Como funcionam os medidores de vácuo de pressão indireta?
Vacuômetros com leitura de pressão dependente de gás
Esse tipo de vacuômetro não mede a pressão diretamente como uma força relacionada à área, mas indiretamente através de outras variáveis físicas que são proporcionais à densidade do número de partículas e, portanto, à pressão. Os vacuômetros com leitura de pressão dependente de gás incluem: o medidor de decremento, o vacuômetro de condutividade térmica e o vacuômetro de ionização com diferentes designs.
Os instrumentos consistem no sensor real (cabeçote do medidor, sensor) e na unidade de controle necessária para operá-lo. As escalas de pressão ou os visores digitais são geralmente baseados em pressões de nitrogênio; se a pressão real pT de um gás (ou vapor) tiver que ser determinada, a pressão indicada pI deve ser multiplicada por um fator que é caraterístico para esse gás. Estes fatores diferem, dependendo do tipo de instrumento, e são apresentados em forma de tabela como fatores independentes da pressão (consulte a Tabela 3.2) ou, se dependerem da pressão, devem ser determinados com base em um diagrama (ver Fig. 3.11).
Tabela 3.2 Fatores de conexão
Fig. 3.11 curvas de calibração de medidores THERMOVAC para vários gases, com base na leitura equivalente de nitrogênio
Em geral, aplica-se o seguinte:
Pressão real pT= pressão indicada pI · fator de correção
Se a pressão for lida em uma "escala de nitrogênio", mas não corrigida, refere-se a valores "equivalentes a nitrogênio".
Em todos os vacuômetros elétricos (eles incluem vacuômetros que dependem do tipo de gás), o uso crescente de computadores levou ao desejo de exibir a pressão diretamente na tela, por exemplo, para inseri-la no local apropriado em um fluxograma do processo. Para poder usar as interfaces de computador mais padronizadas possíveis, os chamados transmissores (conversores de sinal com saídas de corrente padronizadas) são construídos em vez de um sensor e unidade de exibição (por exemplo, transmissor THERMOVAC, transmissor Penning, transmissor IONIVAC etc.). Os transmissores requerem uma tensão de alimentação (por exemplo, +24 volts) e fornecem um sinal de corrente dependente de pressão que é linear em toda a faixa de medição de 4 a 20 mA ou 0 a 10 V. A leitura de pressão não é fornecida até que esse sinal seja fornecido para o computador e o processamento pelo software apropriado e, em seguida, é exibido diretamente na tela.
Vacuômetros de condutividade térmica
A física clássica ensina e fornece confirmação experimental de que a condutividade térmica de um gás estático é independente da pressão em pressões mais altas (densidade do número de partículas), p > 1 mbar. Em pressões mais baixas, p < 1 mbar, no entanto, a condutividade térmica depende da pressão.
Diminui na faixa de vácuo médio, a partir de aproximadamente 1 mbar proporcionalmente à pressão e atinge um valor de zero na faixa de alto vácuo. Essa dependência de pressão é utilizada no vacuômetro de condutividade térmica e permite a medição precisa (dependendo do tipo de gás) de pressões na faixa de vácuo médio.
O instrumento de medição mais difundido desse tipo é vacuômetro Pirani. Um filamento de transporte de corrente com um raio r1aquecido até cerca de 100 a 150 °C (212 a 302 °F) (Fig. 3.10) emite o calor gerado nele para o gás ao seu redor através da radiação e condução térmica (bem como, é claro, para os suportes nas extremidades do filamento). Na faixa de vácuo parcial, a condução térmica por convecção de gás é praticamente independente da pressão (consulte a Fig. 3.10). Se, no entanto, a poucos mbar, o caminho livre médio do gás for da mesma ordem de grandeza que o diâmetro do filamento, esse tipo de transferência de calor diminui cada vez mais, tornando-se dependente da densidade e, portanto, da pressão. Abaixo de 10-3 mbar, o caminho livre médio de um gás corresponde aproximadamente ao tamanho do raio r2 dos tubos de medição. O filamento de detecção na cabeça do medidor forma uma ramificação de uma ponte Wheatstone.
3.10 Dependência da quantidade de calor dissipada por um filamento aquecido (raio r1) em um tubo (raio r2) a uma diferença de temperatura constante na pressão do gás (diagrama esquemático).
I Dissipação térmica devido à radiação e condução nas extremidades metálicas
II Dissipação térmica devido ao gás, dependente da pressão
III Dissipação térmica devido à radiação e convecção
Nos medidores de condutividade térmica THERMOVAC com resistência constante que são o tipo dominante hoje, o filamento de detecção também é uma ramificação de uma ponte Wheatstone. A tensão de aquecimento aplicada a esta ponte é regulada de modo que a resistência e, portanto, a temperatura do filamento permaneçam constantes, independentemente da perda de calor. Isso significa que a ponte está sempre equilibrada. Este modo de regulação envolve uma constante de tempo de alguns milissegundos para que tais instrumentos, ao contrário daqueles com resistência variável, respondam muito rapidamente às mudanças de pressão. A tensão aplicada à ponte é uma medida da pressão. A tensão de medição é corrigida eletronicamente de modo que uma escala logarítmica aproximada seja obtida em toda a faixa de medição. Os vacuômetros de condutividade térmica com resistência constante têm uma faixa de medição de 10-4 a 1013 mbar. Devido ao tempo de resposta muito curto, eles são particularmente adequados para aplicações de controle e monitoramento de pressão. Na faixa mais sensível, ou seja, entre 10-3 e 10 mbar, isso corresponde a cerca de 15% da leitura da pressão. A incerteza de medição é significativamente maior fora dessa faixa.
Como em todos os vacuômetros dependentes do tipo de gás, as escalas dos instrumentos indicadores e visores digitais no caso de vacuômetros de condutividade térmica também se aplicam ao nitrogênio e ao ar. Dentro dos limites de erro, a pressão de gases com massas moleculares semelhantes, ou seja, O2, CO e outros, pode ser lida diretamente. As curvas de calibração para uma série de gases são mostradas na Fig. 3.11.
Um exemplo extremo da discrepância entre a pressão real pT e a pressão indicada pI na medição de pressão é a admissão de ar para um sistema de vácuo com argônio de um cilindro de pressão para evitar umidade (tempo de bombeamento). De acordo com a Fig. 3.11, obteria uma leitura de pI de apenas 40 mbar ao atingir uma "pressão atmosférica de ar" pT com um THERMOVAC como instrumento de medição de pressão. O argônio pode escapar do reservatório (a tampa se abre, a campânula se eleva). Para tais aplicações e aplicações semelhantes, devem ser utilizados interruptores de pressão ou vacuômetros que sejam independentes do tipo de gás.
Vacuômetros de ionização
Os vacuômetros de ionização são os instrumentos mais importantes para medir as pressões dos gases nas faixas de alto e ultra-alto vácuo. Eles medem a pressão em termos da densidade do número de partículas proporcional à pressão. O gás cuja pressão deve ser medida entra nas cabeças do medidor dos instrumentos e é parcialmente ionizado com a ajuda de um campo elétrico. A ionização ocorre quando os elétrons são acelerados no campo elétrico e atingem energia suficiente para formar íons positivos no impacto com moléculas de gás. Esses íons transmitem sua carga para um eletrodo de medição (coletor de íons) no sistema. A corrente de íons, gerada dessa maneira (ou, mais precisamente, a corrente de elétrons na linha de alimentação do eletrodo de medição necessária para neutralizar esses íons) é uma medida da pressão porque o rendimento de íons é proporcional à densidade do número de partículas e, portanto, à pressão.
A formação de íons é uma consequência de uma descarga em uma alta intensidade de campo elétrico (catodo frio sendo o termo abrangente para a descarga de penning/magnetron invertido, consulte medição de pressão direta) ou o impacto de elétrons emitidos de um cátodo quente (o termo abrangente para Bayard-Alpert/Extrator/triodo) (consulte medição de pressão direta)
Em condições constantes, o rendimento do íon e, portanto, a corrente de íons depende do tipo de gás, já que alguns gases são mais fáceis de ionizar do que outros. Como todos os vacuômetros com uma leitura de pressão que depende do tipo de gás, os vacuômetros de ionização são calibrados com nitrogênio como o gás de referência (pressão equivalente a nitrogênio, consulte medição de pressão direta). Para obter a pressão real para gases diferentes de nitrogênio, a pressão lida deve ser multiplicada pelo fator de correção indicado na Tabela 3.2 para o gás considerado. Os fatores apresentados na Tabela 3.2 são considerados independentes da pressão, embora dependam um pouco da geometria do sistema de eletrodos. Portanto, devem ser considerados valores médios para vários tipos de vacuômetros de ionização (consulte a Fig. 3.16).
Vacuômetro de ionização de cátodo frio
Os vacuômetros de ionização que operam com descarga fria são chamados de vacuômetros de cátodo frio ou Penning/magnetron invertido. O processo de descarga em um tubo de medição é, em princípio, o mesmo que no sistema de eletrodos de uma bomba de pulverização catódica. Uma caraterística comum de todos os tipos de vacuômetro de ionização de cátodo frio é que eles contêm apenas dois eletrodos não aquecidos, um cátodo e um ânodo, Entre os quais uma chamada descarga a frio é iniciada e mantida por meio de uma tensão cc (de cerca de 2 kV), para que a descarga continue a pressões muito baixas. Isso é obtido usando um campo magnético para tornar os caminhos dos elétrons suficientemente longos para que a taxa de colisão com as moléculas de gás seja suficientemente grande para formar o número de portadores de carga necessários para manter a descarga. O campo magnético (consulte a Fig. 3.12) é disposto de modo que as linhas de força do campo magnético cruzem as linhas do campo elétrico. Dessa forma, os elétrons ficam confinados a um caminho em espiral. Os portadores de carga positiva e negativa produzidos por colisão se movem para os eletrodos correspondentes e formam a corrente de descarga dependente da pressão, indicada no medidor. A leitura em mbar depende do tipo de gás. O limite superior da faixa de medição é dado pelo fato de que, acima de um nível de vários 10-2 mbar, a descarga de cátodo frio muda para uma descarga incandescente com saída de luz intensa onde a corrente (a uma tensão constante) depende apenas em pequena medida da pressão e, portanto, não é adequado para fins de medição. Em todos os medidores de cátodo frio há uma sorção de gás consideravelmente mais alta do que nos vacuômetros de ionização que operam com um cátodo quente. Um tubo de medição de cátodo frio bombeia gases de forma como uma bomba de íons de pulverização catódica (S ≈ 10-2 l/s). Aqui, novamente, os íons produzidos na descarga são acelerados em direção ao cátodo, onde são parcialmente retidos e causam pulverização catódica do material catodo. O material catodo pulverizado forma uma película de superfície gettering nas paredes do tubo de medição. Apesar destas desvantagens, resultantes em um grau relativamente alto de imprecisão na leitura da pressão (até cerca de 50%), o medidor de ionização de cátodo frio tem três vantagens muito notáveis. Primeiro, é o mais barato de todos os instrumentos de medição de alto vácuo. Segundo, o sistema de medição é insensível à entrada repentina de ar e às vibrações; e em terceiro lugar, o instrumento é fácil de operar.
Fig. 3.12 Seção transversal do medidor PENNINGVAC PR25.
- Flange pequeno DN 25 KF; DN 40 KF
- Caixa
- Ânodo do anel com pino de ignição
- Arruela de cerâmica
- Passagem de corrente
- Bucha de conexão
- Pino do ânodo
- Placa catódica
Vacuômetros de ionização de cátodo quente
De modo geral, esses medidores referem-se a sistemas de medição que consistem em três eletrodos (catodo, ânodo e coletor de íons), onde o cátodo é um cátodo quente. Os cátodos costumavam ser feitos de tungstênio, mas agora são geralmente feitos de irídio revestido de óxido (Th2O3, Y2O3) para reduzir o trabalho de saída de elétrons e torná-los mais resistentes ao oxigênio. Os vacuômetros de ionização deste tipo funcionam com baixas tensões e sem campo magnético externo. O cátodo quente é uma fonte de elétrons de alto rendimento. Os elétrons são acelerados no campo elétrico e recebem energia suficiente do campo para ionizar o gás onde o sistema de eletrodos está localizado. Os íons de gás positivos formados são transportados para o coletor de íons, negativo em relação ao cátodo, e lá descarregam sua carga. A corrente de íons gerada é uma medida da densidade do gás e, portanto, da pressão do gás. Se i- for a corrente de elétrons emitida pelo cátodo quente, a corrente proporcional à pressão i produzida no sistema de medição é definida por:
(3.3)
(3.3a)
A variável C é a constante do vacuômetro do sistema de medição. Para o nitrogênio, esta variável é geralmente em torno de 10 mbar-1. Com uma corrente de elétrons constante, a sensibilidade S de uma cabeça do medidor é definida como o quociente da corrente de íons e da pressão. Para uma corrente de elétrons de 1 mA e C = 10 mbar-1, portanto, a sensibilidade S da cabeça do medidor é:
Os vacuômetros de ionização de cátodo quente também exibem sorção de gás (ação de bombeamento), que, no entanto, é consideravelmente menor do que com sistemas de cátodo frio, ou seja, aprox. 10-3 l/s. Essencialmente, essa sorção de gás ocorre na parede de vidro da cabeça do medidor e, em menor medida, no coletor de íons. Aqui, são usados medidores nus que são fáceis de operar porque não é necessário um ímã externo. O limite superior da faixa de medição do medidor de ionização do cátodo quente é de cerca de 10-2 mbar (com exceção dos projetos especiais). É basicamente definido pelos processos de dispersão de íons nas moléculas de gás devido ao caminho livre mais curto em pressões mais altas (os íons não atingem mais o coletor de íons = menor rendimento de íons). Além disso, descargas de arco ou brilho incontroláveis podem se formar em pressões mais altas e descargas eletrostáticas podem ocorrer em tubos de vidro. Nesses casos, a pressão indicada pI pode desviar-se substancialmente da pressão real pT.
Em pressões baixas, a faixa de medição é limitada por dois efeitos: pelo efeito de raios X e pelo efeito de dessorção de íons. Esses efeitos resultam na perda da estrita proporcionalidade entre a pressão e a corrente de íons e produzem um limiar de baixa pressão que aparentemente não pode ser cruzado (ver Fig. 3.14).
Fig. 3.14 Limite de baixa pressão aparente porque raios X em um medidor de vácuo de ionização normal.
I - Leitura de pressão sem efeito de raios X
II - Limite de baixa pressão aparente porque raios X.
III - Soma de I e II
O efeito de raios X (consulte a Fig. 3.15)
Fig. 3.15 Explicação do efeito de raios X em um medidor de ionização convencional. Os elétrons emitidos pelo cátodo C colidem com o ânodo A e desencadeiam ali uma radiação suave de raios X (fótons). Essa radiação atinge, em parte, o coletor de íons e gera fotoelétrons e–s lá.
C - Cátodo
A - Ânodo
I - Coletor de íons
Os elétrons emitidos do cátodo colidem no ânodo, liberando fótons (raios X suaves). Esses fótons, por sua vez, acionam fotoelétrons das superfícies que atingem. Os fotoelétrons liberados do coletor de íons fluem para o ânodo, ou seja, o coletor de íons emite uma corrente de elétrons, que é indicada da mesma maneira que uma corrente de íons positiva que flui para o coletor de íons. Esta fotocorrente simula uma pressão. Esse efeito é chamado de efeito positivo de raios X e depende da tensão do ânodo, bem como do tamanho da superfície do coletor de íons.
Sob certas circunstâncias, no entanto, há também um efeito negativo de raios X. Os fótons que colidem com a parede ao redor da cabeça do medidor liberam fotoelétrons ali, que novamente fluem em direção ao ânodo, e como o ânodo é uma estrutura de grade, eles também fluem para o espaço dentro do ânodo. Se a parede ao redor tiver o mesmo potencial que o coletor de íons, por exemplo, potencial de aterramento, uma parte dos elétrons liberados na parede pode alcançar o coletor de íons. Isso resulta no fluxo de uma corrente de elétrons para o coletor de íons, ou seja, uma corrente negativa flui que podem compensar a corrente de íons positivos. Esse efeito negativo de raios X depende do potencial da parede externa da cabeça do medidor.
O efeito de dessorção de íons
Os gases adsorventes podem ser dessorvidos a partir de uma superfície por impacto de elétrons. Para um medidor de íons, isso significa que, se houver uma camada de gás adsorvido no ânodo, esses gases serão parcialmente dessorvidos como íons pelos elétrons que colidem. Os íons atingem o coletor de íons e levam a uma indicação de pressão que é inicialmente independente da pressão, mas aumenta à medida que a corrente de elétrons aumenta. Se uma corrente de elétrons tão pequena for usada para que o número de elétrons incidentes na superfície seja pequeno comparado ao número de partículas de gás adsorvidas, cada elétron poderá dessorver íons positivos. Se a corrente de elétrons for então aumentada, a dessorção aumentará inicialmente porque mais elétrons colidem com a superfície. Isso finalmente leva a uma redução nas partículas de gás adsorvidas na superfície. A leitura cai novamente e geralmente atinge valores que podem ser consideravelmente mais baixos do que a leitura de pressão observada com uma pequena corrente de elétrons. Como consequência desse efeito na prática, deve-se verificar se a leitura de pressão foi influenciada por uma corrente de dessorção. Isso pode ser feito simplesmente alterando temporariamente a corrente de elétrons por um fator de 10 ou 100. A leitura para a corrente de elétrons maior é o valor de pressão mais preciso.
Além do medidor de ionização convencional, cuja estrutura de eletrodo se assemelha à de um triodo comum, existem vários sistemas de vacuômetro de ionização (sistema Bayard-Alpert, sistema extrator) que suprimem aproximadamente os dois efeitos, dependendo do projeto, e são, portanto, usados para medição na faixa de alto e ultra-alto vácuo. Hoje o sistema Bayard-Alpert é geralmente o sistema padrão.
Fig. 3.16 Desenho esquemático do arranjo de eletrodos de vários sistemas de medição do vacuômetro de ionização.
a) Sistema de vacuômetro de ionização Bayard-Alpert
b) Sistema de vacuômetro de ionização convencional.
c) Sistema de vacuômetro de ionização para pressões mais elevadas (até 1 mbar)
d) Sistema do vacuômetro de ionização do extrator
I - coletor de íons
Sc - tela
M - modulador
A - ânodo
C - cátodo
R - refletor
a) Vacuômetro de ionização Bayard-Alpert (o sistema de medição padrão usado hoje)
Para garantir a linearidade entre a pressão do gás e a corrente de íons em uma faixa de pressão tão grande quanto possível, o efeito de raios X deve ser suprimido o máximo possível. No arranjo de eletrodos desenvolvido por Bayard e Alpert, isso é obtido pelo fato de que o cátodo quente está localizado fora do ânodo e o coletor de íons é um fio fino que forma o eixo do sistema de eletrodos (consulte a Fig. 3.16 a). O efeito dos raios X é reduzido em duas a três ordens de grandeza devido à grande redução na área de superfície do coletor de íons. Quando as pressões na faixa de ultra-alto vácuo são medidas, as superfícies internas da cabeça do medidor e as conexões com o reservatório afetam a leitura da pressão. Os diversos efeitos da adsorção, dessorção, dissociação e fenômenos de fluxo não podem ser tratados neste contexto. Ao usar os sistemas Bayard-Alpert como sistemas de medição nu, que são colocados diretamente no reservatório, os erros de medição podem ser amplamente evitados devido aos efeitos mencionados acima.
b) O vacuômetro de ionização convencional
Um triodo de design convencional (consulte a Fig. 3.16 b) é usado como a cabeça do medidor, mas é ligeiramente modificada de modo que o eletrodo externo sirva como coletor de íons e a grade dentro dele como o ânodo. Com essa disposição, os elétrons são forçados a fazer caminhos muito longos (oscilando em torno dos fios da grade do ânodo) de modo que a probabilidade de colisões ionizantes e, portanto, a sensibilidade do medidor sejam relativamente alta. Como o sistema triodo geralmente só pode ser usado em alto vácuo devido ao seu forte efeito de raios X, o efeito de sorção de gás (bombeamento) e o conteúdo de gás do sistema de eletrodos têm apenas um pequeno efeito na medição de pressão.
c) O vacuômetro de ionização de alta pressão (até 1 mbar)
Um triodo é usado novamente como o sistema de eletrodos (consulte a Fig. 3.16 c), mas desta vez com um design convencional não modificado. Como o medidor foi projetado para permitir medições de pressão de até 1 mbar, o cátodo deve ser resistente a uma pressão de oxigênio relativamente alta. Portanto, ele é projetado como um catodo chamado de não burnout, que consiste em uma fita de irídio revestida com ítria. Para obter uma característica retilínea (corrente de íons como uma função linear da pressão) até uma pressão de 1 mbar, um resistor de alta resistência é instalado no circuito do ânodo.
d) Vacuômetro de ionização do extrator
Os efeitos disruptivos que influenciam a medição da pressão também podem ser amplamente eliminados por meio de um sistema íon-óptico sugerido pela primeira vez pela Redhead. Com este sistema extrator (consulte a Fig. 3.16 d) os íons do cilindro do ânodo são focados em um coletor de íons muito fino e curto. O coletor de íons é configurado em um espaço, cuja parede traseira é formada por um eletrodo em forma de copo em que é mantido no potencial do ânodo para que ele não possa ser alcançado pelos íons que emanam do espaço do gás. Devido à geometria do sistema, bem como ao potencial dos eletrodos individuais, as influências disruptivas por meio de efeitos de raios X e dessorção de íons são quase completamente excluídas sem a necessidade de um modulador. O sistema do extrator mede pressões entre 10-4 e 10-12 mbar. Outra vantagem é que o sistema de medição foi projetado como um medidor nu com um diâmetro de apenas 35 mm, para poder ser instalado em aparelhos pequenos.
Medidor de rotor giratório (SRG)
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Fig. 3.9 Corte transversal da cabeça do medidor de um medidor de rotor giratório (SRG).
- Esfera
- Tubo de medição, fechado em uma extremidade, soldado no flange de conexão 7
- Ímãs permanentes
- Bobinas de estabilização
- 4 bobinas de acionamento
- Nível de bolha
- Flanges de conexão
(3.2)
p = pressão do gás
r = raio da esfera ρ = densidade do material da esfera
c- = velocidade média das partículas de gás, dependendo do tipo de gás
σ = coeficiente de atrito da esfera, independente do tipo de gás, quase 1.
Desde que uma incerteza de medição de 3% seja suficiente, o que geralmente é o caso, pode-se aplicar σ = 1 de modo que a sensibilidade do medidor de rotor giratório (SRG) com esfera de aço rotativa seja dada pelo tamanho físico calculável da esfera, ou seja, a densidade r de raios x · ρ (veja a equação 3.2). Uma vez que uma esfera foi "calibrada", ela é adequada para uso como um "padrão de transferência", ou seja, como um dispositivo de referência para calibrar outro vacuômetro através de comparação, sendo caracterizada por uma alta estabilidade de longo prazo.
Enquanto no caso da teoria cinética dos gases com SRG, a contagem de partículas representa diretamente o princípio de medição (transferência dos pulsos de partículas para a esfera rotativa, que é, assim, desacelerada).
Com outros métodos de medição elétrica que dependem do tipo de gás, a densidade do número de partículas é medida indiretamente por meio da quantidade de calor perdida através das partículas (vacuômetro de condutividade térmica) ou através do número de íons formados (vacuômetro de ionização).
Vacuômetros combinados
Com todos os tipos de medidores acima, você está limitado na faixa que pode ser medida. Com a unidade para equipamentos cada vez menores, o espaço para ter várias portas para acomodar diferentes tipos de medidores para cobrir toda a faixa tornou-se insustentável. Portanto, agora você vê medidores com combinações para cobrir todas as faixas. Eles são normalmente Pirani/cátodo frio, Pirani/cátodo quente para cobrir a atmosfera até alto/ultra-alto vácuo. Ou você também verá medidores Pirani/Piezo, onde o piezo aumenta a precisão na extremidade atmosférica da medição.
Fundamentos da tecnologia de vácuo
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Referências
- Símbolos de vácuo
- Glossário de unidades
- Referências e fontes
Símbolos de vácuo
Um glossário de símbolos normalmente usados em diagramas de tecnologia de vácuo como uma representação visual dos tipos de bomba e peças em sistemas de bombeamento
Glossário de unidades
Uma visão geral das unidades de medida usadas na tecnologia de vácuo e o que os símbolos significam, bem como os equivalentes modernos das unidades históricas
Referências e fontes
Referências, fontes e leitura adicional relacionadas aos conhecimentos fundamentais da tecnologia de vácuo
