Introduzione
E' nostro piacere continuare a fornire questo breve articolo sulla misurazione del vuoto. Nel corso degli anni ha aiutato molti esperti in erba ad avere una prima vera e propria idea di "come misurare il nulla". Per più di 80 anni Televac® ha sviluppato una linea di sensori a diaframma, termocoppia, convezione, catodo freddo e a ioni caldi, insieme ad una strumentazione di misura attiva e di controllo altamente affidabile per fornire uscite analogiche e digitali di facile utilizzo insieme ad una visualizzazione visiva delle letture del vuoto. I prodotti Televac® combinano una tecnologia all'avanguardia con tecniche di misurazione del vuoto ben collaudate per fornire le migliori soluzioni di misurazione del vuoto sul mercato (almeno così pensiamo). Ora che la nostra proposta di vendita è fuori discussione, ci auguriamo che il resto del nostro articolo sia piacevole e informativo.
Premessa: Non saltate questa...
Molti articoli scientifici sono stati scritti sulla misurazione ad alto vuoto - articoli che possono lasciare l'ingegnere del vuoto industriale un po' sbalordito. Speriamo di cambiare tutto questo. Questo articolo è stato scritto da un profano, per profani, e in termini profani. È destinato a voi fortunati che siete impegnati in processi di produzione del vuoto e che potreste non avere troppa familiarità con la sconcertante serie di termini per descrivere questi processi - termini come micron, conducibilità termica, gas residuo, termocoppie, ionizzazione... So che potremmo andare avanti all'infinito. Queste persone sono i futuri tecnici che forse, un giorno, forse, compreranno i loro vuotometri dalla bella azienda (ecco che ricomincia il discorso delle vendite) che ha dato loro questo capolavoro della letteratura. Se questo articolo non vi aiuta, vi consigliamo vivamente la Vacuum Technology di Alexander Roth. Qui troverete tutta la "carne" che probabilmente avrete mai voglia di digerire.
Molto rumore per niente, o, così vuoi misurare il vuoto?
Un articolo di qualche tempo fa su Chemical and Engineering News recitava nel titolo "I chimici sono pessimi altoparlanti". Tra le altre osservazioni, l'articolo rilevava che troppo spesso i documenti tecnici presentati in vari simposi e incontri sono completamente privi di qualsiasi parvenza di umorismo. L'autore, Carl J. Koenig, indica il detto: "Una piccola sciocchezza di tanto in tanto è gradita agli uomini più saggi". Cita anche uno dei proverbi per i giovani ingegneri nato da Philip W. Swain, editore di Power: "Per imparare a fare un buon discorso, partecipa a un tipico incontro della società degli ingegneri. Notate come vengono presentati i lavori. Poi vai tu e fai il contrario".
Koenig racconta la storia di aver sentito uno scienziato presentare una tesi sul rilevamento delle perdite in un sistema ad alto vuoto. Questo scienziato ha affermato di aver passato ore e ore a cercare una perdita in un sistema e alla fine è giunto alla conclusione che il modo migliore per localizzare la perdita sarebbe stato quello di riempire l'intero sistema di zucchero e osservare dove le formiche si sono infiltrate. Questo brillante suggerimento sollevò la nuvola di noia dalla stanza e dopo una forte risata, tutti si rimisero a sedere per godersi l'ulteriore discorso sul tema della rilevazione delle perdite.
Tenendo presente questo consiglio, abbiamo cercato di iniettare una nota di umorismo in tutte le pagine di questo articolo e confidiamo che possa alleviare un po' di quella monotonia che di solito si riscontra nei profani quando si passa in rassegna un argomento tecnico. Se non riuscite a rilevare l'umorismo, chiamateci e vi consiglieremo dove acquistare le ultime novità in fatto di strumentazione per la rilevazione degli scherzi elettronici.
Le polemiche che si sono sviluppate sul problema di misurare sempre di più e di meno sono state superate solo dalla proverbiale questione della gallina o dell'uovo. Questo piccolo trattato, quindi, dovrebbe produrre uno dei due effetti: o risponderà a molte delle cosiddette "domande a vuoto" nella vostra mente, o vi lascerà con un vuoto discutibile nella vostra cosiddetta mente. Tutti hanno sentito la frase consumata dal tempo: "La natura aborre il vuoto". Ma questa è un'affermazione molto ingiusta perché, nel raggio di 500 miglia da dove ti siedi con questo articolo, esiste una vasta distesa di vuoto che si stima sia di circa 10-10 Torr. Sono solo 500 miglia, in linea retta! Il dottor Dushman della GE aveva un piano ingegnoso per ottenere quel meraviglioso vuoto qui sulla Terra. "Tutto quello che dovete fare", ha detto Doc, "è costruire una conduttura a tenuta d'aria, dritta in alto, e convogliare il vuoto direttamente nel vostro impianto". Ottima idea Doc, ma mettiamoci al lavoro.
Ora, prima di mettere i piedi su terra finna, dobbiamo sapere dove vogliamo stare. È triste, ma è vero che spesso cadiamo felicemente nel nostro piccolo solco e non riusciamo a vedere o a capire il punto di vista dell'altro. Così sembra, quando si parla di vuoto. Joe Doaks parla di un vuoto di 27 pollici, mentre suo fratello Oakie dice che è un vuoto di 76 millimetri. Poi arriva il cugino Mairzy Doats, che lo chiama un vuoto di 76.000 micron, mentre Dosey dice che è un decimo di un'atmosfera. Il piccolo Lamsey Divey si unisce al dibattito e dice che è davvero 76 Torr e quando l'Organizzazione Internazionale per la Standardizzazione (ISO) avrà la sua strada, sarà di circa 100 millibar o 10.000 pascal. Dato che sono tutti parenti, ne consegue una discussione - e continua attraverso le generazioni. Vediamo se riusciamo a determinare il punteggio e vedere chi vince.
Torniamo a scuola per un minuto per una breve sessione, quando avete appreso che l'atmosfera terrestre, in condizioni normali al livello del mare, esercita una pressione di 15 libbre per pollice quadrato (che per voi spaccapelli è di 14,696 libbre/in2). Noi non sentiamo questa pressione perché l'uomo si è evoluto in modo che anche noi esercitiamo 15 libbre per pollice quadrato internamente, e quindi le due pressioni sono uguali. Ma ad alta quota, le epistassi sono comuni perché la nostra pressione interna supera la pressione atmosferica esterna e se andiamo troppo in alto, rischiamo di saltare in aria.
Visto che siamo a scuola, ora condurremo un esperimento. Guardate il tubo di vetro mostrato a sinistra. Supporremo che la lunghezza del tubo (AB) sia superiore a 30". Ora verseremo del mercurio nell'estremità aperta e riempiremo l'intero tubo. Poi, tenendo con attenzione l'indice della mano destra sopra l'estremità aperta, capovolgeremo il tubo
in posizione verticale invertita e inserirlo in un serbatoio contenente mercurio come mostrato a destra. Posizionare l'estremità aperta sotto la superficie del mercurio nel serbatoio (o nel pozzo). Rimuovere il dito.
Il mercurio si esaurirà su tutto il pavimento? No, perché la pressione atmosferica esercitata sul mercurio nel pozzo sosterrà una colonna di mercurio alta 30". Questo è noto come manometro a mercurio "a pozzo". Ora, ecco dove diventiamo tecnici. In realtà, in condizioni normali la colonna supportata sarà di 29,92126 pollici, ma 30" è
abbastanza vicino per quando si misura il vuoto con un metro. Non suggeriamo nemmeno di provare questo esperimento a casa - il mercurio è molto dannoso per voi e per l'ambiente.
Con la nostra impostazione sperimentale, l'atmosfera sta esercitando una pressione sulla superficie del mercurio nel pozzo che sostiene la colonna da 30". Ora, se questo intero apparato fosse racchiuso in una camera stagna e noi cominciassimo a pompare l'aria fuori, ridurrebbe naturalmente la pressione sulla superficie del mercurio nel pozzo - così la colonna di mercurio nel tubo comincerebbe a cadere.
Ecco perché, quando la colonna di mercurio del meteorologo, o barometro come lo chiama lui, scende a 27", è meglio chiudere i boccaporti e far entrare il gatto, perché ci si trova di fronte a un colpo. Significa che nelle vostre vicinanze si è creato un vuoto di 3" e l'aria circostante proveniente dalle zone ad alta pressione si precipita dove gli altri avrebbero paura di calpestare.
Ecco dove una spiegazione della controversia sulla terminologia potrebbe essere utile. Se abbiamo un vuoto di 3", significa che la colonna di 30" sarà abbassata di 3" e lascerà una colonna di mercurio alta 27". In realtà, in termini di vera e propria tecnologia del vuoto, non è affatto un vuoto. Sono stati sviluppati strumenti noti come "misuratori di vuoto" che misurano i "vuoti" che rientrano in questa categoria. Sono usati per misurare il tiraggio o l'aspirazione creati da fenomeni come una colonna d'aria ascendente. Questi misuratori sono utili nella misurazione del tiraggio in camini e sono usati per aiutare a determinare l'efficienza della combustione del forno così come di altri processi.
Ora, molte persone sono interessate a risparmiare denaro, e mercurio, e non sono particolarmente preoccupate di duplicare la precisione del tubo rettilineo da 30". Per mettere in pratica queste tendenze frugali, è stato creato il noto tubo a U al mercurio.
Qui, per ogni 1" di variazione del vuoto, la colonna di mercurio sul lato destro del tubo a U sale di ½" e la colonna sul lato sinistro scende di ½", con il risultato che i livelli di mercurio nelle due colonne si avvicinano di 1" l'una all'altra. Così, un vuoto "perfetto" sarà indicato quando il mercurio nella colonna di destra è stato sollevato di 15" e il mercurio nella colonna di sinistra è stato abbassato di 15" in modo che i livelli delle due colonne siano uguali. Questo è un vuoto di 30".
Il tubo a U richiede ancora un tubo alto 30". Se l'ingegnere è interessato principalmente al vuoto migliore, si può usare un tubo a U più corto, che verrà in scala solo quando sarà stato raggiunto il vuoto indicato dal limite superiore del calibro. Così, un tubo a U alto 6" non verrà in scala fino a quando non si otterrà un vuoto di 24". Prima di allora, l'ingegnere può solo sperare che le pompe per vuoto funzionino in modo soddisfacente.
Con questa edizione tascabile della colonna di mercurio, ci si imbatte anche in una confusione terminologica. Per esempio, "Cos'è un vuoto di 3", è 3" dallo zero assoluto o 3" dallo zero atmosferico? Se restate con noi, cercheremo di risolvere questo pasticcio.
Alcune persone non si preoccupano delle dimensioni, e per ottenere una maggiore precisione sostituiscono l'olio con il mercurio, poiché l'olio ha un peso specifico noto. Così, è possibile aumentare la lunghezza della colonna da 30" e ottenere letture più accurate. Se usassimo l'olio, che pesa 1/10 di peso come il mercurio, la pressione atmosferica sosterrebbe l'equivalente di dieci colonne da 30" - o una singola colonna alta 300". Poi una variazione di 1", misurata da una colonna di mercurio, sarebbe indicata da una variazione di 10" sul manometro dell'olio.
Laddove si riscontrino minuscoli cambiamenti nel pescaggio, è consigliabile fare riferimento al vuoto in termini di pollici di acqua piuttosto che di pollici di mercurio. Un cambiamento di 1" in una colonna d'acqua equivale ad un cambiamento di 1" di circa 0,07" in una colonna di mercurio di 30". Pertanto, la terminologia del vuoto "pollici d'acqua" è semplicemente un perfezionamento o un ingrandimento di "pollici di mercurio".
Per ottenere una maggiore precisione, il tubo viene solitamente montato su un piano inclinato, come mostrato nello schizzo a destra. Si noti che, utilizzando questo sistema, un cambiamento di 1" di vuoto verrebbe esteso su un tubo inclinato di 3" di lunghezza.
Con questo metodo si possono ottenere precisioni dell'ordine di 0,01" di acqua (cioè 0,0007" di mercurio), fornendo così indicazioni molto precise di piccoli cambiamenti. Non dimenticate, tuttavia, che i manometri a mercurio sono usati anche per misurare il vuoto relativamente alto, perché sono adattabili su tutta la gamma da 0" a 30".
Ma non abbiamo ancora visto nulla - dato che un vuoto in termini di pochi centimetri d'acqua non è davvero un vuoto, scendiamo un po' più vicino al nulla. Abbiamo detto sopra che un vuoto di 3" (-3" di pressione manometrica) abbasserebbe la colonna di mercurio di 30" un netto di 3" e che quindi la colonna di mercurio sarebbe alta 27". Di conseguenza, possiamo facilmente capire che se il vuoto continua a migliorare fino a quando la pressione esercitata sulla superficie del mercurio nel pozzo non sosterrà più alcun mercurio nella colonna, abbiamo raggiunto un "alto vuoto" di 30" (-30" di pressione relativa).
È in questo intervallo di 30" (o 0 Torr) che si verificano la maggior parte delle controversie sulla terminologia del vuoto. Prendiamocela comoda e spurghiamo un po' d'aria nella nostra camera a vuoto da 30" e alziamo la colonna di mercurio di ½" in modo che ora abbiamo un vuoto di 29 ½". Questo è considerato "vuoto grezzo" o "alto vuoto" in molte applicazioni industriali. Dimostreremo più tardi che non abbiamo ancora visto nulla.
Nella gamma di vuoto da 29" a 30", di solito si passa dalla terminologia al sistema metrico decimale. Poi, misurando il ½" dalla linea di zero assoluto (vuoto "perfetto"), troviamo che il nostro vuoto da 29 ½" è anche una pressione (o vuoto) di 12,7 mm (1/2" = 12,7 mm). Si noti che la scala è ora invertita e qualcuno è probabilmente in piedi sulla sua testa. In termini di pollici di mercurio, 0 di solito significa pressione atmosferica (vuoto zero) e 30" è un vuoto perfetto (-30" pressione manometrica).
Ma in termini di millimetri, la pressione 0 è il vuoto perfetto (zero assoluto) e tutte le misurazioni vengono effettuate da questo punto di riferimento. La pressione atmosferica, ovviamente, è di 760 mm (+29,92126" di pressione assoluta), e quindi 76 mm equivalgono a 1/10 di atmosfera (ricordate il nostro vecchio amico Dosey Doats?) Accontentiamoci del fatto che, nel nostro caso specifico, abbiamo un vuoto di 29 ½" in termini di mercurio e allo stesso tempo abbiamo un vuoto di 12,7 mm in termini di millimetri di mercurio. Alcuni, riluttanti all'uso del sistema metrico, si impuntano e sostengono che abbiamo anche un vuoto di 1/2". Purtroppo, anche loro hanno ragione.
La maggior parte dell'industria ha accettato il termine "Torr" (in onore di Torricelli) per i millimetri di mercurio. Il micron (un millesimo di millimetro) è così espresso come milliTorr. Come già detto in precedenza, per evitare che questo trattato diventi obsoleto prima di essere diffuso su larga scala, dobbiamo ricordare che una scala totalmente diversa può essere adottata a malincuore (almeno da noi) che può essere chiamata millibar o Pascal (riconoscendo un altro scienziato da tempo scomparso). Quest'ultimo ha circa la stessa relazione con il millimetro o Torr che il metro ha con il cortile. Nel caso foste curiosi di sapere cosa sta venendo fuori, 30" = 760 mm = 760 Torr; presto vedrete che è anche pari a 1 bar o 1.000 millibar. Tieni duro!
A volte gli ingegneri del vuoto sono accecati dalle loro categorie e pratiche ristrette e quindi non riescono a capire di cosa stia parlando l'altro. Sei ancora con noi? Se non è così, vedi la foto nella pagina successiva, dovrebbe chiarire le cose.
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Dal momento che ora siete tutti raddrizzati sul vuoto in termini di pollici e millimetri di mercurio e Torr, vi trasferiremo al reparto micron, dove potrete comprendere meglio il vero significato del nulla. Prima di entrare in questo regno, tuttavia, potrebbe essere utile menzionare alcuni altri tipi di misuratori che sono convenzionalmente utilizzati per indicare il vuoto entro un intervallo compreso tra 0" e 30".
Molti sono gli oggetti dei tubi manometrici in vetro da 30 pollici: la loro fragilità e la presenza di mercurio mettono a disagio alcune persone. Inoltre, il Grande Fratello di Washington - l'OSHA - considera la presenza di mercurio in un ambiente di produzione come un pericolo. Una precisione sufficiente per molti scopi può essere ottenuta utilizzando uno strumento più robusto che indica il vuoto su un quadrante. Questi strumenti a quadrante funzionano con uno dei seguenti sistemi: tubo di Bourdon, soffietto o diaframma. Tutti questi dispositivi utilizzano lo stesso principio di base: una pressione variabile espande, contrae, torce o distorce in altro modo l'elemento di misura, che viene poi collegato a un ago indicatore che scorre sul quadrante. Lo svantaggio principale di questo tipo di manometro è che le variazioni di pressione atmosferica e di temperatura agiscono come "bug" nel sistema e devono essere compensate per mantenere indicazioni precise.
C'è un altro "bug": l'isteresi. È la tendenza di qualsiasi materiale a non tornare alla sua forma o posizione originale dopo che è stato distorto. A meno che il materiale utilizzato nella costruzione degli elementi e dei meccanismi di azionamento non venga scelto con cura, si svilupperà gradualmente una distorsione e si finirà per avere una lettura errata. Prima che ve ne accorgiate - isteresi!
I problemi sollevati dai cambiamenti di pressione atmosferica possono essere superati piuttosto facilmente evacuando gli elementi di misura sensibili ad alto vuoto. Così ogni aumento di pressione sopra lo zero assoluto darebbe l'indicazione o il movimento desiderato dell'elemento. I misuratori di questo tipo, tuttavia, sono sensibili alle sovrapressioni, e un improvviso aumento accidentale della pressione al di sopra dell'atmosfera può causare danni.
Grazie alla moderna elettronica a microprocessore, è stato sviluppato un misuratore a diaframma che serve abbastanza bene un campo fino a 1 Torr (o 1 mm di mercurio). (Sento che sta per arrivare un altro passo avanti nelle vendite). Inoltre, lo fa con una precisione di ±1 Torr, e prende una sovrapressione fino a 30 psi. Per inciso, chiamiamo questo piccolo miracolo della tecnologia di misurazione del vuoto il misuratore di vuoto a membrana piezoelettrico Televac® 1E.
Vediamo ora ... dove eravamo rimasti? - Oh, sì! - Stavamo per laurearti al dipartimento di micronizzazione. Avevamo spiegato Questa confusione mi ricorda la storia dei quattro ciechi e dell'elefante. Quando furono introdotti a Jumbo, tutti si misero in contatto per sentire l'animale e determinare come fosse. Uno afferrò la zampa dell'elefante e sostenne che l'elefante era proprio come un albero. Un altro mise le zampe sulla proboscide dell'elefante e sostenne che l'animale era come un serpente. Il terzo uomo si trovava per caso al fianco dell'elefante e quando sentì la distesa di un'area piatta, naturalmente sostenne che l'elefante era simile a un muro (stucco, naturalmente). Il quarto uomo si è impossessato di quella parte dell'anatomia che di solito si tiene all'estremità meridionale di un elefante diretto a nord (la coda), e ha sostenuto che l'elefante era come una corda. Tutti e quattro avevano ragione, ma non riuscivano a stare insieme. che il termine "pollici di mercurio" era per coloro che usano un metro per misurare il loro vuoto. Il termine è di solito applicabile ai vuoti su tutta la gamma da 0" a 30". "Millimetri di mercurio" o "Torr" è semplicemente un perfezionamento di questa misura simile al perfezionamento di una coppia di calibri sul metro.
"Micron" designa una misura ancora più fine di Torr e utilizza (teoricamente, naturalmente) un microscopio elettronico. 1 Torr è pari a 1/25 di pollice e un micron è pari a 1/1.000 di Torr. Provate ad immaginare un confronto tra il pianeta, l'Empire State Building, e una formica, o forse solo il suo piccolo dito del piede (ovviamente le formiche non hanno le dita dei piedi... quindi dovrete solo lavorare con me). Dal momento che misuriamo il vuoto fino a 1/100.000 di 1 micron (0,00001 micron) o 10-8 Torr, si vede che ci stiamo avvicinando rapidamente al "nulla" - ma non ci siamo ancora arrivati.
Tanto per rinfrescare la memoria, 10-8 Torr è solo un modo conveniente per dire 0,0000000001 Torr. Un modo semplice per ricordare la conversione è quello di contare quanti posti si deve spostare il punto decimale. Ad esempio, 0,001 sarebbe 1*10-3. Se tutte queste relazioni sono ancora confuse, date un'occhiata allo strumento di conversione della misurazione del vuoto sul nostro sito web. Ora che siete stati formalmente introdotti al micron, potete considerarvi parte di pochi selezionati e potete essere soprannominati "Chief Potentate of Punk Pressure".
Da qui in poi, i vostri problemi principali riguarderanno i modi di misurare il vuoto in termini di Torr e micron. Non dimenticate che un vuoto di 12,7 Torr equivale a 12.700 micron. Come detto sopra, il nostro sforzo letterario rivelerà modi e mezzi per misurare il vuoto fino a 0,00001µ o 0,0000000001 Torr o 10-8 mm Hg (Hg è l'idea di qualcuno di esprimere chimicamente l'elemento mercurio. Hanno pensato che avrebbe risparmiato inchiostro. E "µ", tra l'altro, è il risparmio di inchiostro per micron).
A quelli di voi che finora hanno misurato il vuoto con un righello, queste cifre sembreranno un po' come il debito pubblico al contrario e quindi non significheranno molto, ma almeno siamo d'accordo sulla nostra terminologia. Ora possiamo discutere liberamente della misurazione del vuoto alto con quelli di voi che sono a capo della classe.
Misuratore a membrana
Questo misuratore misura il movimento di un diaframma flessibile causato da una pressione applicata. Utilizza diverse tecniche per misurare questa deflessione. Una tecnica misura la variazione di capacità tra un elettrodo fisso e un diaframma in movimento (detto diaframma capacitivo). Una seconda tecnica utilizza il segnale di un estensimetro collegato direttamente al diaframma. I misuratori a diaframma sono tipicamente utilizzati per misurare pressioni comprese tra 760 Torr e 0,001 Torr (o da 1 Atm a circa 1/1.000.000 di Atm). Tuttavia, utilizzando più trasduttori, è possibile estendere questo intervallo in modo da poter leggere pressioni inferiori a 10-5 Torr.
Questo misuratore non è sensibile al tipo di gas. Questi sensori sono compensati in temperatura, ma rispondono ai rapidi cambiamenti di temperatura. Le variazioni di temperatura possono causare spostamenti di zero. Gli utenti dovrebbero notare che le regolazioni occasionali del punto zero sono normali per sostenere la precisione con questo tipo di sensore, e le disposizioni per effettuare questa regolazione dovrebbero essere incluse nell'installazione.
Misuratori di conducibilità termica
Ci sono due tipi generali di misuratori sul mercato in questa classificazione generale dei vuotometri. Uno è noto come calibro Pirani e l'altro è noto come calibro a termocoppia. Entrambi i tipi funzionano secondo il principio della conducibilità termica, che ora ci impegneremo a spiegare. Questi misuratori misurano la conducibilità termica del gas residuo. La capacità del gas nel sistema sotto vuoto di condurre il calore lontano dal filamento (o "filo caldo") è una funzione della conducibilità termica del gas. Questi misuratori misurano questo, e quindi sono anche noti come "misuratori a filo caldo".
Per misurare il vuoto con il metodo della conducibilità termica, applichiamo una tensione e una corrente costante ad un filamento montato all'interno di un manometro collegato al sistema del vuoto. La temperatura del filamento alla fine assumerà l'equilibrio. Il calore generato dal filamento viene condotto lontano dalle immediate vicinanze del filamento dalle molecole del gas che lo circondano. Quando iniziamo a pompare il gas dal vacuometro, il filo diventa più caldo perché ci sono meno molecole di gas presenti per condurre il calore lontano dal filamento.
Più il calibro viene evacuato, più il filamento diventa caldo con la stessa tensione e corrente applicata. Alla fine, quando si raggiunge un alto vuoto (dell'ordine di 0,1 micron), si può supporre che il filamento abbia raggiunto la sua temperatura massima perché ci sono relativamente poche molecole di gas rimaste all'interno del misuratore per condurre via il calore. In realtà, ce ne sono ancora miliardi, ma sono come il dollaro americano - non significano molto perché sono così piccole.
La differenza tra il calibro Pirani e il calibro a termocoppia è il metodo utilizzato per misurare la variazione di temperatura del filamento. Il misuratore Pirani utilizza generalmente un singolo filamento; all'aumentare della temperatura del filamento, aumenta anche la sua resistenza e la temperatura del filo viene effettivamente misurata in termini di resistenza. Il misuratore può quindi essere calibrato con un accurato misuratore capacitivo a diaframma, utilizzando aria secca (o qualsiasi altro gas secco per il quale si desidera calibrare il misuratore). Naturalmente, il manometro può essere calibrato direttamente in micron dopo aver stabilito i vari punti della scala: una data temperatura (o resistenza) equivale a un dato vuoto indicato dal manometro a membrana capacitivo.
Con il misuratore a termocoppia si applica lo stesso principio, ma in questo caso si misura la temperatura del filamento anziché la resistenza. Ciò avviene per mezzo di una termocoppia saldata al filo del filamento. La termocoppia assume naturalmente la stessa temperatura del filamento e si sviluppa un potenziale definito. Questo potenziale in millivolt può essere calibrato direttamente in micron. (Se si conosce il significato di termocoppia o di potenziale, non ci si preoccupi di leggere la sezione successiva).
Misuratore a termocoppia
Molto spesso termini come termocoppia e potenziale sono così promiscui da coloro che "sanno" che Junior li guarda solo passare. Una termocoppia è semplicemente un paio di fili fatti di materiali diversi uniti insieme. Due metalli diversi vanno bene, anche se alcune combinazioni funzionano meglio di altre. La "magia nera" inizia quando questi due fili sono uniti insieme. Solo perché sono diversi, iniziano a generare tensione, o potenziale, come si chiamerà ora. La cosa unica di una termocoppia, tuttavia, è che quando è sottoposta a calore (o a qualsiasi altro cambiamento di temperatura), la millivoltaggio generato da questi due diversi metalli cambia proporzionalmente - meraviglioso, non è vero?
Man mano che la termocoppia si riscalda, genera più millivolt e questi potenziali mutevoli possono essere facilmente misurati. Tutto quello che si deve fare è calibrare la temperatura variabile del filo caldo in termini di millivolt generati dalla termocoppia e si dispone di un vacuometro a termocoppia. Ora il misuratore di capacità a diaframma entra di nuovo in gioco, e si deve sapere quale potenziale è uguale a quale livello di vuoto.
Con i misuratori a termocoppia, la corrente e la tensione del filamento devono essere mantenute attentamente per garantire una calibrazione stabile. È inoltre necessario che i filamenti non si opacizzino o si appannino a causa della condensazione di eventuali vapori contaminanti presenti nel sistema di vuoto. Non appena i fili diventano leggermente opachi, si nota una perdita di radiazioni che influisce sulla calibrazione del misuratore.
Per superare questa difficoltà, l'azienda che tiene la mia famiglia in cibo e vestiti (troverete il loro nome sul retro della copertina) ha ideato un metodo unico per proteggere i filamenti. Il nostro fondatore ha teorizzato che se i filamenti fossero stati pretrattati prima della calibrazione del calibro, la calibrazione non sarebbe stata influenzata da un'ulteriore contaminazione causata dai vapori nel sistema del vuoto. Questo metodo è stato introdotto nei misuratori a termocoppia Televac®. (Ancora un altro passo di vendita, la tentazione era semplicemente troppo grande!)
I misuratori possono essere costruiti in uno dei due modi, il primo metodo utilizzato è un misuratore di riferimento (o standard) che è stato evacuato a un vuoto di 0,1 micron ed è sigillato ermeticamente. La stessa corrente e tensione che viene applicata ai fili del misuratore (il misuratore collegato al sistema di vuoto) viene applicata anche ai fili all'interno del tubo di riferimento sigillato.
La temperatura dei due fili riscaldanti viene quindi confrontata e la differenza viene utilizzata come base per determinare il vuoto. Man mano che il vuoto nel tubo di misura si avvicina al vuoto del tubo di riferimento, la temperatura del filo caldo si avvicina alla parità. L'uso del tubo di riferimento consente di compensare le variazioni di temperatura ambientale, poiché le due celle si trovano sempre alla stessa temperatura. In questo modo, viene introdotto un effetto di equalizzazione nel caso in cui si verifichino variazioni anomale delle temperature circostanti.
Il secondo metodo di impiego del principio di conducibilità termica ignora l'uso del tubo di riferimento e si limita a misurare la temperatura del filamento nel tubo di misura. La compensazione della temperatura ambiente viene effettuata mediante l'uso di una resistenza di coefficiente di temperatura negativa (NTC, detta anche termistore) nel circuito di misura.
A meno che non vengano impiegati circuiti speciali per aumentare il segnale a pressioni più elevate, i manometri a filo caldo sono limitati nel loro campo di misura ad un limite superiore di circa 20.000 micron (per un campo da 10-3 a 20 Torr). La precisione al di sopra del punto di 500 micron è in qualche modo limitata perché la variazione della conducibilità termica del gas residuo tra 500 e 20.000 micron è molto piccola. Anche se gli sviluppi hanno ampliato considerevolmente questo intervallo, è ancora molto difficile rendere un elemento abbastanza sensibile da determinare con precisione quelle minuscole differenze di conducibilità termica. Le limitazioni valgono anche nella parte inferiore della scala - al di sotto di 1 micron, le variazioni di conducibilità termica sono molto minuscole.
Un altro problema che confonde l'utilizzatore dei misuratori a filo caldo è il fatto che i gas diversi da quello per cui il misuratore è stato originariamente calibrato possono influenzare la precisione dello strumento. Per esempio, l'aria secca ha una conducibilità termica di 1, ma l'idrogeno, d'altra parte, ha una conducibilità termica molto maggiore di quella dell'aria. Quindi se il manometro fosse stato sottoposto ad un'atmosfera di idrogeno, circa 5 volte più calore sarebbe stato condotto lontano dal filamento di quanto sarebbe stato condotto dall'aria alla stessa pressione. Pertanto, il filamento sarebbe più freddo alla stessa pressione e quindi darebbe un'indicazione errata di un vuoto più basso (o di una pressione più alta).
L'idrogeno, ovviamente, è un esempio estremo. La maggior parte dei sistemi di vuoto non contiene un eccesso di questi gas ad alta conduttività. Tuttavia, sono spesso presenti altri gas, come CO2, vapore acqueo, azoto, alcool, mercurio e vapori di olio, che hanno un leggero effetto sulla calibrazione del misuratore.
La conducibilità termica di varie combinazioni di questi gas, sebbene non sia identica a quella dell'aria, è comunque abbastanza vicina da consentire all'ingegnere industriale del vuoto di duplicare le proprie letture e di stabilire questo processo ciclico con relativamente pochi problemi utilizzando il manometro a filo caldo. Si può dire che molti processi di vuoto riguardano principalmente il pompaggio di aria o azoto da una determinata camera; pertanto, la calibrazione del manometro può essere considerata abbastanza accurata.
Manometro a convezione
L'elemento sensibile del manometro a convezione è costituito da una coppia di fili riscaldati dal passaggio di una corrente che mantiene una temperatura costante. Le termocoppie sono saldate al centro dei fili, fornendo un mezzo per misurare direttamente la temperatura.
Per mantenere una temperatura costante, la corrente aumenta con l'aumentare della pressione nel sensore, poiché è disponibile più aria per raffreddare il filo riscaldato.
La risposta del sensore dipende dal tipo di gas. Questi sensori sono compensati per la variazione della temperatura ambiente e sono calibrati per il funzionamento in posizione verticale. La gamma di questi sensori va da 10-3 a103 Torr. I punti di calibrazione dello zero e dell'atmosfera (pressione atmosferica) sono previsti per regolazioni occasionali, se necessario.
Misuratore di ionizzazione
I misuratori finora discussi coprono molte delle gamme utili che si incontrano oggi nei processi sotto vuoto, ma non abbiamo ancora considerato il reparto "alto" del vuoto, che richiede misure accurate fino a 10-10 o 0,0000001 micron. (Si tratta di un centesimo di milionesimo di Torr nel caso in cui si voglia misurare con un righello). A questo scopo, il misuratore di ionizzazione è di solito impiegato e, con un misuratore correttamente costruito, lo scienziato può misurare il vuoto fino a 1*10-11 Torr. (Se avete misurato il vuoto in questo intervallo, siete uno scienziato).
La pressione più alta a cui il misuratore di ionizzazione a catodo caldo può essere continuamente sottoposto è dell'ordine di 1 micron, perché le pressioni al di sopra di questa sottopongono il filamento ad un effetto ossidante che causa frequenti burnout e incoraggia il linguaggio cattivo. Così la ionizzazione a catodo caldo è adattata principalmente a quei processi che ora richiedono un ultra alto vuoto ben al di sotto di 1 micron.
Misuratore di ionizzazione a catodo caldo
Parliamo del principio che sta dietro al misuratore di ionizzazione a catodo caldo in relazione al nostro diagramma qui sotto con Joe Electron un filamento di tungsteno all'interno del misuratore collegato al vostro sistema a vuoto viene riscaldato ad incandescenza ed emette elettroni carichi negativamente come Joe. Non importa come o perché - succede e basta. Dopo che questi elettroni vengono emessi dal filamento, viaggiano in una linea retta che non conosce dove, entrano in contatto e si scontrano con le molecole d'aria che rimangono nel sistema.
Bayard e Alpert scoprirono che se accanto al filamento veniva costruita una spirale di filo, chiamata griglia (che assomiglia a una scala circolare), caricata positivamente con l'elettricità, gli elettroni negativi in viaggio dal filamento ricevevano un "colpo di fortuna" e acceleravano il loro viaggio nello spazio. Questo processo di accelerazione è causato dalla forte attrazione che gli elettroni negativi esercitano sulla griglia positiva, che agisce in qualche modo come un magnete. Tuttavia, gli elettroni provenienti dal filamento sono così tanti che la maggior parte di essi non riesce a frenare quando si avvicina alla griglia. Invece, la superano sfrecciando verso un filo metallico posto all'interno della griglia. Questo filo metallico è chiamato "collettore" ed è caricato negativamente.
Bene, Joe Electron ora ha sfrecciato attraverso la cintura, ricevendo un calcio nei pantaloni mentre passa, e sta viaggiando ad alta velocità verso il collezionista. Le molecole d'aria fino ad ora sono state neutre, e i protoni positivi bilanciano solo gli elettroni negativi che si combinano per formare la molecola. Mentre l'elettrone del filamento viaggia ad alta velocità verso il collettore, una molecola d'aria si mette sulla sua strada e - Wham! Si scontrano!
Quando ciò accade, Joe Electron carica negativamente un elettrone negativo dalla molecola dell'aria, e la molecola diventa ora carica positiva (perché è meno un elettrone negativo). Il processo è noto come ionizzazione. Joe Electron continua poi il suo viaggio (non meno di un pirata della strada); quando si avvicina al collettore a carica negativa, viene respinto perché anche lui è negativo.
Joe si gira e si dirige di nuovo verso la griglia a carica positiva, e alla fine finisce per essere lanciato di nuovo attraverso la griglia a spirale. La molecola d'aria a carica positiva, meno un elettrone negativo, si dirige verso il collettore a carica negativa e viene ricevuta a braccia aperte. Il collettore si sente dispiaciuto per la povera molecola meno un elettrone, quindi, a sua volta, cede uno dei suoi elettroni negativi e ripristina così la molecola al suo stato neutro originale. È questo flusso di elettroni dal collettore che misuriamo (in termini di microampere) per darci il grado di vuoto. Il numero di molecole d'aria nel vuotometro è direttamente proporzionale alla ionizzazione che avviene, e quindi direttamente proporzionale al flusso di elettroni ceduti dal collettore.
Quindi, migliore è il vuoto, minore è il numero di molecole d'aria presenti, minori sono le collisioni e minori sono gli elettroni che fluiscono dal collettore. Infatti, a pressioni molto basse, dell'ordine di 10-11 Torr, sono necessarie apparecchiature speciali per amplificare e misurare la corrente del collettore. Questa condizione rende la giornata ideale per gli automobilisti della domenica e persino la moglie di Joe, Jane Electron, che aspira a diventare un pirata della strada come il marito, non riesce a trovare molte molecole d'aria da colpire. Se si potesse lanciare un sasso nello spazio e questo continuasse a viaggiare in linea retta, le probabilità di colpire una stella sarebbero piuttosto scarse, anche se ci sono miliardi di stelle a cui mirare. Allo stesso modo, le molecole d'aria sono così piccole che, sebbene ce ne siano milioni nel vuoto spinto, lo spazio tra di esse è così ampio che le collisioni sono poche e molto rare. Nel vostro sistema di alto vuoto, quindi, abbiamo una versione subminiaturizzata dell'universo.
Uno dei problemi che si incontrano durante la calibrazione del misuratore di ionizzazione è che la corrente del filamento deve essere controllata in modo che venga emesso un flusso costante di elettroni. Anche la griglia positiva deve rimanere sufficientemente carica in modo che la velocità degli elettroni non venga compromessa. Se questa carica diventa debole, gli elettroni negativi del filamento non otterranno una velocità (forza) sufficiente per ionizzare le molecole d'aria.
Un altro svantaggio di questo tipo di manometro è che il filamento sarà danneggiato se la pressione sale a circa 10 micron, o se il manometro è sottoposto ad un uso continuo superiore a 1 o 2 micron. A causa di incidenti, o di qualche altra causa, il filamento si brucerà immediatamente. Ricordate che tempi duri ha avuto il vecchio Tom Edison nel tentativo di mantenere un filamento incandescente a pressione atmosferica. In un modo o nell'altro i filamenti non hanno retto. Quando ha evacuato la lampadina - presto! Nacquero le lampadine elettriche.
Una caratteristica interessante del manometro a ionizzazione Televac®, che attrae soprattutto gli utenti industriali, è che il filamento del manometro Televac® non può bruciarsi a causa di incidenti o altre cause che portano ad un improvviso aumento della pressione. Non appena la pressione del sistema di vuoto sale al di sopra di 1 o 2 micron, la corrente al filamento viene istantaneamente e automaticamente interrotta. In questo modo si risparmia il filamento e si evitano costosi arresti e frequenti sostituzioni di manometri. Si risparmia anche l'usura e l'usura dei nervi e del temperamento.
Misuratore di ionizzazione a catodo freddo
Il misuratore di ionizzazione a filamento caldo (o catodo caldo) è lo standard accettato in laboratorio per la misura di "alto" vuoto, ma ha degli svantaggi per l'uso industriale. I tubi del misuratore sono di solito o di una delicata costruzione in vetro o sono tubi "nudi", che consistono di elementi non protetti che sporgono nella camera del vuoto. Entrambe queste "teste di rilevamento" sono soggette a danni o contaminazioni da parte del sistema, il che le rende inutilizzabili.
Negli ultimi anni, quindi, un altro tipo di misuratore di ionizzazione ha trovato il favore degli ambienti industriali, come i forni a vuoto e le saldatrici a fascio elettronico. Si tratta di un misuratore a catodo freddo, di cui esistono diversi tipi, tra cui il misuratore di Penning e il misuratore a doppio magnetron invertito. Vengono utilizzati due catodi collegati in parallelo e l'anodo è posizionato a metà tra di essi. I catodi sono piastre metalliche o boss metallici sagomati; l'anodo è un anello di filo metallico appiattito, il cui piano è parallelo a quello del catodo. Tra l'anodo e i catodi viene mantenuta una differenza di potenziale compresa tra 2 e 4 kV. Inoltre, tra i catodi viene applicato un campo magnetico da un magnete permanente, solitamente esterno al corpo del tubo di misura.
Gli elettroni emessi da uno dei due catodi viaggiano in percorsi elicoidali (a causa del campo magnetico), raggiungendo infine l'anodo, che trasporta un'elevata carica positiva. Durante il viaggio lungo il lungo percorso degli elettroni, molti degli elettroni si scontrano con le molecole di gas residuo, creando ioni positivi che viaggiano direttamente verso i catodi. La corrente di ionizzazione che viene così prodotta viene letta direttamente su un microammetro in termini di pressione.
Il campo di pressione affidabile di questo strumento è di solito da 10-3 a 10-8 Torr, anche se i nuovi modelli hanno esteso questo campo sia verso l'alto che verso il basso. Il limite superiore è impostato dallo scarico a incandescenza che appare, e può variare un po' a seconda della composizione del gas residuo o della pulizia degli elementi del tubo del manometro. Il limite inferiore è impostato dalla più piccola corrente ionica che può essere praticamente misurata, e le guarnizioni. Il vantaggio di questo tipo di misuratore a ionizzazione è che il misuratore a catodo freddo è molto robusto e può essere facilmente smontato per la pulizia. Lo strumento può essere pulito mediante sabbiatura con graniglia di vetro abrasiva degli elementi o utilizzando un semplice tampone abrasivo.
In chiusura...
Ci sono molti indicatori buoni e accettabili sul mercato; credo che tutti abbiano i loro vantaggi e svantaggi. A qualche genio resta da concepire un misuratore di vuoto multiuso che possa essere usato in laboratorio e nell'industria; che mantenga una calibrazione stabile nonostante tutti gli stupidi errori che gli elementi umani possono commettere; che sia in grado di resistere a improvvisi sbalzi di pressione senza problemi; che non venga danneggiato quando viene riempito con olio per pompe a vuoto che si è accumulato nel sistema dopo che Junior si dimentica di rilasciare il vuoto; che non sarà influenzato dalle condizioni della temperatura e dell'atmosfera o dalla presenza di gas vaganti e talvolta corrosivi; che può essere agitato, intercettato e giurato da ingegneri che pensano che la lettura sia sbagliata; che può essere adattato per tutti i range di vuoto tra 10-11 Torr e pressione atmosferica - e che si venderà per pochi dollari.
Se qualche genio leggendo questo può escogitare un tale strumento, iniziate subito a compilare i vostri documenti per la pensione! Come potete vedere, ci sono ancora molti problemi legati alla misurazione del vuoto. Centinaia di essi non sono nemmeno menzionati in questo libretto; anche se lo fossero, probabilmente ne avete incontrati un paio nuovi. Tutto ciò che possiamo dire è che l'elaborazione ad alto vuoto è davvero affascinante e che siamo alle soglie di una nuova era nello sviluppo industriale che utilizza le procedure del vuoto. Si incontreranno molti nuovi problemi; spetta all'ingegnere dell'alto vuoto affrontare queste sfide con una mente aperta. Sono necessarie nuove idee e l'industria si rivolge a voi.
- J. Gordon Seiter
Come rispettosamente aggiornato da
John J. (Jack) Boericke, 1976
William H. (Bill) Bayles, 1993
Shawn Orr e Jonathan Lance, 2019