Come viene misurata la pressione del vuoto?

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Le pressioni misurate nella tecnologia del vuoto oggi coprono un intervallo compreso tra 2.000 mbar e 10^-12 mbar, ovvero oltre 15 ordini di grandezza. Le enormi dinamiche qui coinvolte possono essere illustrate attraverso un'analisi delle analogie tra le misurazioni della pressione del vuoto e della lunghezza, come illustrato nella Tabella 3.1.

Tabella 3.1 Analisi delle analogie tra la misurazione della pressione del vuoto e quella della lunghezza

Per la misurazione in questo ampio intervallo di pressione vengono utilizzati strumenti di misura detti vacuometri. Poiché è impossibile per motivi fisici costruire un vacuometro in grado di eseguire misurazioni quantitative nell'intero intervallo di vuoto, è disponibile una serie di vacuometri, ciascuno dei quali ha un intervallo di misurazione caratteristico che si estende di solito su diversi ordini di grandezza (vedere la Fig. 9.16a). Per poter assegnare i più ampi intervalli di misurazione possibili ai singoli tipi di vacuometri, si accetta il fatto che l'incertezza di misurazione aumenti molto rapidamente, fino al 100% in alcuni casi, ai limiti superiore e inferiore. Pertanto, è necessario distinguere tra l'intervallo di misurazione indicato nel catalogo e quello per una misura "precisa". Gli intervalli di misurazione dei singoli vacuometri nei campi superiore e inferiore sono limitati da effetti fisici.

Fig. 9.16a Intervallo di misurazione dei comuni vacuometri

Nozioni fondamentali sulla misurazione di pressioni basse

I vacuometri sono dispositivi per la misurazione di pressioni da poco sopra a ben al di sotto della pressione atmosferica (DIN 28 400, parte 3, edizione 1992). In molti casi, l'indicazione della pressione dipende dalla natura del gas. La misurazione esatta delle pressioni parziali di determinati gas o vapori viene eseguita con l'ausilio di strumenti di misurazione della pressione parziale che funzionano in base al principio dello spettrometro di massa (vedere la sezione sull'analisi dei gas e sugli spettrometri di massa).

Dipendenza dell'indicazione della pressione dal tipo di gas

È necessario fare una distinzione tra i seguenti vacuometri:

Strumenti che per definizione misurano la pressione come forza che agisce su una superficie, i cosiddetti vacuometri diretti o assoluti. Secondo la teoria cinetica dei gas, questa forza, che le particelle esercitano attraverso il loro impatto sulla parete, dipende solo dal numero di molecole di gas per volume unitario (densità del numero di molecole n) e dalla loro temperatura, ma non dalla loro massa molare. La lettura dello strumento di misura è indipendente dal tipo di gas. Tali unità includono vacuometri riempiti di liquido e vacuometri meccanici.
Strumenti con misurazione della pressione indiretta. In questo caso, la pressione viene determinata in funzione di una proprietà dipendente dalla pressione (o più precisamente, dipendente dalla densità) (conducibilità termica, probabilità di ionizzazione, conducibilità elettrica) del gas. Queste proprietà dipendono dalla massa molare e dalla pressione. La lettura della pressione dello strumento di misura dipende dal tipo di gas.

Le scale di questi strumenti di misurazione della pressione si basano sempre sull'aria o sull'azoto come gas di test. Per altri gas o vapori, è necessario fornire i fattori di correzione, generalmente basati su aria o azoto (vedere la Tabella 3.2). Per una misurazione precisa della pressione con vacuometri a misurazione indiretta che determinano la densità attraverso l'applicazione di energia elettrica (misurazione indiretta della pressione), è importante conoscere la composizione del gas. Nella pratica, la composizione del gas è nota solo con un'approssimazione di massima. In molti casi, tuttavia, è sufficiente sapere se nella miscela di gas la cui pressione deve essere misurata predominano le molecole leggere o quelle pesanti (ad esempio, idrogeno o molecole di vapore del fluido della pompa).

Tabella 3.2 Fattori di correzione

Esempio

Se la pressione di un gas essenzialmente costituito da molecole di fluido della pompa viene misurata con un vacuometro a ionizzazione, la lettura della pressione (applicata all'aria o a N2), come mostrato nella Tabella 3.2, è troppo alta di un fattore di circa 10.

Misurazione nell'intervallo di pressione del vuoto basso: dalla pressione atmosferica a 1 mbar

La misurazione delle pressioni nell'intervallo del vuoto basso può essere eseguita con relativa precisione mediante vacuometri a misurazione diretta della pressione. La misurazione di pressioni inferiori, <10^-3, d'altra parte, è quasi sempre soggetta a una serie di errori fondamentali che ne limitano la precisione fin dall'inizio. Pertanto, questa non è affatto paragonabile al grado di precisione solitamente ottenuto con strumenti a misurazione indiretta

Per misurare in modo significativo la pressione indicata da un vacuometro nell'intervallo del vuoto basso, occorre prima tenere conto della posizione e del modo in cui il sistema di misurazione è collegato. In tutte le aree di pressione in cui prevalgono i flussi laminari (1.013 > p > 10^-1 mbar), occorre tenere presente i gradienti di pressione causati dal pompaggio. Immediatamente davanti alla pompa (vista dal serbatoio), si crea una pressione inferiore rispetto a quella nel serbatoio. Anche i componenti con un'elevata conduttanza possono creare un gradiente di pressione di questo tipo. Infine, la conduttanza della linea di collegamento tra il sistema per vuoto e il sistema di misurazione non deve essere troppo piccola perché la linea verrebbe altrimenti svuotata troppo lentamente nella regione di pressione del flusso laminare e la pressione indicata sarebbe troppo alta.

Misurazione nell'intervallo di pressione di vuoto media da 1 mbar a 10^-3 mbar

La misurazione nell'intervallo del vuoto medio richiede l'uso di un sensore capacitivo a portata ridotta (come un CTR100 0,1 Torr) o, più frequentemente, di un vacuometro a conducibilità termica come i vacuometri della serie THERMOVAC (come il modello TTR91RN). In genere, in questo intervallo inizia la transizione dal flusso laminare a quello molecolare del gas e, per ottenere le migliori prestazioni, è quindi necessario iniziare a considerare il posizionamento del vacuometro. Le misurazioni in questo intervallo sono in genere +-15% quando si utilizza un vacuometro a conducibilità termica, per cui è possibile ottenere livelli ragionevoli di precisione, ma non tanto elevati quanto quelli ottenibili quando è possibile utilizzare vacuometri diretti, descritti per le condizioni di vuoto basso.

Misurazione nell'intervallo di pressione di vuoto alto e ultra alto da 10^-3 mbar a <10^-12 mbar

La situazione è più complicata in caso di vuoto alto e ultra alto. In base alle specifiche caratteristiche di installazione, potrebbero registrarsi una pressione eccessivamente elevata o, in caso di tubi di misurazione ben degasati, una pressione eccessivamente bassa a causa del degasaggio delle pareti del vacuometro o di un degasaggio inadeguato del sistema di misurazione. Nel vuoto alto e ultra alto, l'equalizzazione della pressione tra il sistema per vuoto e i tubi di misurazione può richiedere molto tempo. È necessario prestare sempre particolare attenzione all'influenza del processo di misurazione stesso sulla misurazione della pressione. Ad esempio, nei vacuometri a ionizzazione che funzionano con un catodo caldo, le particelle di gas, in particolare quelle degli idrocarburi più pesanti, vengono termicamente scomposte. Ciò altera la composizione del gas. Tali effetti svolgono un ruolo importante in relazione alla misurazione della pressione nell'intervallo del vuoto ultra alto. Lo stesso vale per la pulizia del gas nei vacuometri a ionizzazione, in particolare per quelli a catodo freddo (nell'ordine da 10^-2 a 10^-1 l/s). La contaminazione del sistema di misurazione, l'interferenza dei campi elettrici e magnetici, gli errori di isolamento e temperature ambiente eccessivamente elevate falsano la misurazione della pressione.

Per misurare la pressione negli intervalli del vuoto medio e alto con un'incertezza di misura inferiore al 50%, chi conduce l'esperimento deve procedere con estrema cautela. Le misurazioni della pressione che devono essere accurate fino a pochi percento richiedono uno sforzo notevole e, in generale, l'impiego di strumenti di misura speciali. Ciò si applica in particolare a tutte le misurazioni della pressione nell'intervallo del vuoto ultra alto (p < 10^-7 mbar).

Come scegliere il vacuometro adatto

L'intervallo di pressione desiderato non è l'unico fattore da prendere in considerazione per selezionare lo strumento di misura adatto. Anche le condizioni di funzionamento in cui il vacuometro funziona svolgono un ruolo importante. Se le misurazioni devono essere eseguite in condizioni operative difficili, ad esempio in presenza di un elevato rischio di contaminazione, non è possibile escludere le vibrazioni nei tubi, potrebbero verificarsi raffiche d'aria e altro, lo strumento di misura deve essere robusto. Negli impianti industriali vengono utilizzati vacuometri Bourdon, vacuometri a diaframma, vacuometri a conducibilità termica, vacuometri a ionizzazione a catodo caldo e vacuometri Penning. Alcuni di questi strumenti di misura sono sensibili a condizioni operative avverse. Essi devono e possono essere utilizzati correttamente solo se le cause di errore sopra citate sono escluse, per quanto possibile, e se vengono seguite le istruzioni per l'uso.

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