Introducción
Es un placer para nosotros seguir ofreciendo este breve artículo sobre la medición del vacío. A lo largo de los años ha ayudado a muchos expertos en ciernes a obtener un primer conocimiento real de "cómo medir nada". Durante más de 80 años, Televac® ha desarrollado una línea de sensores de diafragma, termopar, convección, cátodo frío e iones calientes, junto con un medidor activo de alta fiabilidad e instrumentación de control para proporcionar salidas analógicas y digitales fáciles de usar junto con una visualización de las lecturas de vacío. Los productos Televac® combinan la tecnología más avanzada con técnicas de medición de vacío bien probadas para ofrecer las mejores soluciones de medición de vacío del mercado (al menos eso creemos). Ahora que nuestro argumento de venta está fuera de lugar, esperamos que el resto de nuestro artículo le resulte agradable e informativo.
Prólogo: No te saltes esto...
Se han escrito muchos artículos científicos sobre la medición del alto vacío, artículos que pueden dejar al ingeniero de vacío industrial algo atónito. Esperamos cambiar todo eso. Este artículo fue escrito por un profano, para profanos, y en términos de profanos. Está dirigido a los afortunados que participan en los procesos de producción de vacío y no están familiarizados con la desconcertante variedad de términos que describen estos procesos, tales como micrones, conductividad térmica, gas residual, termopares, ionización... Sé que podríamos seguir y seguir. Estas personas son los futuros técnicos que quizás, algún día, comprarán sus vacuómetros a la excelente compañía (ahí va de nuevo el argumento de venta) que les dio esta obra maestra de logro literario. Si este artículo no ayuda, recomendamos de corazón la Tecnología de Vacío de Alexander Roth. Aquí encontrará toda la "carne" que probablemente le gustaría digerir.
Mucho ruido y pocas nueces, o, ¿quieres medir el vacío?
Un artículo de hace un tiempo en Chemical and Engineering News afirmaba en su título "Los químicos son pésimos oradores". Entre otras observaciones, el artículo señalaba que, con demasiada frecuencia, los documentos técnicos presentados en diversos simposios y reuniones están completamente desprovistos de toda apariencia de humor. El autor, Carl J. Koenig, señala el dicho: "Una pequeña tontería de vez en cuando es saboreada por los hombres más sabios". También cita uno de los proverbios para los jóvenes ingenieros originado por Philip W. Swain, editor de Power: "Para aprender a hacer un buen discurso, asiste a una típica reunión de la sociedad de ingenieros. Fíjese en cómo se presentan los trabajos. Luego ve y haz lo contrario".
Koenig cuenta la historia de escuchar a un científico presentar una tesis sobre la detección de fugas en un sistema de alto vacío. Este científico afirmó que habían pasado horas y horas buscando una fuga en un sistema y finalmente llegó a la conclusión de que la mejor manera de localizar la fuga sería llenar todo el sistema con azúcar y observar por dónde se arrastraban las hormigas. Esta brillante sugerencia levantó la nube de aburrimiento de la habitación y después de una risa sincera, todos se acomodaron para disfrutar de un nuevo discurso sobre el tema de la detección de fugas.
Teniendo en cuenta este consejo, hemos intentado inyectar una nota de humor a lo largo de las páginas de este artículo y confiamos en que aliviará algo de la monotonía que suele encontrar el lego en la revisión de un tema técnico. Si no puede detectar el humor, llámenos y le aconsejaremos dónde puede comprar lo último en instrumentación de detección electrónica de chistes.
Las controversias que se han desarrollado sobre el problema de medir más y más de menos y menos sólo han sido superadas por la proverbial cuestión del huevo o la gallina. Este pequeño tratado, por lo tanto, debería producir uno de dos efectos: o bien responderá a muchos de los llamados "cuestionables vacíos" en su mente, o bien le dejará con un vacío cuestionable en su llamada mente. Todo el mundo ha oído la frase gastada, "La naturaleza aborrece el vacío". Pero esa es una afirmación muy injusta porque, dentro de las 500 millas de donde usted se sienta con este artículo, existe una vasta extensión de vacío que se estima que es de alrededor de 10-10 Torr. Eso es sólo 500 millas, en línea recta! El Dr. Dushman de GE tenía un ingenioso plan para obtener ese maravilloso vacío aquí en la Tierra. "Todo lo que tienes que hacer", dijo el doctor, "es construir una tubería hermética, en línea recta, y llevar el vacío directamente a tu planta". Gran idea Doc, pero vayamos a la tierra, y a trabajar.
Ahora, antes de poner los pies en tierra firme, necesitamos saber dónde queremos estar. Es triste pero cierto que a menudo caemos felizmente en nuestra propia rutina y no vemos o entendemos el punto de vista del otro. Así que, parece que cuando hablamos de vacíos. Joe Doaks habla de un vacío de 27 pulgadas, mientras que su hermano Oakie dice que es un vacío de 76 milímetros. A continuación viene su primo, Mairzy Doats, que lo llama un vacío de 76.000 micrones, mientras que Dosey dice que es una décima parte de la atmósfera. El pequeño Lamsey Divey se une al debate y dice que en realidad es 76 Torr y que cuando la Organización Internacional de Normalización (ISO) se salga con la suya, será de unos 100 milibares o 10.000 pascales. Como todos son parientes, se produce una discusión que continúa a lo largo de las generaciones. Veamos si podemos determinar la puntuación y ver quién gana.
Volvamos a la escuela por un minuto para una corta sesión cuando aprendiste que la atmósfera de la Tierra, bajo condiciones normales al nivel del mar, ejerce una presión de 15 libras por pulgada cuadrada (eso es 14.696 libras/pulgada2 para tus cortadores de pelo). No sentimos esta presión porque los humanos evolucionaron de manera que también ejercemos 15 libras por pulgada cuadrada internamente, y por lo tanto las dos presiones están igualadas. Pero a grandes altitudes, las hemorragias nasales son comunes porque nuestra presión interna excede la presión atmosférica externa y si vamos demasiado alto, es probable que explotemos.
Ya que estamos en la escuela, ahora haremos un experimento. Por favor, miren el tubo de vidrio que se muestra a la izquierda. Asumiremos que la longitud del tubo (AB) es mayor de 30". Ahora echaremos mercurio en el extremo abierto y llenaremos todo el tubo. Luego, con cuidado, sosteniendo el dedo índice de su mano derecha sobre el extremo abierto, voltee el tubo al revés
a una posición vertical invertida e insertarla en un depósito que contenga mercurio como se muestra a la derecha. Coloca el extremo abierto bajo la superficie del mercurio en el depósito (o pozo). Retire el dedo.
¿Se agotará el mercurio en el suelo? No, porque la presión atmosférica ejercida sobre el mercurio en el pozo soportará una columna de mercurio de 30 pulgadas de alto. Esto se conoce como un manómetro de mercurio "tipo pozo". Aquí es donde nos ponemos técnicos. En realidad, en condiciones normales la columna soportada será de 29,92126 pulgadas, pero 30" es
lo suficientemente cerca para cuando estés midiendo el vacío con una vara de medir. Tampoco sugerimos intentar este experimento en casa - el mercurio es muy malo para usted y para el medio ambiente.
Con nuestro montaje experimental, la atmósfera está ejerciendo una presión sobre la superficie del mercurio en el pozo que soporta la columna de 30". Ahora, si todo este aparato estuviera encerrado en una cámara hermética y comenzáramos a bombear el aire, naturalmente reduciría la presión en la superficie del mercurio en el pozo, por lo que la columna de mercurio en el tubo comenzaría a caer.
Por eso, cuando la columna de mercurio del meteorólogo, o barómetro, como él lo llama, cae a 27", es mejor que cierres las escotillas y traigas al gato, porque te espera un golpe. Significa que se ha creado un vacío de 3" en su vecindad y el aire circundante de las zonas de mayor presión se precipitará donde otros temerían pisar.
Aquí es donde una explicación de la controversia sobre la terminología podría ser útil. Si tenemos un vacío de 3", significa que la columna de 30" se bajará 3" y dejará una columna de mercurio de 27" de altura. En realidad, en términos de tecnología de vacío real, no es un vacío en absoluto. Se han desarrollado instrumentos conocidos como "calibres de tiro" que miden los "vacíos" que entran en esta categoría. Se utilizan para medir la corriente de aire o la succión creada por fenómenos como la elevación de la columna de aire. Estos medidores son útiles para medir el tiro en las chimeneas y se utilizan para ayudar a determinar la eficiencia de la combustión de los hornos, así como otros procesos.
Ahora, mucha gente está interesada en ahorrar dinero, y mercurio, y no están particularmente preocupados por duplicar la precisión del tubo recto de 30". Con el fin de poner en práctica estas tendencias frugales, se creó el conocido tubo en U de mercurio.
Aquí, por cada cambio de 1" en el vacío, la columna de mercurio del lado derecho del tubo en U se eleva ½" y la columna del lado izquierdo se baja ½", con el resultado de que los niveles de mercurio en las dos columnas se acercan 1" entre sí. Así, un vacío "perfecto" se indicará cuando el mercurio de la columna derecha haya subido 15" y el mercurio de la columna izquierda haya bajado 15" para que los niveles de las dos columnas sean iguales. Este es un vacío de 30".
El tubo en U todavía requiere un tubo de 30 pulgadas de alto. Si el ingeniero está interesado principalmente en el mejor vacío, se puede utilizar un tubo en U más corto, que sólo entrará en escala cuando se haya alcanzado el vacío indicado por el límite superior del medidor. Por lo tanto, un tubo en U de 6" de alto no entrará en la escala hasta que se obtenga un vacío de 24". Antes de eso, el ingeniero sólo puede esperar que las bombas de vacío funcionen satisfactoriamente.
Con esta edición de bolsillo de la columna de mercurio, también nos encontramos con una confusión de terminología. Por ejemplo, "¿Qué es un vacío de 3", está a 3" del cero absoluto o a 3" del cero atmosférico?" Si te quedas con nosotros, nos esforzaremos por aclarar este lío.
A algunas personas no les molesta el tamaño, y para obtener una mayor precisión sustituyen el mercurio por aceite, ya que el aceite tiene una gravedad específica conocida. Así, es posible aumentar la longitud de la columna de 30" y obtener lecturas más precisas. Si utilizáramos petróleo, que pesa 1/10 de lo que pesa el mercurio, la presión atmosférica soportaría el equivalente a diez columnas de 30" - o una sola columna de 300" de altura. Entonces un cambio de 1", medido por una columna de mercurio, se indicaría con un cambio de 10" en el manómetro de petróleo.
En los casos en que se produzcan pequeños cambios en la corriente de aire, es aconsejable referirse al vacío en términos de pulgadas de agua en lugar de pulgadas de mercurio. Un cambio de 1" en una columna de agua equivale a un cambio de 1" de aproximadamente 0,07" en una columna de mercurio de 30". Por lo tanto, la terminología del vacío "pulgadas de agua" es simplemente un refinamiento o aumento de "pulgadas de mercurio".
Para obtener una mayor precisión, el tubo suele estar montado en un plano inclinado, como se muestra en el dibujo de la derecha. Nótese que, al usar este sistema, un cambio de 1" en el vacío se extendería a lo largo de una longitud de 3" del tubo inclinado.
Con este método se pueden obtener precisiones del orden de 0,01" de agua (es decir, 0,0007" de mercurio), lo que proporciona indicaciones muy precisas de pequeños cambios. No olvide, sin embargo, que los manómetros de mercurio también se utilizan para medir vacíos relativamente altos, porque son adaptables en todo el rango de 0" a 30".
Pero aún no hemos visto nada, ya que un vacío en términos de unos pocos centímetros de agua no es realmente un vacío, bajemos la escala un poco más cerca de la nada. Mencionamos anteriormente que un vacío de 3 pulgadas (-3" de presión) bajaría la columna de mercurio de 30 pulgadas a 3 pulgadas netas y que por lo tanto la columna de mercurio se mantendría a 27 pulgadas de altura. A partir de esto, podemos entender fácilmente que si el vacío continúa mejorando hasta que la presión ejercida sobre la superficie del mercurio en el pozo ya no soporte ningún mercurio en la columna, hemos alcanzado un "alto vacío" de 30" (-30" de presión manométrica).
Es en este rango de 30" (o 0 Torr) donde se producen la mayoría de las controversias sobre la terminología del vacío. Vamos a tomarlo con calma y a sangrar un poco de aire en nuestra cámara de vacío de 30" y levantar la columna de mercurio ½" para que ahora tengamos un vacío de 29 ½". Esto se considera "vacío tosco" o "alto vacío" en muchas aplicaciones industriales. Probaremos más tarde que todavía no hemos visto nada.
En el rango de 29" a 30" del vacío, solemos cambiar la terminología al sistema métrico. Entonces, midiendo el ½" desde la línea de cero absoluto (vacío "perfecto"), encontramos que nuestro vacío de 29 ½" es también una presión (o vacío) de 12,7 mm (1/2" = 12,7 mm). Obsérvese que la escala está ahora invertida y es probable que alguien esté de pie sobre su cabeza. En términos de pulgadas de mercurio, 0 normalmente significa presión atmosférica (vacío cero) y 30" es un vacío perfecto (presión manométrica de -30").
Pero en términos de milímetros, la presión 0 es el vacío perfecto (el cero absoluto), y todas las mediciones se realizan desde este punto de referencia. La presión atmosférica, por supuesto, es 760 mm (+29,92126" de presión absoluta), y por lo tanto 76mm equivale a 1/10 de atmósfera (¿recuerdas a nuestro viejo amigo Dosey Doats?) Conformémonos con el hecho de que, en nuestro caso particular, tenemos un vacío de 29 ½" en términos de mercurio y al mismo tiempo tenemos un vacío de 12,7 mm en términos de milímetros de mercurio. Algunos, reacios a utilizar el sistema métrico, se pondrán de perfil y argumentarán que también tenemos un vacío de 1/2". Por desgracia, también tienen razón.
La mayoría de la industria ha aceptado el término "Torr" (en honor a Torricelli) para los milímetros de mercurio. Micrón (una milésima de milímetro) se expresa así como milliTorr. Como ya se ha mencionado, para que este tratado no quede obsoleto antes de que sea ampliamente difundido, debemos mencionar que puede adoptarse a regañadientes (al menos por nosotros) una escala totalmente diferente que puede llamarse milibar o Pascal (en reconocimiento de otro científico desaparecido hace mucho tiempo). Esta última tiene tanta relación con el milímetro o Torr como el metro con el patio. Sólo en caso de que tengas curiosidad por lo que viene, 30" = 760 mm = 760 Torr; pronto verás que también es igual a 1 bar o 1.000 milibares. ¡Aguanta!
A veces los ingenieros de vacío están cegados por sus propias y estrechas categorías y prácticas y por lo tanto no pueden comprender de qué habla el otro. ¿Sigues con nosotros? Si no es así, vea la fotografía en la siguiente página, debería aclarar las cosas.
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Ya que ahora están todos enderezados sobre el vacío en términos de pulgadas y milímetros de mercurio y Torr, los transferiremos al departamento de micrones, donde podrán comprender más de cerca el verdadero significado de la nada. Antes de entrar en este reino, sin embargo, podría ser útil mencionar algunos otros tipos de medidores que se utilizan convencionalmente para indicar los vacíos en el rango de 0 a 30 pulgadas.
Muchos se oponen a los tubos de manómetro de vidrio de 30": su fragilidad y la presencia de mercurio incomodan a algunas personas. Además, el Gran Hermano de Washington -la OSHA- considera que la presencia de mercurio en un entorno de fabricación es un peligro. Se puede obtener una precisión suficiente para muchos propósitos utilizando un instrumento más robusto que indica el vacío en un dial. Estos instrumentos de tipo dial funcionan con uno de estos sistemas diferentes: el tubo de Bourdon, el fuelle o el diafragma. Todos estos dispositivos utilizan el mismo principio básico de que una presión cambiante expande, contrae, tuerce o distorsiona de alguna manera el elemento de medición, que luego se vincula a una aguja indicadora que barre el dial. La principal desventaja de este tipo de manómetros es que los cambios en la presión atmosférica y la temperatura actúan como "bichos" en el sistema: deben compensarse para mantener indicaciones precisas.
Hay otro "bicho": la histéresis. Es la tendencia de cualquier material a no volver a su forma o posición original después de haber sido distorsionado. A menos que el material utilizado en la construcción de los elementos y mecanismos de accionamiento sean cuidadosamente elegidos, una distorsión se desarrollará gradualmente y terminará con una lectura errónea. Antes de que te des cuenta - ¡histéresis!
Los problemas que plantean los cambios de presión atmosférica pueden superarse con bastante facilidad evacuando los elementos de medición sensibles a un alto vacío. Así, cualquier aumento de la presión por encima del cero absoluto daría la indicación o el movimiento deseado del elemento. Sin embargo, los medidores de este tipo son sensibles a las sobrepresiones, y un repentino aumento accidental de la presión por encima de la atmósfera es probable que cause daños.
Gracias a la moderna electrónica basada en microprocesadores, se ha desarrollado un medidor de tipo diafragma que sirve bastante bien para un rango de hasta 1 Torr (o 1 mm de mercurio). (Siento que se aproxima otro lanzamiento de ventas). Además, lo hace con una precisión de ±1 Torr, y toma una sobrepresión de hasta 30 psi. Por cierto, llamamos a este pequeño milagro de la tecnología de medición de vacío el medidor de vacío de diafragma piezoeléctrico Televac® 1E.
Veamos ahora... ¿dónde estábamos? - ¡Oh, sí! - Estábamos a punto de graduarte en el departamento de micrones. Habíamos explicado que esta confusión me recuerda la historia de los cuatro ciegos y el elefante. Cuando les presentaron a Jumbo, todos se acercaron para sentir al animal y determinar cómo era. Uno agarró la pata del elefante y argumentó que el elefante era como un árbol. Otro puso sus guantes en la trompa del elefante y argumentó que el animal era como una serpiente. El tercer hombre estaba de pie al lado del elefante y cuando sintió la extensión del área plana, naturalmente argumentó que el elefante era similar a una pared (estuco, por supuesto). El cuarto hombre se apoderó de esa porción de la anatomía que normalmente se sostiene en el extremo sur de un elefante que va hacia el norte (la cola), y argumentó que el elefante era como una cuerda. Los cuatro estaban en lo cierto, pero no podían unirse. que el término "pulgadas de mercurio" era para aquellos que usan una vara de medir para medir su vacío. El término suele aplicarse a los vacíos en todo el rango de 0" a 30". "Milímetros de mercurio" o "Torr" es simplemente un refinamiento de esta medida similar al refinamiento de un par de calibres sobre la vara de medir.
"Micrón" designa una medida aún más fina que la de Torr y utiliza (teóricamente, por supuesto) un microscopio electrónico. 1 Torr es igual a 1/25 de una pulgada y un micrón es igual a 1/1.000 de un Torr. Intente imaginar una comparación entre el planeta, el Empire State Building, y una hormiga, o tal vez sólo su dedo pequeño del pie (por supuesto las hormigas no tienen dedos del pie... así que sólo tendrá que trabajar conmigo). Ya que medimos los vacíos hasta 1/100.000 de 1 micrón (0,00001 micrón) o 10-8 Torr, puedes ver que nos estamos acercando rápidamente a la "nada", pero aún no estamos allí.
Sólo para refrescar tu memoria, 10-8 Torr es simplemente una forma conveniente de decir 0.00000001 Torr. Una forma fácil de recordar la conversión es contar cuántos lugares tienes para mover el punto decimal. Por ejemplo, 0.001 sería 1*10-3. Si todas estas relaciones siguen siendo confusas, eche un vistazo a la herramienta de conversión de la medición del vacío en nuestro sitio web. Ahora que has sido formalmente introducido al micrón, puedes considerarte parte de un grupo selecto y puedes ser apodado el Potenciador Jefe de la Presión del Punk.
De aquí en adelante, sus principales problemas serán las formas de medir el vacío en términos de Torr y micrón. No olviden que un vacío de 12,7 Torr equivale a 12.700 micrones. Como se mencionó anteriormente, nuestro esfuerzo literario revelará formas y medios de medir los vacíos hasta 0,00001µ o 0,00000001 Torr o 10-8 mm Hg (Hg es la idea de alguien de expresar químicamente el elemento mercurio. Pensaron que ahorraría tinta. Y "µ", por cierto, es el ahorrador de tinta para el micrón).
Para aquellos de ustedes que hasta ahora han estado midiendo el vacío con una regla, estas cifras parecerán algo así como la deuda nacional a la inversa y por lo tanto no significarán mucho, pero al menos hemos acordado nuestra terminología. Ahora podemos discutir libremente la medición del alto vacío con aquellos de ustedes que están a la cabeza de la clase.
Medidor de diafragma
Este manómetro mide el movimiento de una membrana flexible causado por una presión aplicada. Utiliza varias técnicas para medir esta desviación. Una de ellas mide el cambio de capacitancia entre un electrodo fijo y un diafragma en movimiento (denominado medidor de diafragma de capacitancia). Una segunda técnica utiliza la señal de una galga extensométrica directamente unida al diafragma. Los medidores de diafragma suelen utilizarse para medir presiones entre 760 Torr y 0,001 Torr (o entre 1 Atm y aproximadamente 1/1.000.000 de Atm). Sin embargo, mediante el uso de múltiples transductores, es posible ampliar este rango de forma que se puedan leer presiones inferiores a 10-5 Torr.
Este medidor no es sensible al tipo de gas. Estos sensores están compensados por la temperatura, pero responden a los rápidos cambios de temperatura. Los cambios de temperatura pueden causar cambios de cero. Los usuarios deben tener en cuenta que los ajustes ocasionales del punto cero son normales para mantener la precisión con este tipo de sensor, y se debe incluir en la instalación una provisión para realizar este ajuste.
Medidores de Conductividad Térmica
Hay dos tipos generales de medidores en el mercado en esta clasificación general de medidores de vacío. Uno se conoce como el medidor Pirani y el otro se conoce como medidor de termopar. Ambos tipos funcionan con el principio de conductividad térmica, que ahora nos comprometemos a explicar. Estos medidores miden la conductividad térmica del gas residual. La capacidad del gas en el sistema de vacío para conducir el calor lejos del filamento (o "hilo caliente") es una función de la conductividad térmica del gas. Estos medidores miden esto, por lo que también se conocen como "medidores de hilo caliente".
Para medir el vacío por el método de la conductividad térmica, aplicamos un voltaje y una corriente constantes a un filamento montado dentro de un medidor conectado al sistema de vacío. La temperatura del filamento eventualmente asumirá el equilibrio. El calor generado por el filamento es conducido lejos de la vecindad inmediata del filamento por las moléculas del gas que lo rodean. A medida que empezamos a bombear el gas fuera del vacuómetro, el alambre se calienta más porque hay menos moléculas de gas presentes para conducir el calor lejos del filamento.
Cuanto más se evacua el medidor, más caliente se vuelve el filamento con el mismo voltaje y corriente aplicados. Eventualmente, al llegar a un alto vacío (del orden de 0,1 micrones), podemos asumir que el filamento ha alcanzado su máxima temperatura porque quedan relativamente pocas moléculas de gas dentro del medidor para conducir el calor. En realidad, todavía hay miles de millones de ellas presentes, pero son como el dólar americano, no significan mucho porque son muy pequeñas.
La diferencia entre el medidor Pirani y el termopar es el método utilizado para medir la temperatura cambiante del filamento. El medidor Pirani utiliza generalmente un solo filamento; a medida que la temperatura del filamento aumenta, su resistencia también aumenta y la temperatura del cable se mide realmente en términos de resistencia. A continuación, el manómetro puede calibrarse con un medidor de diafragma de capacidad precisa, utilizando aire seco (o cualquier otro gas seco para el que se desee calibrar el manómetro). Naturalmente, el manómetro puede calibrarse directamente en micras una vez establecidos los distintos puntos de la escala: una temperatura determinada (o una resistencia) equivale a un vacío determinado indicado por el medidor de diafragma de capacitancia.
Con el medidor de termopar se aplica el mismo principio, salvo que en este caso se mide la temperatura del filamento en lugar de la resistencia. Esto se consigue mediante un termopar soldado al hilo del filamento. El termopar asume naturalmente la misma temperatura que el filamento, y se desarrolla un potencial definido. Este potencial en milivoltios, puede entonces calibrarse directamente en micras. (Si sabe lo que significa termopar o potencial, no se moleste en leer la siguiente sección).
Medidor de termopar
Muy a menudo términos como termopar y potencial son lanzados tan promiscuamente por aquellos que "saben" que Junior sólo los ve pasar. Un termopar no es más que un par de cables hechos de diferentes materiales unidos entre sí. Cualquier dos metales diferentes sirven, aunque algunas combinaciones funcionan mejor que otras. La "magia negra" comienza cuando estos dos cables se unen. Sólo porque son diferentes, empiezan a generar voltaje, o potencial, como se llamará ahora. Lo único de un termopar, sin embargo, es que cuando se somete a calor (o a cualquier otro cambio de temperatura), el milivoltaje generado por estos dos metales diferentes cambia proporcionalmente, lo cual es maravilloso, ¿no?
A medida que el termopar se calienta, genera más milivoltios, y estos potenciales cambiantes pueden ser fácilmente medidos. Todo lo que hay que hacer es calibrar el cambio de temperatura del hilo caliente en términos de milivoltios generados por el termopar y se tiene un vacuómetro tipo termopar. Ahora el medidor de diafragma de capacitancia entra en juego de nuevo, y tienes que saber qué potencial es igual a qué nivel de vacío.
Con los medidores de tipo termopar, la corriente y el voltaje del filamento deben mantenerse cuidadosamente para garantizar una calibración estable. También es necesario que los filamentos no se desafilen o empañen por la condensación de cualquier vapor contaminante presente en el sistema de vacío. En cuanto los filamentos se embotan ligeramente, se observa una pérdida de radiación; la pérdida de radiación afecta a la calibración del medidor.
Para superar esta dificultad, la compañía que mantiene a mi familia en comida y ropa (encontrarás su nombre en la contraportada) ha ideado un método único de protección de los filamentos. Nuestro fundador teorizó que si los filamentos estaban precubiertos antes de la calibración del medidor, esa calibración no se vería afectada por la contaminación adicional causada por los vapores del sistema de vacío. Este método se introdujo en los medidores de termopar Televac®. (Otro argumento de venta, ¡la tentación era demasiado grande!)
Los medidores pueden construirse de una de dos maneras, el primer método utilizado es un medidor de referencia (o estándar) que ha sido evacuado a un vacío de 0,1 micrones y está sellado herméticamente. La misma corriente y voltaje que se aplica a los cables del medidor (el medidor que está conectado a su sistema de vacío) también se aplica a los cables dentro del tubo de referencia sellado.
A continuación se compara la temperatura de los dos hilos calefactores y la diferencia se utiliza como base para determinar el vacío. A medida que el vacío en el tubo de medición se aproxima al vacío en el tubo de referencia, la temperatura del hilo calefactor se aproxima a la igualdad. El uso del tubo de referencia permite compensar los cambios de temperatura ambiente, ya que las dos celdas estarán siempre a la misma temperatura. Así, se introduce un efecto de igualación en caso de que se produzcan cambios anormales en las temperaturas del entorno.
El segundo método de emplear el principio de conductividad térmica ignora el uso del tubo de referencia y se limita a medir la temperatura del filamento en el tubo de medición. La compensación de la temperatura ambiente se realiza mediante el uso de una resistencia de coeficiente de temperatura negativa (NTC, también llamada a veces termistor) en el circuito de medición.
A menos que se emplee un circuito especial para aumentar la señal a presiones más altas, los medidores de hilo caliente están limitados en su alcance a un límite superior de unas 20.000 micras (para un rango de 10-3 a 20 Torr). La precisión por encima del punto de 500 micras es algo limitada porque el cambio en la conductividad térmica del gas residual entre 500 y 20.000 micras es muy pequeño. Aunque los desarrollos han ampliado considerablemente este rango, sigue siendo muy difícil hacer que un elemento sea lo suficientemente sensible como para determinar con precisión esas diminutas diferencias en la conductividad térmica. Las limitaciones también son válidas en el extremo inferior de la escala: por debajo de 1 micra, los cambios en la conductividad térmica son muy diminutos.
Otro problema que confunde al usuario de los medidores de tipo "hot wire" es el hecho de que los gases distintos de aquel para el que el medidor fue calibrado originalmente pueden afectar a la precisión del instrumento. Por ejemplo, el aire seco tiene una conductividad térmica de 1, pero el hidrógeno, por otro lado, tiene una conductividad térmica mucho mayor que la del aire. Así que si el medidor se sometiera a una atmósfera de hidrógeno, se conduciría fuera del filamento alrededor de 5 veces más calor que el que conduciría el aire a la misma presión. Por lo tanto, el filamento estaría más frío a la misma presión y por lo tanto daría una indicación errónea de un vacío más pobre (o una presión más alta).
El hidrógeno, por supuesto, es un ejemplo extremo. La mayoría de los sistemas de vacío no contienen un exceso de estos gases de alta conductividad. Sin embargo, otros gases -como el CO2, el vapor de agua, el nitrógeno, el alcohol, el mercurio y los vapores de aceite- que producen un ligero efecto en la calibración del manómetro, están presentes con mucha frecuencia.
La conductividad térmica de varias combinaciones de estos gases, aunque no es idéntica a la del aire, se aproxima lo suficiente como para que el ingeniero de vacío industrial pueda duplicar sus lecturas y establecer este proceso cíclico con relativamente pocos problemas utilizando el medidor de hilo caliente. Se puede decir que muchos procesos de vacío están relacionados principalmente con el bombeo de aire o nitrógeno de una cámara determinada; por lo tanto, la calibración del manómetro puede considerarse bastante precisa.
Medidor de convección
El elemento sensor del medidor de convección consiste en un par de cables calentados por el paso de una corriente que mantiene una temperatura constante. Los termopares están soldados al centro de los alambres allí, proporcionando un medio de medir directamente la temperatura.
Para mantener una temperatura constante, la corriente se incrementa a medida que aumenta la presión en el sensor, ya que hay más aire disponible para enfriar el cable calentado.
La respuesta del sensor depende del tipo de gas. Estos sensores están compensados para la variación de la temperatura ambiente y están calibrados para funcionar en posición vertical. El rango de estos sensores es de 10-3 a103 Torr . Se proporcionan puntos de calibración de cero y atmósfera (presión atmosférica) para realizar ajustes ocasionales según sea necesario.
Medidor de Ionización
Los medidores hasta ahora discutidos cubren muchos de los rangos útiles que se encuentran en los procesos de vacío hoy en día, pero todavía no hemos considerado el departamento de "alto" vacío, que requiere una medición precisa hasta 10-10 o 0,0000001 micrones. (Eso es una centésima de millonésima de un Torr en caso de que quieras medirlo con una regla). Para ello, se suele emplear el medidor de ionización y, con un medidor adecuadamente construido, el científico puede medir el vacío hasta 1*10-11 Torr. (Si has medido los vacíos en este rango, eres un científico).
La presión más alta a la que el medidor de ionización de cátodo caliente puede ser sometido continuamente es del orden de 1 micrón, porque las presiones por encima de ésta someten al filamento a un efecto oxidante que causa frecuentes quemaduras y fomenta las malas lenguas. Así pues, la ionización por cátodo caliente se adapta principalmente a los procesos que ahora requieren un vacío ultra alto muy por debajo de 1 micrón.
Medidor de Ionización de Cátodos Calientes
Discutamos el principio detrás del medidor de ionización de cátodo caliente en relación con nuestro diagrama de abajo que presenta a Joe Electron un filamento de tungsteno dentro del medidor unido a su sistema de vacío se calienta a incandescencia y emite electrones cargados negativamente como Joe. No importa cómo o por qué, simplemente sucede. Después de que estos electrones son emitidos por el filamento, viajan en línea recta con destino a nadie sabe dónde y entran en contacto y colisionan con las moléculas de aire que quedan en el sistema.
Bayard y Alpert descubrieron que si se construía una espiral de alambre, llamada rejilla (parece una especie de escalera circular) junto al filamento y se cargaba positivamente con electricidad, los electrones negativos que viajaban desde el filamento recibían una "inyección de fuerza" y se aceleraban en su viaje por el espacio. Este proceso de aceleración se debe a la enorme atracción que los electrones negativos ejercen sobre la rejilla positiva, que actúa como un imán. Sin embargo, hay tantos electrones procedentes del filamento que la mayoría de ellos no frenan al acercarse a la rejilla. En su lugar, pasan zumbando hacia un cable metálico que se ha colocado dentro de la rejilla. Este hilo metálico se llama "colector" y está cargado negativamente.
Bueno, Joe Electron ha atravesado la faja, recibiendo una patada en los pantalones mientras la atraviesa, y está viajando a gran velocidad hacia el colector. Las moléculas de aire hasta ahora han sido neutrales, y los protones positivos sólo equilibran los electrones negativos que se combinan para formar la molécula. A medida que el electrón del filamento se acelera hacia el colector, una molécula de aire se interpone en su camino y... ¡Pum! ¡Chocan!
Cuando eso sucede, el Joe Electrón con carga negativa golpea un electrón negativo de la molécula de aire, y la molécula ahora se carga positivamente (porque es menos un electrón negativo). El proceso se conoce como ionización. El Joe Electron continúa entonces su viaje (un conductor atropellado nada menos); al acercarse al colector de carga negativa, es repelido porque también es negativo.
Joe se da la vuelta y se dirige de nuevo a la red de carga positiva, y eventualmente termina siendo lanzado a través de la red espiral de nuevo. La molécula de aire cargada positivamente, menos un electrón negativo, se dirige al colector de carga negativa y es recibida con los brazos abiertos. El colector siente lástima por la pobre molécula menos un electrón, por lo que, a su vez, cede uno de sus propios electrones negativos y así restaura la molécula a su estado neutral original. Es este flujo de electrones del colector el que medimos (en términos de microamperios) para darnos el grado de vacío. El número de moléculas de aire en el vacuómetro está en proporción directa con la ionización que tiene lugar, y por lo tanto, en proporción directa con el flujo de electrones cedidos por el colector.
Ergo, cuanto mejor sea el vacío, menos moléculas de aire habrá, y menos colisiones, y menos electrones saldrán del colector. De hecho, a presiones muy bajas, del orden de 10-11 Torr, se necesitan equipos especiales para amplificar y medir la corriente del colector. Esta condición hace que sea un día estupendo para los domingueros, e incluso la esposa de Joe, Jane Electron, que aspira a ser una conductora de atropellos como su marido, no puede encontrar muchas moléculas de aire que golpear. Si pudiéramos lanzar una piedra directamente al espacio, y ésta siguiera viajando en línea recta, las posibilidades de dar con una estrella serían bastante escasas, a pesar de que hay miles de millones de estrellas a las que apuntar. Del mismo modo, las moléculas de aire son tan pequeñas que, aunque haya millones en el alto vacío, el espacio entre ellas es tan amplio que las colisiones son escasas. Así, en su configuración de alto vacío, tenemos una versión subminiatura del universo.
Uno de los problemas encontrados al calibrar el medidor de ionización es que la corriente de filamentos debe ser controlada para que se emita un flujo constante de electrones. La red positiva también debe permanecer suficientemente cargada para que la velocidad de los electrones no se vea afectada. Si esta carga se debilita, los electrones negativos del filamento no obtendrán suficiente velocidad (fuerza) para ionizar las moléculas de aire.
Otra desventaja de este tipo de medidor es que el filamento se dañará si la presión sube a unas 10 micras, o si el medidor se somete a un uso continuo por encima de 1 o 2 micras. Debido a accidentes, o alguna otra causa, el filamento se quemará inmediatamente. Recuerdas lo difícil que fue para el viejo Tom Edison mantener un filamento brillante a la presión atmosférica. De alguna manera u otra los filamentos no se mantuvieron. Cuando evacuó la bombilla... ¡Pronto! Nacieron las bombillas eléctricas.
Una característica interesante del medidor de ionización Televac®, que atrae especialmente a los usuarios industriales, es que el filamento del medidor Televac® no se puede quemar como resultado de accidentes u otras causas que provoquen un aumento repentino de la presión. En cuanto la presión del sistema de vacío supera 1 ó 2 micrones, la corriente que llega al filamento se corta instantánea y automáticamente. Esto ahorra el filamento y evita costosos apagados y frecuentes reemplazos del manómetro. También ahorra el desgaste de los nervios y el temperamento.
Medidor de Ionización de Cátodos Fríos
El medidor de ionización de filamento caliente (o cátodo caliente) es la norma aceptada en el laboratorio para la medición de vacíos "altos", pero tiene inconvenientes para el uso industrial. Los tubos del medidor suelen ser de una delicada construcción de vidrio o son tubos "desnudos", que consisten en elementos desprotegidos que se proyectan en la cámara de vacío. Ambas "cabezas sensoras" están sujetas a daños o contaminación del sistema, lo que las hace inútiles.
Por ello, otro tipo de medidor de ionización ha encontrado favoritismo en los últimos años para entornos industriales como los hornos de vacío y los soldadores de haz de electrones. Se trata de un medidor de cátodo frío, del que existen varios tipos, como el medidor Penning y el medidor de magnetrón doble invertido. Se utilizan dos cátodos que se conectan en paralelo y el ánodo se coloca a medio camino entre ellos. Los cátodos son placas metálicas o salientes metálicos con forma; el ánodo es un bucle de alambre metálico aplanado, cuyo plano es paralelo al del cátodo. Entre el ánodo y los cátodos se mantiene una diferencia de potencial de 2 kV a 4 kV. Además, se aplica un campo magnético entre los cátodos mediante un imán permanente, que suele ser externo al cuerpo del tubo calibrador.
Los electrones emitidos desde cualquiera de los cátodos viajan en trayectorias helicoidales (debido al campo magnético), llegando finalmente al ánodo, que lleva una alta carga positiva. Durante el viaje por el largo camino de los electrones, muchos de ellos colisionan con las moléculas de gas residual, creando iones positivos que viajan directamente a los cátodos. La corriente de ionización que se produce de este modo se lee directamente en un micro-metro en términos de presión.
El rango de presión fiable de este instrumento suele ser de 10-3 a 10-8 Torr, aunque los diseños más recientes han ampliado ese rango tanto hacia arriba como hacia abajo. El límite superior se establece por la descarga de brillo que aparece, y puede variar algo por la composición del gas residual o la limpieza de los elementos del tubo medidor. El límite inferior está fijado por la corriente de iones más pequeña que prácticamente se puede medir, y los sellos. La ventaja de este tipo de medidor de ionización es que el medidor de cátodo frío es muy resistente y puede desmontarse fácilmente para su limpieza. El instrumento puede limpiarse mediante el chorro abrasivo de perlas de vidrio de los elementos o utilizando una simple almohadilla abrasiva.
Para terminar...
Hay muchos medidores buenos y aceptables en el mercado; supongo que todos ellos tienen sus ventajas y desventajas. A algún genio le queda por inventar un vacuómetro polivalente que pueda utilizarse en el laboratorio y en la industria; que mantenga una calibración estable a pesar de todos los errores estúpidos que puedan cometer los elementos humanos; que resista sin problemas los aumentos repentinos de presión; que no sufra daños cuando se llene con el aceite de la bomba de vacío que se haya acumulado en el sistema después de que Junior olvide liberar el vacío; que no se verá afectado por las condiciones de temperatura y atmósfera o la presencia de gases extraños y a veces corrosivos; que puede ser sacudido, golpeado y juramentado por ingenieros que piensen que la lectura es errónea; que puede ser adaptado para todos los rangos de vacío entre 10-11 Torr y la presión atmosférica - y que se venderá por sólo unos pocos dólares.
Si algún genio que lea esto puede idear un instrumento así, ¡comienza a llenar sus papeles de retiro ahora! Como pueden ver, todavía hay muchos problemas en la medición del vacío. Cientos de ellos ni siquiera se mencionan en este folleto; incluso si lo hicieran, probablemente se han encontrado un par de nuevos. Todo lo que podemos decir es que el procesamiento de alto vacío es realmente fascinante, y que estamos en el umbral de una nueva era en el desarrollo industrial que emplea procedimientos de vacío. Se encontrarán muchos problemas nuevos; depende del ingeniero de alto vacío enfrentar esos desafíos con una mente abierta. Se necesitan nuevas ideas, y la industria está pendiente de usted.
- J. Gordon Seiter
Como respetuosamente actualizado por
John J. (Jack) Boericke, 1976
William H. (Bill) Bayles, 1993
Shawn Orr y Jonathan Lance, 2019