Ciência e Tecnologia do Vácuo
Aula 7
Medidores de Vácuo
Introdução
• Atualmente a Tecnologia de Vácuo permite obter-se pressões 1019 vezes abaixo da pressão atmosférica, ou seja, ~ 10-16 Torr.• Nenhum medidor pode cobrir toda esta faixa de pressão. Na prática usa-se diferentes medidores para diferentes faixas de pressão.
A unidade Torr
Hg
1 mm p = 1 Torr
Hg
1 mm p = 1 Torr
Faixas de Pressão / Custo
Tipos de Medidores1 - Medidores Mecânicos• Medidor Bourdon• Medidor de Diafragma• Medidor de Membrana Capacitiva2 - Medidores de Colunas de Líquidos• Manômetro em U• Manômetro Inclinado3 - Medidores de Condutividade Térmica• Medidor Pirani• Medidor a Termopar4 - Medidores de Ionização• Medidor de Cátodo Quente• Medidor de Cátodo Frio
Princípio Físico de Operação
Medidores Princípio
•Mecânicos•Coluna líquida
Força produzida pelo gás sobre uma superfície
•Condutividade térmica Variação da condutividade térmica do gás
•Ionização Corrente iônica do gás ionizado
Escolha do Medidor
Para cada uso pode haver mais de um medidor. Para escolher o mais adequado deve-se considerar:
A região de pressão para o qual o medidor é desejado
Se a leitura do medidor depende da natureza do gás,
A precisão da medida desejada
Medidor Bourdon
http://www.mspc.eng.br/fldetc/press_120.shtml http://www.amperesautomation.hpg.ig.com.br/temp.html
Manômetro Barometricamente Compoensado
Medidores de Coluna Líquida
Tubo em U• Aberto:
• Fechado:
s atmp p g h ρ - densidade do líquidog - aceleração da gravidadeh - diferença entre níveis
sp gh
Medidores de Coluna Líquida
Tubo em U• Inclinado
sensp gh
McLeod Larga faixa de operação Inadequado para operação de rotina Sendo um medidor absoluto de pressão, é útil para a calibração de outros medidores. Medidas errôneas se houver condensação do gás durante o processo de compressão
•Faixa de operação: 100 à 10-6 Torr•Precisão: 1 Torr
McLeod
Medidores de Condutividade Térmica
O príncipio físico deste tipo de medidor é a capacidade de condução de calor em um gás, que varia com sua pressão.• A troca de calor gera:
– Variação na resistência elétrica do filamento (medidor Pirani)
– Variação na temperatura do filamento (medidor a Termopar)
filamento
gás
calor
filamento
gás
calor
Medidor Pirani• A pressão do gás é proporcional a resistência elétrica do filamento. Para a medida da resistência usa-se uma ponte de Wheatstone, figura abaixo. Na prática mede-se a tensão elétrica da ponte.
Medidor Termopar
• A pressão do gás é proporcional à temperatura do filamento, a qual é medida por um termopar.
V
ivácuo
V
ivácuo
Curva de Calibração para Medidores de Condutividade Térmica
Medidores de ionização
• Utiliza-se como princípio de operação a medida da corrente iônica do gás, que é proporcional à pressão.Os íons do gás são gerados por:
– choque com elétrons provenientes de um fio aquecido
(medidor de cátodo quente)– descarga elétrica entre eletrodos à alta tensão
(medidor de cátodo frio)
Medidor de cátodo quente(tipo Schulz e Phelps)
+ íons
moléculas
elétrons
++ íons
moléculas
elétrons
i
++
++
+
(+)
(-)
coletor de elétrons
coletor de íons
vácuo
i
+++
++
+
(+)
(-)
coletor de elétrons
coletor de íons
vácuo
faixa de operação: 1 à 10-5 Torr
Medidor de cátodo quente• O filamento emite elétrons
(efeito termoiônico)• Os elétrons geram íons por
choques com as moléculas do gás
• Os íons dirigem-se a placa inferior, gerado uma corrente i+
• i+ - corrente de íons• i- - corrente de elétrons• s - sensibilidade do
medidor (depende do gás)• p - pressão do gás
i s i p p = pressão em mbar
i+ = corrente iônica
i- = corrente eletrônica (cte)
faixa de operação: 10-3 à 10-8 Torr
Cátodo quente com grade
(-)
(+)
filamento
coletor de íons grade
(-)
(+)
elétrons
Cátodo quente com grade
• A presença de grade faz com que os elétrons se movimentem em trajetórias oscilantes, antes de serem coletados pela mesma. Isto acarreta uma maior probabilidade de choques com as moléculas e portanto uma maior corrente de ionização i+. Consequentemente a faixa de operação do medidor aumenta.
• Problema:– O choque dos elétrons com a grade
gera radiação de raios-X, que ao atingir a placa coletora emite elétrons secundários. A corrente total será então:
final raios Xi i i
(+)
filamento
coletor de íons
grade
(-)
Solução: Bayard-Alpert
Medidor de cátodo frioPenning
• Alta tensão (2 kV):• ioniza as moléculas do gás
(íons +)
• Íons +:• chocando-se com o cátodo
emitem elétrons secundários
• Imã:• obriga os elétrons secundários
a fazerem trajetórias curvas dirigindo-se para o ânodo, aumentando a probabilidade de colisão dos elétrons e as moléculas do gás.
(-)
(+)
2 kV
imã
imã
vácuoânodo
cátodo (-)
(+)
2 kV
imã
imã
vácuoânodo
cátodo
imã imã
(-) (+) (+)(-)
B B B B
faixa de operação: 10-3 a 10-7 Torr
Medidor de cátodo frioKlemperer
Medidor “Strain”Stress ou Tensão
Medidor de Membrana Capacitivo• A variação da pressão
causa uma deflexão em uma membrana sensível e consequentemente uma variação na capacitância do capacitor composto de uma placa fixa e da membrana sensora
• A medida da variação da capacitância é feita por um circuito oscilador LC
Faixa de operação: 760 a 10-6 Torr
Medidor de Membrana CapacitivoCaracterísticas princípais:
• Independe da natureza do gás• larga faixa de operação• alta sensibilidade• longa vida útil• fácil instalação e uso
Como conectar um sensor numa
câmara de vácuo.
Errado Correto
Válvulas de Vácuo
Diafragma e Ventilação
Válvula Agulha
Válvula ¼ de volta
Válvula Rápida
Válvula Gaveta
Conexões
Conexões• Todo sistema de vácuo possui muitas conexões de
interligação entre diversas partes: bombas, tubulação, câmara, sensores, etc...
• Esses elementos do sistema podem ser conectados com diversos tipos de conexões, sempre com o objetivo de impedir vazamentos de gás para dentro do sistema.
• Duas conexões (flanges) com superfície muito bem polida comprimidas uma contra a outra deixa entre ambas canais micrométricos que constituem caminhos de vazamento no sistema de vácuo.
Conexões• Nas partes desmontáveis de um
sistema de vácuo, no intervalo de pressões desde atmosférica até 10-
7 mbar, normalmente se utiliza O’rings como elemento de vedação.
• Os o’rigns são feitos de “elastômero” o qual é comprimido entre duas superfícies polidas de modo a vedar a conexão.
• A compressão do o’ring é feita comprimindo-se as conexões uma contra a outra, utilizando-se parafusos ou braçadeiras.
Canais de O’ring
• O perfil de uma conexão para acomodação de um o’ring pode ser:
retangular, cônico ou trapezoidal
Canal Retangular
2
4dAB k
(a) B=0,7d ; A=1,4d
(b) B=0,7d ; A=d ; C=0,32 d
(c) idem (a)
k=volume morto=0,72
Canal Trapezoidal
a) Esta simetria prende o o’ring ao canal e impede que o mesmo se solte quando em manutenção
C/d = 0,8 ; A/d = 0,9b) e c) são de mais fácil manutenção
Canal Cônico
• A = 1,32 d
Vedação de haste (shaft)
• Este tipo de conexão é ideal para elementos tubulares passantes entre região interna e externa à câmara
Vedação de haste - Dimensões
Tipos de canais de O’rings
Conexões - Flanges
• Uma flange é uma parte da união de uma conexão de um sistema de vácuo.
• Existem basicamente três tipos de flanges:
NW, ISO, CF
Anéis de Centragem