Como a pressão de vácuo é medida?

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As pressões medidas na tecnologia de vácuo hoje abrangem uma faixa de 2000 mbar a 10^-12 mbar, ou seja, mais de 15 ordens de magnitude. A enorme dinâmica envolvida aqui pode ser mostrada através de uma análise por comparação da medição da pressão de vácuo e da medição do comprimento, conforme descrito na Tabela 3.1.

Tabela 3.1 Análise comparativa da medição da pressão de vácuo e da medição do comprimento

Os instrumentos de medição designados como vacuômetros são usados para medição nesta ampla faixa de pressão. Como é impossível, por razões físicas, construir um vacuômetro que possa realizar medições quantitativas em toda a faixa de vácuo, uma série de vacuômetros estão disponíveis, cada um com uma faixa de medição caraterística que geralmente se estende por várias ordens de grandeza (ver Fig. 9.16a). Para poder atribuir as maiores faixas de medição possíveis a cada tipo de vacuômetro, aceita-se o fato de que a incerteza de medição aumenta muito rapidamente, até 100 % em alguns casos, nos limites superior e inferior da faixa. Portanto, deve ser feita uma distinção entre a faixa de medição indicada no catálogo e a faixa de medição para medição "precisa". As faixas de medição dos vacuômetros individuais são limitadas na faixa superior e inferior por efeitos físicos.

Fig. 9.16a Faixas de medição de vacuômetros comuns

Princípios básicos da medição de baixa pressão

Os vacuômetros são dispositivos para medir pressões de gás de um pouco acima a um nível bem abaixo da pressão atmosférica (DIN 28 400, parte 3, edição de 1992). Em muitos casos, a indicação da pressão depende da natureza do gás. A medição exata de pressões parciais de determinados gases ou vapores é realizada com o auxílio de instrumentos de medição de pressão parcial que operam no princípio do espetrômetro de massa (consulte a seção sobre análise de gás e espetrômetros de massa).

Dependência da indicação de pressão do tipo de gás

Deve ser feita uma distinção entre os seguintes vacuômetros:

Instrumentos que, por definição, medem a pressão como a força que atua sobre uma área, os chamados vacuômetros diretos ou absoluto. De acordo com a teoria cinética dos gases, esta força, que as partículas exercem através dos seus impactos na parede, depende apenas do número de moléculas de gás por volume unitário (densidade do número de moléculas n) e da sua temperatura, mas não da sua massa molar. A leitura do instrumento de medição é independente do tipo de gás. Essas unidades incluem vacuômetros preenchidos com líquido e vacuômetros mecânicos.
Instrumentos com medição de pressão indireta. Nesse caso, a pressão é determinada como uma função de uma propriedade dependente da pressão (ou mais precisamente, dependente da densidade) (condutividade térmica, probabilidade de ionização, condutividade elétrica) do gás. Essas propriedades dependem da massa molar, bem como da pressão. A leitura de pressão do instrumento de medição depende do tipo de gás.

As escalas desses instrumentos de medição de pressão são sempre baseadas em ar ou nitrogênio como gás de teste. Para outros fatores de correção, gases ou vapores, geralmente baseados em ar ou nitrogênio, deve ser fornecido (consulte a Tabela 3.2). Para uma medição precisa da pressão com vacuômetros de medição indireta que determinam a densidade numérica através da aplicação de energia elétrica (medição de pressão indireta), é importante conhecer a composição do gás. Na prática, a composição do gás é conhecida apenas como uma aproximação parcial. Em muitos casos, no entanto, é suficiente saber se predominam moléculas leves ou pesadas na mistura de gás cuja pressão deve ser medida (por exemplo, moléculas de vapor de hidrogênio ou de fluido de bomba).

Tabela 3.2 Fatores de correção

Exemplo

Se a pressão de um gás essencialmente constituído por moléculas de fluido da bomba for medida com um vacuômetro de ionização, então a leitura de pressão (que se aplicam ao ar ou N2), como mostrado na Tabela 3.2, é muito alta por um fator de aproximadamente 10.

Medição na faixa de pressão de vácuo parcial – atmosfera a 1 mbar

A medição das pressões na faixa de vácuo parcial pode ser realizada com relativa precisão através de vacuômetros com medição direta da pressão. A medição de pressões mais baixas, <10^-3por outro lado, quase sempre está sujeita a uma série de erros fundamentais que limitam a precisão da medição desde o início. Para que não seja comparável, de modo algum, ao grau de precisão normalmente alcançado com instrumentos de medição indiretos

Para poder fazer uma declaração significativa sobre uma pressão indicada por um vacuômetro em vácuo parcial, primeiro é necessário levar em conta em que local e de que maneira o sistema de medição está conectado. Em todas as áreas de pressão onde os fluxos laminares prevalecem (1013 > p > 10^-1mbar), deve-se observar os gradientes de pressão causados pelo bombeamento. Imediatamente à frente da bomba (como visto do reservatório), é criada uma pressão mais baixa do que no reservatório. Mesmo componentes com alta condutância podem criar esse gradiente de pressão. Finalmente, a condutância da linha de conexão entre o sistema de vácuo e o sistema de medição não deve ser muito pequena, pois a linha será evacuada muito lentamente na região de pressão do fluxo laminar, de modo que a pressão indicada seja muito alta.

Medição na linha de pressão de vácuo média - 1 mbar a 10^-3 mbar

A medição em vácuo médio requer o uso de um sensor de capacitância de baixa escala total (como um CTR100 0,1 Torr) ou, mais normalmente, um medidor de condutividade térmica, como os medidores da série THERMOVAC (como o TTR91RN). Geralmente, nessa faixa, você está começando a fazer a transição do fluxo de gás laminar para o molecular, portanto, você precisa começar a considerar onde o medidor está posicionado para obter o melhor desempenho. As medições nesta faixa são tipicamente +-15% ao usar um medidor de condutividade térmica, para que possa atingir níveis razoáveis de precisão, mas não tão elevados como quando você pode utilizar os medidores diretos, detalhados em vácuo parcial.

Medição na faixa de pressão de alto e ultra-alto vácuo de 10^-3mbar a <10^-12

A situação é mais complicada no caso do alto e ultra-alto vácuo. De acordo com as caraterísticas específicas da instalação, uma pressão excessivamente alta ou, no caso de tubos de medição bem desgaseificados, uma pressão excessivamente baixa pode ser registrada devido à desgaseificação das paredes do vacuômetro ou à desgaseificação inadequada do sistema de medição. Em alto e ultra-alto vácuo, a equalização da pressão entre o sistema de vácuo e os tubos de medição pode demorar muito. Sempre deve ser dada especial atenção à influência do próprio processo de medição na medição da pressão. Por exemplo, em vacuômetros de ionização que funcionam com um cátodo quente, as partículas de gás, especialmente as dos hidrocarbonetos superiores, são termicamente quebradas. Isso altera a composição do gás. Tais efeitos desempenham um papel em conexão com a medição de pressão na faixa de ultra-alto vácuo. O mesmo se aplica à limpeza a gás em vacuômetro de ionização, em particular em medidores de cátodo frio (da ordem de 10^-2a 10^-1l/s). A contaminação do sistema de medição, campos elétricos e magnéticos interferentes, erros de isolamento e temperaturas ambiente inaceitavelmente altas falsificam a medição da pressão.

Para medir a pressão nas faixas de médio e alto vácuo com uma incerteza de medição inferior a 50%, a pessoa que conduz o experimento deve proceder com extremo cuidado. Medições de pressão que precisam ser precisas em alguns porcento exigem grande esforço e, em geral, a implantação de instrumentos de medição especiais. Isto se aplica particularmente a todas as medições de pressão na faixa de ultra-alto vácuo (p < 10^-7mbar).

Como escolher um medidor de vácuo adequado

A faixa de pressão desejada não é o único fator considerado ao selecionar um instrumento de medição adequado. As condições de operação sob as quais o medidor funciona também desempenham um papel importante. Se as medições forem efetuadas em condições operacionais difíceis, ou seja, se existir um alto risco de contaminação, vibrações nos tubos não podem ser descartadas, rajadas de ar podem ser esperadas etc., então o instrumento de medição deve ser robusto. Em instalações industriais, são usados medidores Bourdon, vacuômetros de diafragma, vacuômetros de condutividade térmica, vacuômetros de ionização de cátodo quente e vacuômetros Penning. Alguns desses instrumentos de medição são sensíveis a condições operacionais adversas. Eles devem e só podem ser usados com êxito se as fontes de erros mencionadas acima forem excluídas na medida do possível e as instruções de operação forem seguidas.

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