Introduction
Nous avons le plaisir de continuer à fournir ce court article sur la mesure du vide. Au fil des ans, il a permis à de nombreux experts en herbe de se familiariser avec la façon de "ne rien mesurer". Depuis plus de 80 ans, Televac® a développé une gamme de capteurs à diaphragme, thermocouple, convection, cathode froide et ions chauds, ainsi qu'une jauge active et un contrôleur très fiables pour fournir des sorties analogiques et numériques conviviales ainsi qu'un affichage visuel des mesures de vide. Les produits Televac® combinent une technologie de pointe avec des techniques de mesure du vide bien éprouvées afin de fournir les meilleures solutions de mesure du vide sur le marché (du moins nous le pensons). Maintenant que notre argumentaire de vente est terminé, nous espérons que vous trouverez le reste de notre article agréable et informatif.
Avant-propos : Ne sautez pas cette...
De nombreux articles scientifiques ont été écrits sur la mesure du vide poussé - des articles qui peuvent laisser l'ingénieur industriel du vide quelque peu abasourdi. Nous espérons changer tout cela. Cet article a été écrit par un profane, pour un profane, et en termes simples. Il s'adresse à vous, les chanceux engagés dans les processus de production du vide, qui ne sont peut-être pas trop familiers avec la panoplie ahurissante de termes pour décrire ces processus - tels que microns, conductivité thermique, gaz résiduel, thermocouples, ionisation... Je sais que nous pourrions continuer encore et encore. Ces gens sont les futurs techniciens qui, un jour, peut-être, achèteront leurs vacuomètres à la belle entreprise (c'est reparti pour un discours de vente) qui leur a donné ce chef-d'œuvre littéraire. Si cet article ne vous aide pas, nous vous recommandons vivement Vacuum Technology d'Alexander Roth. Vous y trouverez toute la "viande" que vous aurez probablement envie de digérer.
Beaucoup de bruit pour rien, ou alors, vous voulez mesurer le vide ?
Un article paru il y a quelque temps dans le Chemical and Engineering News affirmait dans son titre "Les chimistes sont de mauvais orateurs". Entre autres observations, l'article notait que trop souvent les documents techniques présentés lors de divers symposiums et réunions sont totalement dénués de tout semblant d'humour. L'auteur, Carl J. Koenig, rappelle ce dicton : "Les hommes les plus sages savourent de temps en temps un peu de non-sens." Il cite également l'un des proverbes pour les jeunes ingénieurs de Philip W. Swain, rédacteur en chef de Power : "Pour apprendre à faire un bon discours, assistez à une réunion typique d'une société d'ingénieurs. Notez la façon dont les documents sont présentés. Alors, va et fais autrement".
Koenig raconte l'histoire d'un scientifique qui a présenté une thèse sur la détection des fuites dans un système à vide poussé. Ce scientifique a affirmé avoir passé des heures et des heures à chercher une fuite dans un système et est finalement arrivé à la conclusion que la meilleure façon de localiser la fuite serait de remplir tout le système de sucre et d'observer où les fourmis se sont introduites. Cette brillante suggestion a permis de lever le nuage d'ennui de la salle et après un rire chaleureux, tout le monde s'est installé pour profiter de la suite du discours sur le sujet de la détection des fuites.
En gardant ce conseil à l'esprit, nous avons essayé d'injecter une note d'humour dans les pages de cet article et nous espérons que cela atténuera la monotonie que l'on rencontre habituellement chez les profanes lorsqu'ils examinent un sujet technique. Si vous ne parvenez pas à détecter l'humour, appelez-nous et nous vous indiquerons où vous pouvez acheter les derniers appareils de détection des blagues électroniques.
Les controverses qui se sont développées sur le problème de mesurer de plus en plus de moins en moins n'ont été dépassées que par la question proverbiale de la poule ou de l'œuf. Ce petit traité devrait donc produire l'un des deux effets suivants : soit il répondra à bon nombre des "questions sur le vide" qui se posent dans votre esprit, soit il vous laissera avec un vide douteux dans votre soi-disant esprit. Tout le monde a déjà entendu la vieille phrase : "La nature a horreur du vide". Mais c'est une affirmation très injuste car, à moins de 500 miles de l'endroit où vous êtes assis avec cet article, il existe une vaste étendue de vide estimée à environ 10-10 Torr. Ce n'est que 500 miles, tout droit ! Le Dr. Dushman de GE avait un plan ingénieux pour obtenir ce merveilleux vide ici sur Terre. "Tout ce que vous avez à faire," dit le Docteur, "c'est de construire un pipeline étanche, tout droit, et de faire passer le vide directement dans votre usine." Excellente idée, Doc, mais il faut revenir à la terre et se mettre au travail.
Maintenant, avant de mettre les pieds sur la terra finna, nous devons savoir où nous voulons nous situer. Il est triste mais vrai que nous tombons souvent joyeusement dans notre propre petite ornière et que nous ne voyons ou ne comprenons pas le point de vue de l'autre. C'est ce qui semble se produire quand on parle de vide. Joe Doaks parle d'un vide de 27 pouces, tandis que son frère Oakie dit que c'est un vide de 76 millimètres. Leur cousin Mairzy Doats, lui, parle d'un vide de 76 000 microns, tandis que Dosey dit que c'est un dixième d'atmosphère. Le petit Lamsey Divey se joint au débat et affirme que c'est vraiment 76 Torr et que lorsque l'Organisation internationale de normalisation (ISO) aura fait son choix, ce sera environ 100 millibars ou 10 000 pascals. Comme ils sont tous parents, une dispute s'ensuit - et se poursuit à travers les générations. Voyons si nous pouvons déterminer le score et voir qui gagne.
Retournons un instant à l'école pour une courte séance au cours de laquelle vous avez appris que l'atmosphère terrestre, dans des conditions normales au niveau de la mer, exerce une pression de 15 livres par pouce carré (soit 14,696 livres par pouce carré pour vous, les coiffeurs). Nous ne ressentons pas cette pression car les humains ont évolué de telle sorte que nous exerçons également 15 livres par pouce carré à l'intérieur, et donc les deux pressions sont égalisées. Mais à haute altitude, les saignements de nez sont fréquents car notre pression interne dépasse la pression atmosphérique externe et si nous allons trop haut, nous risquons d'exploser.
Puisque nous sommes à l'école, nous allons maintenant mener une expérience. Veuillez regarder le tube de verre montré à gauche. Nous supposerons que la longueur du tube (AB) est supérieure à 30". Nous allons maintenant verser du mercure dans l'extrémité ouverte et remplir tout le tube. Puis, en tenant soigneusement l'index de votre main droite au-dessus de l'extrémité ouverte, vous retournerez le tube
en position verticale inversée et l'insérer dans un réservoir contenant du mercure comme indiqué à droite. Placez l'extrémité ouverte sous la surface du mercure dans le réservoir (ou le puits). Retirez votre doigt.
Le mercure va-t-il s'écouler partout sur le sol ? Non, car la pression atmosphérique exercée sur le mercure dans le puits supportera une colonne de mercure de 30 pouces de haut. C'est ce qu'on appelle un manomètre à mercure de type "puits". Voici maintenant où nous en sommes sur le plan technique. En fait, dans des conditions normales, la colonne supportée sera de 29,92126 pouces, mais 30" est
suffisamment proche pour pouvoir mesurer le vide à l'aide d'un mètre. Nous ne suggérons pas non plus d'essayer cette expérience à la maison - le mercure est très mauvais pour vous et pour l'environnement.
Avec notre dispositif expérimental, l'atmosphère exerce une pression sur la surface du mercure dans le puits qui supporte la colonne de 30 pouces. Maintenant, si tout cet appareil était enfermé dans une chambre étanche et que nous commencions à pomper l'air, cela réduirait naturellement la pression à la surface du mercure dans le puits - ainsi la colonne de mercure dans le tube commencerait à tomber.
C'est pourquoi, lorsque la colonne de mercure du météorologue, ou baromètre comme il l'appelle, tombe à 27", il vaut mieux fermer les écoutilles et faire entrer le chat, parce que vous allez prendre un coup. Cela signifie qu'un vide de 3" s'est créé à proximité de vous et que l'air ambiant des zones à plus haute pression se précipitera là où d'autres auraient peur de s'aventurer.
Voici où une explication de la controverse concernant la terminologie pourrait s'avérer utile. Si nous avons un vide de 3", cela signifie que la colonne de 30" sera abaissée de 3" et laissera une colonne de mercure de 27" de haut. En fait, en termes de technologie du vide réel, ce n'est pas du tout un vide. Des instruments appelés "jauges de tirage" ont été mis au point pour mesurer les "vides" qui entrent dans cette catégorie. Ils sont utilisés pour mesurer le tirage ou l'aspiration créés par des phénomènes tels qu'une colonne d'air ascendante. Ces jauges sont utiles pour mesurer le tirage dans les cheminées et sont utilisées pour aider à déterminer l'efficacité de la combustion des fours ainsi que d'autres processus.
Aujourd'hui, beaucoup de gens sont intéressés par les économies d'argent et de mercure, et ne s'inquiètent pas particulièrement de la duplication de la précision du tube droit de 30 pouces. Afin de mettre en pratique ces tendances à la frugalité, le célèbre tube en U au mercure a été créé.
Ici, pour chaque changement de 1" dans le vide, la colonne de mercure sur le côté droit du tube en U monte ½" et la colonne sur le côté gauche descend ½", ce qui rapproche les niveaux de mercure des deux colonnes de 1" l'une de l'autre. Ainsi, un vide "parfait" sera indiqué lorsque le mercure de la colonne de droite aura été relevé de 15" et celui de la colonne de gauche abaissé de 15", de sorte que les niveaux des deux colonnes soient égaux. Il s'agit d'un vide de 30".
Le tube en U nécessite toujours un tube de 30 pouces de haut. Si l'ingénieur est principalement intéressé par un meilleur vide, il peut utiliser un tube en U plus court, qui ne sera mis à l'échelle que lorsqu'un vide indiqué par la limite supérieure de la jauge aura été atteint. Ainsi, un tube en U de 6" de haut ne sera pas mis à l'échelle tant qu'un vide de 24" n'aura pas été obtenu. Avant cela, l'ingénieur ne peut qu'espérer que les pompes à vide fonctionnent de manière satisfaisante.
Avec cette édition de poche de la colonne sur le mercure, nous nous heurtons également à une confusion terminologique. Par exemple, "Qu'est-ce qu'un vide de 3", est-il à 3" du zéro absolu ou à 3" du zéro atmosphérique ? Si vous restez avec nous, nous nous efforcerons d'éclaircir ce désordre.
Certaines personnes ne sont pas gênées par la taille, et pour obtenir une plus grande précision, elles remplacent le mercure par du pétrole, puisque le pétrole a une gravité spécifique connue. Ainsi, il est possible d'augmenter la longueur de la colonne de 30 pouces et d'obtenir des lectures plus précises. Si nous utilisions du pétrole, dont le poids est 1/10ème de celui du mercure, la pression atmosphérique supporterait l'équivalent de dix colonnes de 30" - ou d'une seule colonne de 300" de haut. Ensuite, une variation de 1", mesurée par une colonne de mercure, serait indiquée par une variation de 10" sur le manomètre à huile.
En cas de changement minime du tirage, il est conseillé de se référer au vide en termes de pouces d'eau plutôt que de pouces de mercure. Un changement de 1" dans une colonne d'eau équivaut à un changement de 1" d'environ 0,07" dans une colonne de mercure de 30". Par conséquent, la terminologie du vide "pouces d'eau" n'est qu'un affinement ou un agrandissement de "pouces de mercure".
Pour obtenir une plus grande précision, le tube est généralement monté sur un plan incliné, comme le montre le croquis de droite. Notez que, en utilisant ce système, une variation de vide de 1" serait étendue sur une longueur de 3" du tube incliné.
Cette méthode permet d'obtenir des précisions de l'ordre de 0,01" d'eau (soit 0,0007" de mercure), ce qui donne des indications très précises sur les petits changements. N'oubliez pas, cependant, que les manomètres à mercure sont également utilisés pour mesurer des vides relativement élevés, car ils sont adaptables sur toute la gamme de 0" à 30".
Mais nous n'avons encore rien vu - puisqu'un vide en termes de quelques centimètres d'eau n'est pas vraiment un vide, descendons un peu plus bas sur l'échelle pour nous rapprocher de rien. Nous avons mentionné plus haut qu'un vide de 3" (pression manométrique de -3") abaisserait la colonne de mercure de 30" d'un net 3" et que la colonne de mercure aurait donc une hauteur de 27". On peut donc facilement comprendre que si le vide continue à s'améliorer jusqu'à ce que la pression exercée à la surface du mercure dans le puits ne supporte plus aucun mercure dans la colonne, nous avons atteint un "vide élevé" de 30" (pression manométrique de -30").
C'est dans cette fourchette de 30" (ou 0 Torr) que se situent la plupart des controverses sur la terminologie du vide. Allons-y doucement et soufflons un peu d'air dans notre chambre à vide de 30" et élevons la colonne de mercure ½" pour avoir maintenant un vide de 29 ½". C'est ce que l'on appelle le "vide brut" ou le "vide poussé" dans de nombreuses applications industrielles. Nous prouverons plus tard que nous n'avons encore rien vu.
Dans la plage de vide de 29 à 30 pouces, nous passons généralement à la terminologie du système métrique. Ensuite, en mesurant le ½" à partir de la ligne du zéro absolu (vide "parfait"), nous constatons que notre vide de 29 ½" est également une pression (ou un vide) de 12,7 mm (1/2" = 12,7 mm). Notez que l'échelle est maintenant inversée et que quelqu'un se tient probablement sur la tête. En termes de pouces de mercure, 0 signifie généralement la pression atmosphérique (vide zéro) et 30" est un vide parfait (-30" de pression manométrique).
Mais en termes de millimètres, la pression zéro est le vide parfait (zéro absolu), et toutes les mesures sont effectuées à partir de ce point de référence. La pression atmosphérique, bien sûr, est de 760 mm (+29,92126" pression absolue), et donc 76 mm est égal à 1/10ème d'atmosphère (vous vous souvenez de notre vieux copain Dosey Doats ?) Contentons-nous du fait que, dans notre cas particulier, nous avons un vide de 29 ½" en termes de mercure et en même temps nous avons un vide de 12,7 mm en termes de millimètres de mercure. Certains, réticents à utiliser le système métrique, se dresseront sur la tête et soutiendront que nous avons également un vide de 1/2". Malheureusement, ils ont également raison.
La plupart des industriels ont accepté le terme "Torr" (en l'honneur de Torricelli) pour désigner les millimètres de mercure. Le micron (un millième de millimètre) est donc exprimé en milliTorr. Comme mentionné précédemment, de peur que ce traité ne devienne obsolète avant d'être largement diffusé, nous devons mentionner qu'une échelle totalement différente pourrait être adoptée à contrecœur (du moins par nous) et que l'on pourrait l'appeler millibar ou Pascal (en reconnaissance d'un autre scientifique disparu depuis longtemps). Cette dernière a à peu près autant de rapport avec le millimètre ou le Torr que le mètre avec la cour. Juste au cas où vous seriez curieux de savoir ce qui se passe, 30" = 760 mm = 760 Torr ; vous verrez bientôt que c'est aussi égal à 1 bar ou 1 000 millibars. Bon courage !
Parfois, les ingénieurs du vide sont aveuglés par leurs propres catégories et pratiques étroites et ne peuvent donc pas comprendre ce dont parle l'autre. Vous êtes toujours avec nous ? Si ce n'est pas le cas, voyez la photo de la page suivante, cela devrait éclaircir les choses.
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Puisque vous avez maintenant tout compris sur le vide en termes de pouces et de millimètres de mercure et de Torr, nous allons vous transférer au département du micron, où vous pourrez mieux comprendre la véritable signification de rien. Mais avant d'entrer dans ce domaine, il serait bon de mentionner d'autres types de jauges qui sont traditionnellement utilisées pour indiquer les vides dans la plage de 0" à 30".
Les tubes manométriques en verre de 30 pouces suscitent de nombreuses objections - leur fragilité et la présence de mercure mettent certaines personnes mal à l'aise. De plus, Big Brother à Washington - OSHA - considère la présence de mercure dans un environnement de fabrication comme un danger. Une précision suffisante pour de nombreux usages peut être obtenue en utilisant un instrument plus robuste qui indique le vide sur un cadran. Ces instruments à cadran fonctionnent à l'aide de l'un de ces différents systèmes : le tube de Bourdon, le soufflet ou le diaphragme. Tous ces dispositifs utilisent le même principe de base selon lequel un changement de pression dilate, contracte, tord ou déforme l'élément de mesure, qui est ensuite relié à une aiguille indicatrice qui balaie le cadran. Le principal inconvénient de ce type de jauge est que les changements de pression atmosphérique et de température agissent comme des "bogues" dans le système - ils doivent être compensés pour maintenir des indications précises.
Il y a un autre "bug" - l'hystérésis. C'est la tendance qu'a tout matériau à ne pas retrouver sa forme ou sa position d'origine après avoir été déformé. Si le matériau utilisé dans la construction des éléments et mécanismes d'actionnement n'est pas choisi avec soin, une distorsion se développera progressivement et vous vous retrouverez avec une lecture erronée. Avant que vous ne vous en rendiez compte - hystérésis !
Les problèmes soulevés par les changements de pression atmosphérique peuvent être résolus assez facilement en évacuant les éléments de mesure sensibles vers un vide poussé. Ainsi, toute augmentation de la pression au-dessus du zéro absolu donnerait l'indication ou le mouvement souhaité de l'élément. Les jauges de ce type sont toutefois sensibles aux surpressions, et une brusque augmentation accidentelle de la pression au-dessus de l'atmosphère est susceptible de causer des dommages.
Grâce à l'électronique moderne basée sur des microprocesseurs, une jauge à membrane a été mise au point, qui fonctionne assez bien jusqu'à 1 Torr (ou 1 mm de mercure). (Je sens qu'un autre argument de vente s'annonce). De plus, elle le fait avec une précision de ±1 Torr et prend des surpressions allant jusqu'à 30 psi. Soit dit en passant, nous appelons ce petit miracle de la technologie de mesure du vide la jauge à vide à membrane piézoélectrique Televac® 1E.
Voyons maintenant... où en étions-nous ? - Oh, oui ! - Nous étions sur le point de vous faire passer au département du micron. Nous avions expliqué Cette confusion me rappelle l'histoire des quatre aveugles et de l'éléphant. Lorsqu'on leur a présenté Jumbo, tous ont tendu la main pour sentir l'animal et déterminer à quoi il ressemblait. L'un d'eux a saisi la patte de l'éléphant et a fait valoir que l'éléphant était comme un arbre. Un autre a posé ses mitaines sur la trompe de l'éléphant et a fait valoir que l'animal était comme un serpent. Le troisième homme se tenait à côté de l'éléphant et lorsqu'il a senti l'étendue de la zone plate, il a naturellement fait valoir que l'éléphant était semblable à un mur (du stuc, bien sûr). Le quatrième homme s'est emparé de la partie de l'anatomie habituellement tenue à l'extrémité sud d'un éléphant se dirigeant vers le nord (la queue), et a fait valoir que l'éléphant était comme une corde. Les quatre avaient raison, mais ils n'arrivaient pas à se mettre d'accord. que le terme "pouces de mercure" s'adressait à ceux qui utilisent un mètre pour mesurer leur vide. Le terme s'applique généralement aux aspirateurs sur toute la gamme de 0" à 30". Le terme "millimètres de mercure" ou "Torr" est simplement un raffinement de cette mesure similaire à celui d'une paire d'étriers au-dessus de l'étalon.
"Micron" désigne une mesure encore plus fine que celle de Torr et utilise (théoriquement, bien sûr) un microscope électronique. 1 Torr est égal à 1/25ème de pouce et un micron est égal à 1/1000ème de Torr. Essayez d'imaginer une comparaison entre la planète, l'Empire State Building, et une fourmi, ou peut-être juste son petit orteil (bien sûr les fourmis n'ont pas d'orteils... donc vous devrez juste travailler avec moi). Puisque nous mesurons les vides jusqu'à 1/100 000e de 1 micron (0,00001 micron) ou 10-8 Torr, vous pouvez voir que nous approchons rapidement du "rien" - mais nous n'en sommes pas encore là.
Pour vous rafraîchir la mémoire, 10-8 Torr est simplement une façon pratique de dire 0.00000001 Torr. Un moyen facile de se souvenir de la conversion est de compter le nombre d'endroits où vous devez déplacer le point décimal. Par exemple, 0,001 correspond à 1*10-3. Si toutes ces relations sont encore confuses, jetez un coup d'œil à l'outil de conversion des mesures du vide sur notre site web. Maintenant que vous avez été formellement initié au micron, vous pouvez vous considérer comme faisant partie d'une sélection et être surnommé le chef de la pression punk.
À partir de maintenant, vos principaux problèmes porteront sur les moyens de mesurer le vide en termes de Torr et de micron. N'oubliez pas qu'un vide de 12,7 Torr équivaut à 12 700 microns. Comme nous l'avons mentionné plus haut, notre effort littéraire révélera des moyens de mesurer des vides allant jusqu'à 0,00001µ ou 0,00000001 Torr ou 10-8 mm Hg (Hg est l'idée que l'on se fait de l'expression chimique de l'élément mercure. Ils ont pensé que cela permettrait d'économiser de l'encre. Et "µ", au fait, est l'économiseur d'encre pour le micron).
Pour ceux d'entre vous qui ont jusqu'à présent mesuré le vide avec une règle, ces chiffres ressembleront à l'inverse à la dette nationale et ne signifieront donc pas grand chose, mais au moins nous nous sommes mis d'accord sur notre terminologie. Nous pouvons maintenant discuter librement de la mesure du vide poussé avec ceux d'entre vous qui sont en tête de classe.
Jauge à diaphragme
Cette jauge mesure le mouvement d'un diaphragme flexible causé par une pression appliquée. Elle utilise diverses techniques pour mesurer cette déviation. L'une d'elles mesure la variation de capacité entre une électrode fixe et un diaphragme en mouvement (appelée jauge de capacité à diaphragme). Une deuxième technique utilise le signal d'une jauge de contrainte directement fixée sur le diaphragme. Les jauges à diaphragme sont généralement utilisées pour mesurer des pressions comprises entre 760 Torr et 0,001 Torr (ou entre 1 Atm et environ 1/1 000 000 d'Atm). Toutefois, en utilisant plusieurs transducteurs, il est possible d'étendre cette plage de manière à pouvoir lire des pressions inférieures à 10-5 Torr.
Cette jauge n'est pas sensible au type de gaz. Ces capteurs sont compensés en température, mais réagissent aux changements rapides de température. Les changements de température peuvent provoquer des décalages du zéro. Les utilisateurs doivent noter que des ajustements occasionnels du point zéro sont normaux pour maintenir la précision avec ce type de capteur, et des dispositions pour effectuer cet ajustement doivent être incluses dans l'installation.
Jauges de conductivité thermique
Dans cette classification générale des vacuomètres, il existe deux types généraux de jauges sur le marché. L'un est connu sous le nom de jauge Pirani et l'autre est connu sous le nom de jauge à thermocouple. Les deux types fonctionnent selon le principe de la conductivité thermique, que nous allons maintenant nous efforcer d'expliquer. Ces jauges mesurent la conductivité thermique du gaz résiduel. La capacité du gaz dans le système à vide à conduire la chaleur loin du filament (ou "fil chaud") est fonction de la conductivité thermique du gaz. Ces jauges mesurent cette capacité et sont donc également connues sous le nom de "jauges à fil chaud".
Pour mesurer le vide par la méthode de la conductivité thermique, nous appliquons une tension et un courant constants à un filament monté dans une jauge connectée au système de vide. La température du filament finira par s'équilibrer. La chaleur générée par le filament est conduite loin du voisinage immédiat du filament par les molécules du gaz qui l'entourent. Lorsque nous commençons à pomper le gaz hors de la jauge à vide, le fil devient plus chaud car il y a moins de molécules de gaz présentes pour conduire la chaleur loin du filament.
Plus la jauge est évacuée, plus le filament devient chaud avec la même tension et le même courant appliqués. Finalement, lorsque nous atteignons un vide élevé (de l'ordre de 0,1 micron), nous pouvons supposer que le filament a atteint sa température maximale car il reste relativement peu de molécules de gaz à l'intérieur de la jauge pour évacuer la chaleur. En fait, il y en a encore des milliards, mais elles sont comme le dollar américain - elles ne signifient pas grand chose car elles sont si petites.
La différence entre la jauge Pirani et la jauge thermocouple réside dans la méthode utilisée pour mesurer le changement de température du filament. La jauge Pirani utilise généralement un seul filament ; lorsque la température du filament augmente, sa résistance augmente également et la température du fil est en fait mesurée en termes de résistance. La jauge peut ensuite être étalonnée avec une jauge à diaphragme capacitif précise, en utilisant de l'air sec (ou tout autre gaz sec pour lequel vous souhaitez étalonner la jauge). Naturellement, la jauge peut être étalonnée directement en microns une fois que les différents points de l'échelle sont établis - une température (ou une résistance) donnée correspondant à un vide donné indiqué par la jauge à diaphragme capacitif.
Avec la jauge à thermocouple, le même principe est appliqué, sauf que dans ce cas, c'est la température du filament qui est mesurée au lieu de la résistance. Ceci est réalisé au moyen d'un thermocouple soudé au fil du filament. Le thermocouple prend naturellement la même température que le filament, et un potentiel défini est développé. Ce potentiel, exprimé en millivolts, peut alors être étalonné directement en microns. (Si vous savez ce que signifie thermocouple ou potentiel, inutile de lire la section suivante).
Jauge à thermocouple
Très souvent, des termes tels que "thermocouple" et "potentiel" sont utilisés de façon si peu précise par ceux qui sont "au courant" que Junior se contente de les regarder passer. Un thermocouple est simplement un couple de fils faits de matériaux différents et reliés entre eux. Deux métaux différents suffisent, même si certaines combinaisons fonctionnent mieux que d'autres. La "magie noire" commence lorsque ces deux fils sont réunis. Ce n'est pas parce qu'ils sont différents qu'ils commencent à générer une tension, ou un potentiel, comme on va maintenant l'appeler. La particularité d'un thermocouple, cependant, est que lorsqu'il est soumis à la chaleur (ou à tout autre changement de température), la millivoltage générée par ces deux métaux différents change proportionnellement - merveilleux, n'est-ce pas ?
Lorsque le thermocouple devient plus chaud, il génère plus de millivolts, et ces changements de potentiel peuvent être facilement mesurés. Il suffit de calibrer la variation de température du fil chaud en termes de millivolts générés par le thermocouple et vous disposez d'un vacuomètre de type thermocouple. Maintenant, la jauge à membrane capacitive entre à nouveau en jeu et vous devez savoir quel potentiel est égal à quel niveau de vide.
Avec les jauges de type thermocouple, le courant et la tension du filament doivent être soigneusement maintenus pour garantir un étalonnage stable. Il est également nécessaire que les filaments ne deviennent pas ternes ou ternis par la condensation de toute vapeur contaminante présente dans le système de vide. Dès que les filaments deviennent légèrement ternes, une perte de rayonnement est observée ; cette perte de rayonnement affecte l'étalonnage de la jauge.
Pour surmonter cette difficulté, la société qui garde ma famille en nourriture et en vêtements (vous trouverez son nom sur la couverture arrière) a mis au point une méthode unique de protection des filaments. Notre fondateur a émis la théorie que si les filaments étaient pré-enrobés avant le calibrage de la jauge, ce calibrage ne serait pas affecté par une contamination supplémentaire causée par les vapeurs dans le système à vide. Cette méthode a été introduite dans les jauges à thermocouple Televac®. (Encore un autre argument de vente, la tentation était trop grande).
Les jauges peuvent être construites de deux façons. La première méthode utilisée est une jauge de référence (ou étalon) qui a été mise sous vide à 0,1 micron et qui est hermétiquement scellée. Le même courant et la même tension qui sont appliqués aux fils de la jauge de mesure (la jauge qui est connectée à votre système de vide) sont également appliqués aux fils à l'intérieur du tube de référence scellé.
La température des deux fils chauffants est alors comparée et la différence est utilisée comme base pour déterminer le vide. Au fur et à mesure que le vide dans le tube de mesure se rapproche du vide dans le tube de référence, la température du fil chauffant s'approche de l'égalité. L'utilisation du tube de référence permet de compenser les changements de température ambiante car les deux cellules seront toujours à la même température. Ainsi, un effet d'égalisation est introduit dans le cas où des changements anormaux se produisent dans les températures environnantes.
La deuxième méthode d'utilisation du principe de conductivité thermique ignore l'utilisation du tube de référence et se contente de mesurer la température du filament dans le tube de mesure. La compensation de la température ambiante est réalisée par l'utilisation d'une résistance à coefficient de température négatif (CTN, aussi parfois appelée thermistance) dans le circuit de mesure.
À moins qu'un circuit spécial ne soit utilisé pour augmenter le signal à des pressions plus élevées, les jauges à fil chaud sont limitées dans leur plage à une limite supérieure d'environ 20 000 microns (pour une plage de 10-3 à 20 Torr). La précision au-dessus du point de 500 microns est quelque peu limitée car la variation de la conductivité thermique du gaz résiduel entre 500 et 20 000 microns est très faible. Bien que les développements aient considérablement élargi cette plage, il est encore très difficile de rendre un élément suffisamment sensible pour déterminer avec précision ces infimes différences de conductivité thermique. Les limites sont également valables pour le bas de l'échelle - en dessous de 1 micron, les changements de conductivité thermique sont très minuscules.
Un autre problème qui déconcerte l'utilisateur des jauges de type fil chaud est le fait que des gaz autres que celui pour lequel la jauge a été calibrée à l'origine peuvent affecter la précision de l'instrument. Par exemple, l'air sec a une conductivité thermique de 1, mais l'hydrogène, en revanche, a une conductivité thermique beaucoup plus grande que celle de l'air. Ainsi, si la jauge était soumise à une atmosphère d'hydrogène, environ 5 fois plus de chaleur serait évacuée du filament que celle qui serait conduite par l'air à la même pression. Par conséquent, le filament serait plus froid à la même pression et donnerait donc une indication erronée d'un vide plus faible (ou d'une pression plus élevée).
L'hydrogène, bien sûr, est un exemple extrême. La plupart des systèmes de vide ne contiennent pas un excès de ces gaz à haute conductivité. Cependant, d'autres gaz - tels que le CO2, la vapeur d'eau, l'azote, l'alcool, le mercure et les vapeurs d'huile - qui produisent un léger effet sur l'étalonnage de la jauge, sont très souvent présents.
La conductivité thermique de diverses combinaisons de ces gaz, bien qu'elle ne soit pas identique à celle de l'air, est suffisamment proche pour que l'ingénieur industriel du vide puisse reproduire ses relevés et établir ce processus de cycle avec relativement peu de difficultés en utilisant la jauge à fil chaud. On peut affirmer sans risque de se tromper que de nombreux procédés de mise sous vide consistent principalement à pomper l'air ou l'azote d'une chambre donnée ; par conséquent, l'étalonnage de la jauge peut être considéré comme assez précis.
Jauge à convection
L'élément de détection de la jauge de convection est constitué d'une paire de fils chauffés par le passage d'un courant qui maintient une température constante. Des thermocouples sont soudés au centre des fils à cet endroit en fournissant un moyen de mesurer directement la température.
Pour maintenir une température constante, le courant est augmenté à mesure que la pression dans le capteur augmente, car il y a plus d'air disponible pour refroidir le fil chauffé.
La réponse du capteur dépend du type de gaz. Ces capteurs sont compensés pour les variations de température ambiante et sont étalonnés pour fonctionner en position verticale. La gamme de ces capteurs est comprise entre 10-3 et103 Torr. Des points d'étalonnage du zéro et de l'atmosphère (pression atmosphérique) sont prévus pour des ajustements occasionnels si nécessaire.
Jauge d'ionisation
Les jauges dont il a été question jusqu'à présent couvrent de nombreuses gammes utiles rencontrées dans les procédés sous vide aujourd'hui, mais nous n'avons pas encore pris en compte le département "vide poussé", qui exige une mesure précise jusqu'à 10-10 ou 0,0000001 microns. (C'est un centième de millionième de Torr au cas où vous voudriez le mesurer avec une règle). Pour cela, on utilise généralement la jauge d'ionisation et, avec une jauge correctement construite, le scientifique peut mesurer le vide jusqu'à 1*10-11 Torr. (Si vous avez mesuré des vides dans cette plage, vous êtes un scientifique).
La pression la plus élevée à laquelle la jauge d'ionisation à cathode chaude peut être soumise en continu est de l'ordre de 1 micron, car les pressions supérieures à cette valeur soumettent le filament à un effet oxydant qui provoque des brûlures fréquentes et encourage le mauvais langage. L'ionisation à cathode chaude est donc principalement adaptée aux procédés qui nécessitent maintenant un ultravide bien inférieur à 1 micron.
Jauge d'ionisation à cathode chaude
Examinons le principe de la jauge d'ionisation à cathode chaude par rapport à notre diagramme ci-dessous qui présente Joe Electron : un filament de tungstène de la jauge fixée à votre système à vide est chauffé jusqu'à incandescence et émet des électrons chargés négativement comme Joe. Peu importe le comment ou le pourquoi - cela arrive tout simplement. Une fois que ces électrons sont émis par le filament, ils se déplacent en ligne droite vers un endroit inconnu et entrent en contact et entrent en collision avec des molécules d'air qui se trouvent être laissées dans le système.
Bayard et Alpert ont découvert que si une spirale de fil, appelée grille (elle ressemble à un escalier circulaire), était construite à côté du filament et chargée positivement avec de l'électricité, les électrons négatifs qui se déplacent depuis le filament recevaient un "coup de fouet" et accéléraient leur voyage dans l'espace. Ce processus d'accélération est dû à l'énorme attraction qu'exercent les électrons négatifs sur la grille positive, qui agit un peu comme un aimant. Cependant, ces électrons sont si nombreux à venir du filament que la majorité d'entre eux ne freinent pas à l'approche de la grille. Au lieu de cela, ils la dépassent et se dirigent vers un fil métallique placé à l'intérieur de la grille. Ce fil métallique, appelé "collecteur", est chargé négativement.
Eh bien, Joe Electron a maintenant traversé la ceinture, recevant un coup de pied dans le pantalon en passant, et se dirige à grande vitesse vers le collecteur. Jusqu'à présent, les molécules d'air étaient neutres, et les protons positifs équilibrent les électrons négatifs qui se combinent pour former la molécule. Alors que l'électron du filament se dirige vers le collecteur, une molécule d'air se met en travers de son chemin et - Vlan ! ils entrent en collision !
Lorsque cela se produit, le Joe Electron à charge négative fait tomber un électron négatif de la molécule d'air, et la molécule devient alors chargée positivement (parce qu'elle est moins un électron négatif). Ce processus est connu sous le nom d'ionisation. Joe Electron poursuit alors son voyage (un conducteur en délit de fuite, pas moins) ; lorsqu'il s'approche du collecteur chargé négativement, il est repoussé parce qu'il est également négatif.
Joe se retourne et se dirige vers la grille à charge positive, et finit par être à nouveau projeté à travers la grille en spirale. La molécule d'air chargée positivement, moins un électron négatif, se dirige vers le collecteur chargé négativement et est reçue à bras ouverts. Le collecteur a pitié de la pauvre molécule moins un électron, alors il abandonne à son tour un de ses propres électrons négatifs et rétablit ainsi la molécule à son état neutre d'origine. C'est ce flux d'électrons provenant du collecteur que nous mesurons (en termes de microampères) pour nous donner le degré de vide. Le nombre de molécules d'air dans le vacuomètre est directement proportionnel à l'ionisation qui a lieu, et donc, directement proportionnel au flux d'électrons émis par le collecteur.
Par conséquent, plus le vide est bon, moins il y a de molécules d'air présentes, moins il y a de collisions et moins il y a d'électrons qui sortent du collecteur. En fait, à très basse pression, de l'ordre de 10-11 Torr, il faut un équipement spécial pour amplifier et mesurer le courant du collecteur. Même la femme de Joe, Jane Electron, qui aspire à devenir un chauffard comme son mari, ne trouve pas beaucoup de molécules d'air à frapper. Si vous pouviez lancer une pierre directement dans l'espace et qu'elle continuait à voyager en ligne droite, vos chances de toucher une étoile seraient plutôt minces, même s'il y a des milliards d'étoiles à viser. De même, les molécules d'air sont si petites que, bien qu'il y en ait des millions dans un vide poussé, l'espace entre elles est si vaste que les collisions sont rares. Ainsi, dans votre installation à vide poussé, nous avons une version subminiature de l'univers.
L'un des problèmes rencontrés lors de l'étalonnage de la jauge d'ionisation est que le courant du filament doit être contrôlé de manière à ce qu'un flux constant d'électrons soit émis par celui-ci. La grille positive doit également rester suffisamment chargée pour que la vitesse des électrons ne soit pas altérée. Si cette charge devient faible, les électrons négatifs du filament n'obtiendront pas une vitesse (force) suffisante pour ioniser les molécules d'air.
Un autre inconvénient de ce type de jauge est que le filament sera endommagé si la pression monte à environ 10 microns, ou si la jauge est soumise à une utilisation continue au-delà de 1 ou 2 microns. En cas d'accident ou pour toute autre raison, le filament brûle immédiatement. Vous vous souvenez des difficultés qu'avait le vieux Tom Edison à maintenir un filament incandescent à la pression atmosphérique. D'une manière ou d'une autre, les filaments ne tenaient pas le coup. Quand il a évacué l'ampoule - presto ! Les ampoules électriques étaient nées.
Une caractéristique intéressante de la jauge d'ionisation Televac®, qui plaît particulièrement aux utilisateurs industriels, est que le filament de la jauge Televac® ne peut pas brûler à la suite d'accidents ou d'autres causes qui provoquent une augmentation soudaine de la pression. Dès que la pression du système de vide dépasse 1 ou 2 microns, le courant du filament est instantanément et automatiquement coupé. Cela permet d'économiser le filament et d'éviter des arrêts coûteux et des remplacements fréquents des jauges. Cela permet également d'éviter l'usure des nerfs et du tempérament.
Jauge d'ionisation à cathode froide
La jauge d'ionisation à filament chaud (ou à cathode chaude) est la norme acceptée en laboratoire pour mesurer les "grands" vides, mais elle présente des inconvénients pour l'utilisation industrielle. Les tubes de la jauge sont généralement soit de construction délicate en verre, soit des tubes "nus", qui sont constitués d'éléments non protégés faisant saillie dans la chambre à vide. Ces deux "têtes de mesure" sont susceptibles d'être endommagées ou contaminées par le système, ce qui les rend inutilisables.
Ainsi, un autre type de jauge d'ionisation a trouvé sa place ces dernières années dans les environnements industriels tels que les fours à vide et les soudeuses à faisceau d'électrons. Il s'agit d'une jauge à cathode froide, dont il existe plusieurs types, notamment la jauge de Penning et la jauge à double magnétron inversé. Deux cathodes de connexion parallèles sont utilisées et l'anode est placée à mi-chemin entre elles. Les cathodes sont des plaques métalliques ou des bossages métalliques profilés ; l'anode est une boucle de fil métallique aplatie dont le plan est parallèle à celui de la cathode. Une différence de potentiel de 2 kV à 4 kV est maintenue entre l'anode et les cathodes. En outre, un champ magnétique est appliqué entre les cathodes par un aimant permanent, qui est généralement extérieur au corps du tube de jauge.
Les électrons émis par l'une ou l'autre des cathodes suivent un chemin hélicoïdal (dû au champ magnétique) et finissent par atteindre l'anode, qui porte une forte charge positive. Au cours de ce long trajet, de nombreux électrons entrent en collision avec les molécules de gaz résiduel, créant ainsi des ions positifs qui se dirigent directement vers les cathodes. Le courant d'ionisation ainsi produit est lu directement sur un micro-ampèremètre en termes de pression.
La plage de pression fiable de cet instrument est généralement de 10-3 à 10-8 Torr, bien que des conceptions plus récentes aient étendu cette plage vers le haut et vers le bas. La limite supérieure est fixée par la décharge luminescente qui apparaît, et peut varier quelque peu en fonction de la composition du gaz résiduel ou de la propreté des éléments du tube de mesure. La limite inférieure est fixée par le plus petit courant ionique qui peut pratiquement être mesuré, et les joints. L'avantage de ce type de jauge d'ionisation est que la jauge à cathode froide est très robuste et peut être facilement démontée pour le nettoyage. L'instrument peut être nettoyé au moyen d'un sablage des éléments par des billes de verre ou à l'aide d'un simple tampon abrasif.
En conclusion...
Il existe de nombreuses jauges de qualité et acceptables sur le marché ; je suppose que toutes ont leurs avantages et leurs inconvénients. Il reste à un certain génie de concevoir un vacuomètre polyvalent qui pourrait être utilisé en laboratoire et dans l'industrie ; qui maintiendra un calibrage stable malgré toutes les erreurs stupides que les éléments humains peuvent commettre ; qui peut résister sans défaillance à de brusques poussées de pression ; qui sera inoffensif lorsqu'il sera rempli d'huile de pompe à vide qui a reflué dans le système après que Junior a oublié de libérer le vide ; qui ne sera pas affecté par les conditions de température et d'atmosphère ou par la présence de gaz parasites et parfois corrosifs ; qui peut être secoué, tapé et assermenté par des ingénieurs qui pensent que la lecture est erronée ; qui peut être adapté pour toutes les gammes de vide entre 10-11 Torr et la pression atmosphérique - et qui ne se vendra que pour quelques dollars.
Si un génie qui lit ceci peut concevoir un tel instrument, commencez à remplir vos papiers de retraite dès maintenant ! Comme vous pouvez le constater, la mesure du vide pose encore de nombreux problèmes. Des centaines d'entre eux ne sont même pas mentionnés dans cette brochure ; même s'ils l'étaient, vous en avez probablement rencontré quelques nouveaux. Tout ce que nous pouvons dire, c'est que le traitement sous vide poussé est effectivement fascinant et que nous sommes à l'aube d'une nouvelle ère de développement industriel utilisant les procédures sous vide. De nombreux problèmes nouveaux seront rencontrés ; il appartient à l'ingénieur du vide poussé de relever ces défis avec un esprit ouvert. De nouvelles idées sont nécessaires, et l'industrie se tourne vers vous.
- J. Gordon Seiter
Tel que respectueusement mis à jour par
John J. (Jack) Boericke, 1976
William H. (Bill) Bayles, 1993
Shawn Orr et Jonathan Lance, 2019