de pression causés par le pompage. Juste devant la pompe (vue depuis le réservoir), une pression plus faible est créée que dans le réservoir. Même les composants ayant une conductance élevée peuvent créer un tel gradient de pression. Enfin, la conductance de la conduite de raccordement entre le système de vide et le système de mesure ne doit pas être trop faible, car sinon, la conduite sera évacuée trop lentement dans la zone de pression de l'écoulement laminaire et la pression indiquée sera trop élevée.

Mesure dans la plage de pression de vide moyen : de 1 mbar à 10^-3 mbar

La mesure dans la plage de vide moyen nécessite l'utilisation d'un capteur capacitif à faible échelle (tel qu'un CTR100 0.1Torr) ou, plus généralement, d'une jauge à conductivité thermique telle qu'une jauge de la série THERMOVAC (telle que la TTR91RN). Généralement dans cette plage, on commence à passer d'un écoulement de gaz laminaire à un écoulement de gaz moléculaire et, par conséquent, on doit commencer à réfléchir à l'emplacement de la jauge afin d'obtenir les meilleures performances. La précision des mesures dans cette plage est généralement de +-15 % lors de l'utilisation d'une jauge à conductivité thermique, ce qui permet d'atteindre des niveaux de précision raisonnables, mais pas aussi élevés qu'avec une jauge à mesure directe, telle qu'évoquée plus haut concernant le vide grossier.

Mesure dans la plage de pression de vide poussé et d'ultravide : de 10^-3 mbar à <10^-12 mbar

La situation est plus complexe dans le cas du vide poussé et de l'ultravide. Selon les caractéristiques spécifiques de l'installation, une pression excessivement élevée ou, dans le cas de tuyaux de mesure bien dégazés, une pression excessivement basse peut être enregistrée en raison du dégazage des parois de la jauge à vide ou d'un dégazage inapproprié du système de mesure. En cas de vide poussé et d'ultravide, l'égalisation de la pression entre le système de vide et les tuyaux de mesure peut prendre un certain temps. Une attention particulière doit toujours être portée à l'influence du processus de mesure lui-même sur la mesure de la pression. Par exemple, dans les jauges à vide à ionisation qui fonctionnent avec une cathode chaude, les particules de gaz, en particulier celles des hydrocarbures supérieurs, sont thermiquement décomposées. Cela modifie la composition du gaz. Ces effets influencent la mesure de la pression dans la plage de l'ultravide. Il en va de même pour l'épuration des gaz dans les jauges à vide à ionisation, en particulier les jauges à cathode froide (de l'ordre de 10^-2 à 10^-1 l/s). La contamination du système de mesure, les interférences des champs électriques et magnétiques, les erreurs d'isolation et les températures ambiantes trop élevées faussent la mesure de pression.

Afin de mesurer la pression dans les plages de vide moyen et poussé avec une incertitude de mesure inférieure à 50 %, la personne effectuant l'expérience doit procéder avec une extrême prudence. Les mesures de pression qui exigent une précision de quelques pour cent supposent un effort important et, très souvent, un grand déploiement d'instruments de mesure spéciaux. Cela est particulièrement vrai pour toutes les mesures de pression dans la plage de l'ultravide (p < 10^-7 mbar).

Comment choisir une jauge à vide adaptée

La plage de pression souhaitée n'est pas le seul facteur à prendre en compte quand on choisit un instrument de mesure approprié. Les conditions de fonctionnement de la jauge jouent également un rôle important. S'il faut faire les mesures dans des conditions de fonctionnement difficiles, c'est-à-dire en cas de risque élevé de contamination, de vibrations dans les tuyaux, de jets d'air, etc., l'instrument de mesure doit être robuste. Dans les installations industrielles, on utilise des jauges Bourdon, des jauges à vide à membrane, des jauges à vide à conductivité thermique, des jauges à vide à ionisation cathodique chaude et des jauges à vide Penning. Certains de ces instruments de mesure sont sensibles aux conditions de fonctionnement défavorables. Pour les utiliser au mieux, les sources d'erreurs mentionnées ci-dessus doivent être exclues autant que possible et il faut respecter leurs consignes d'utilisation.

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