Come funzionano i vacuometri a pressione diretta?
Vacuometri con lettura della pressione indipendente dal tipo di gas
I vacuometri meccanici misurano la pressione direttamente, registrando la forza che le particelle (molecole e atomi) presenti in uno spazio riempito di gas esercitano su una superficie grazie alla loro velocità termica.
Vacuometri Bourdon
L'interno di un tubo piegato in un arco circolare (chiamato tubo Bourdon) (3) è collegato al serbatoio da svuotare (Fig. 3.2). Grazie all'effetto della pressione dell'aria esterna, l'estremità del tubo viene deflessa in misura maggiore o minore durante l'evacuazione e viene azionato il meccanismo del puntatore collegato (4) e (2). Poiché la lettura della pressione dipende dalla pressione atmosferica esterna, essa è accurata solo fino a circa 10 mbar, a condizione che la variazione della pressione atmosferica ambiente non venga corretta.
Fig. 3.2 Sezione trasversale di un vacuometro Bourdon.
- Tubo di collegamento alla flangia di collegamento
- Puntatore
- Tubo Bourdon
- Sistema a leva
Vacuometri a diaframma
Vacuometri a capsula
Il design più noto di un vacuometro a diaframma è quello di un barometro con una capsula aneroide come sistema di misurazione. Contiene una capsula con diaframma a pareti sottili, svuotata e sigillata ermeticamente, realizzata in lega di rame-berillio. Quando la pressione diminuisce, il diaframma della capsula si espande. Questo movimento viene trasmesso a un punto da un sistema a leva. Il vacuometro a capsula, progettato in base a questo principio, indica la pressione su una scala lineare, indipendentemente dalla pressione atmosferica esterna.
Vacuometro a diaframma DIAVAC
Per livelli inferiori a 50 mbar, spesso è richiesta la lettura della pressione più accurata possibile. In questo caso, è più adatto un vacuometro di tipo diverso, il vacuometro a diaframma, ovvero il DIVAC, la cui scala di pressione è notevolmente estesa tra 1 e 100 mbar. La sezione interna in cui si trova il sistema di leve (2) della testa del vacuometro (vedere Fig. 3.3) viene svuotata a una pressione di riferimento inferiore a 10-3 mbar. La chiusura del serbatoio è rappresentata da un diaframma corrugato (4) di acciaio speciale. Fino a quando il serbatoio non viene svuotato, il diaframma viene premuto saldamente contro la parete (1). All'aumentare dello svuotamento, la differenza tra la pressione da misurare px e la pressione di riferimento diminuisce. All'inizio, il diaframma si piega solo leggermente, ma poi, al di sotto di 100 mbar, la flessione aumenta. Con il DIAVAC, la deflessione del diaframma viene ancora trasmessa a un puntatore (9). In particolare, l'intervallo di misurazione tra 1 e 20 mbar viene notevolmente esteso, in modo da poter leggere la pressione con precisione (fino a circa 0,3 mbar). La sensibilità alle vibrazioni di questo strumento è un po' più elevata rispetto a quella del vacuometro a capsula.
Fig 3.3 Sezione trasversale del vacuometro a diaframma DIAVAC DV 1000.
- Piastra di base
- Sistema a leva
- Flangia di collegamento
- Diaframma
- Pressione di riferimento pref
- Estremità pizzicata
- Foglio lucidato
- Foglio in plexiglass
- Puntatore
- Vetro
- Piastra di montaggio
- Alloggiamento
I vacuometri a capsula misurano la pressione con precisione fino a 10 mbar (a causa della scala lineare, sono meno precisi sul lato bassa pressione della scala). Se si devono misurare solo pressioni inferiori a 30 mbar, si consiglia di utilizzare il sistema DIAVAC perché la lettura (vedere sopra) è notevolmente più accurata. Per requisiti di precisione di misurazione estremamente elevati, è necessario utilizzare vacuometri a diaframma di precisione. Se devono essere misurate con precisione pressioni basse e per questo motivo viene selezionato un intervallo di misurazione, ad esempio, fino a 100 mbar, non sarà più possibile misurare pressioni più elevate poiché questi vacuometri hanno una scala lineare. Tutti i vacuometri meccanici sono in qualche misura sensibili alle vibrazioni. Le piccole vibrazioni, come quelle che si verificano in caso di collegamento diretto a una pompa primaria, non sono generalmente dannose.
Vacuometri a diaframma a deformazione/piezoelettrici
La deflessione di un diaframma può essere misurata anche elettricamente come "deformazione" o come variazione della capacità. In passato, quattro estensimetri, la cui resistenza varia quando il diaframma viene deflesso, ossia sotto un carico di trazione, venivano montati su un diaframma metallico in un circuito a ponte. Alla Leybold, a tali strumenti è stata attribuita una denominazione speciale, ovvero MEMBRANOVAC. Successivamente, sono stati utilizzati diaframmi in silicone che portavano quattro di questi "estensimetri" direttamente sulla loro superficie. La configurazione elettrica consisteva ancora una volta in un circuito a ponte con un flusso di corrente costante verso due punti in angoli opposti, mentre un segnale di tensione lineare proporzionale alla pressione veniva rilevato negli altri due angoli. La Fig. 3.4 illustra il principio di questa configurazione. Tali strumenti venivano detti PIEZVAC e, attualmente, unità DI/DU2000 e sono ancora in uso in molti casi.
Fig. 3.4 Sensore piezoelettrico (schema di base)
Vacuometri a diaframma capacitivi
La misurazione della deformazione nell'ambito di un circuito a ponte consente di ottenere elevati livelli di precisione, ma ha un campo limitato. Un metodo più avanzato è quello in cui la deflessione del diaframma viene misurata come variazione della capacità di un condensatore a piastre: un elettrodo è fisso, l'altro è formato dal diaframma. Quando il diaframma viene deflesso, la distanza tra gli elettrodi e, di conseguenza, la capacità del condensatore, viene alterata. La Fig. 3.5 illustra il principio di questa configurazione, utilizzata nella gamma CEREVAC CTR. Si fa distinzione tra sensori con diaframmi metallici e con diaframmi in ceramica. I vacuometri a diaframma capacitivi vengono utilizzati dalla pressione atmosferica a 1 · 10-4 mbar (al di sotto di 10-4 mbar l'incertezza di misurazione aumenta rapidamente). Per garantire una deflessione sufficiente dei diaframmi a pressioni così basse, per i vari livelli di pressione vengono utilizzati diaframmi di spessore variabile. In ogni caso, la pressione può essere misurata con i sensori con una precisione di 3 potenze di dieci:
Da 1.000 a 1 Torr
Da 100 a 10-1 Torr
Da 10 a 10-2 Torr
Da 1 a 10-3 Torr
Da 10-1 a 10-4 Torr
Per aumentare ulteriormente i livelli di precisione, è anche possibile riscaldare la cella capacitiva. In questo caso, la cella capacitiva è fortemente isolata rispetto alla temperatura ambiente e un piccolo filamento riscaldante la riscalda a una temperatura prefissata. Ciò consente di eliminare qualsiasi variazione dovuta alle fluttuazioni della temperatura ambiente. Questo metodo viene impiegato anche quando si utilizzano gas che non si desidera si condensino all'interno del vacuometro, con la conseguente creazione di un punto freddo nel sistema.
Fig 3.5 Sensore capacitivo (schema di base)
Se le pressioni da misurare superano questi intervalli limite, si consiglia di utilizzare un'unità multicanale con due o tre sensori.
Il vacuometro a diaframma capacitivo rappresenta quindi, per tutti gli scopi pratici, l'unico strumento di misurazione della pressione assoluta indipendente dal tipo di gas progettato per pressioni inferiori a 1 mbar. Oggi sono disponibili due tipi di sensori capacitivi:
- DI/DU 200
- CTR100N/101N
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