Ciência e Tecnologia do Vácuo

Aula 7

Medidores de Vácuo

Introdução

• Atualmente a Tecnologia de Vácuo permite obter-se pressões 1019 vezes abaixo da pressão atmosférica, ou seja, ~ 10-16 Torr.• Nenhum medidor pode cobrir toda esta faixa de pressão. Na prática usa-se diferentes medidores para diferentes faixas de pressão.

A unidade Torr

Hg

1 mm p = 1 Torr

Hg

1 mm p = 1 Torr

Faixas de Pressão / Custo

Tipos de Medidores1 - Medidores Mecânicos• Medidor Bourdon• Medidor de Diafragma• Medidor de Membrana Capacitiva2 - Medidores de Colunas de Líquidos• Manômetro em U• Manômetro Inclinado3 - Medidores de Condutividade Térmica• Medidor Pirani• Medidor a Termopar4 - Medidores de Ionização• Medidor de Cátodo Quente• Medidor de Cátodo Frio

Princípio Físico de Operação

Medidores Princípio

•Mecânicos•Coluna líquida

Força produzida pelo gás sobre uma superfície

•Condutividade térmica Variação da condutividade térmica do gás

•Ionização Corrente iônica do gás ionizado

Escolha do Medidor

Para cada uso pode haver mais de um medidor. Para escolher o mais adequado deve-se considerar:

A região de pressão para o qual o medidor é desejado

Se a leitura do medidor depende da natureza do gás,

A precisão da medida desejada

Medidor Bourdon

http://www.mspc.eng.br/fldetc/press_120.shtml http://www.amperesautomation.hpg.ig.com.br/temp.html

Manômetro Barometricamente Compoensado

Medidores de Coluna Líquida

Tubo em U• Aberto:

• Fechado:

s atmp p g h ρ - densidade do líquidog - aceleração da gravidadeh - diferença entre níveis

sp gh

Medidores de Coluna Líquida

Tubo em U• Inclinado

sensp gh

McLeod Larga faixa de operação Inadequado para operação de rotina Sendo um medidor absoluto de pressão, é útil para a calibração de outros medidores. Medidas errôneas se houver condensação do gás durante o processo de compressão

•Faixa de operação: 100 à 10-6 Torr•Precisão: 1 Torr

McLeod

Medidores de Condutividade Térmica

O príncipio físico deste tipo de medidor é a capacidade de condução de calor em um gás, que varia com sua pressão.• A troca de calor gera:

– Variação na resistência elétrica do filamento (medidor Pirani)

– Variação na temperatura do filamento (medidor a Termopar)

filamento

gás

calor

filamento

gás

calor

Medidor Pirani• A pressão do gás é proporcional a resistência elétrica do filamento. Para a medida da resistência usa-se uma ponte de Wheatstone, figura abaixo. Na prática mede-se a tensão elétrica da ponte.

Medidor Termopar

• A pressão do gás é proporcional à temperatura do filamento, a qual é medida por um termopar.

V

ivácuo

V

ivácuo

Curva de Calibração para Medidores de Condutividade Térmica

Medidores de ionização

• Utiliza-se como princípio de operação a medida da corrente iônica do gás, que é proporcional à pressão.Os íons do gás são gerados por:

– choque com elétrons provenientes de um fio aquecido

(medidor de cátodo quente)– descarga elétrica entre eletrodos à alta tensão

(medidor de cátodo frio)

Medidor de cátodo quente(tipo Schulz e Phelps)

+ íons

moléculas

elétrons

++ íons

moléculas

elétrons

i

++

++

+

(+)

(-)

coletor de elétrons

coletor de íons

vácuo

i

+++

++

+

(+)

(-)

coletor de elétrons

coletor de íons

vácuo

faixa de operação: 1 à 10-5 Torr

Medidor de cátodo quente• O filamento emite elétrons

(efeito termoiônico)• Os elétrons geram íons por

choques com as moléculas do gás

• Os íons dirigem-se a placa inferior, gerado uma corrente i+

• i+ - corrente de íons• i- - corrente de elétrons• s - sensibilidade do

medidor (depende do gás)• p - pressão do gás

i s i p p = pressão em mbar

i+ = corrente iônica

i- = corrente eletrônica (cte)

faixa de operação: 10-3 à 10-8 Torr

Cátodo quente com grade

(-)

(+)

filamento

coletor de íons grade

(-)

(+)

elétrons

Cátodo quente com grade

• A presença de grade faz com que os elétrons se movimentem em trajetórias oscilantes, antes de serem coletados pela mesma. Isto acarreta uma maior probabilidade de choques com as moléculas e portanto uma maior corrente de ionização i+. Consequentemente a faixa de operação do medidor aumenta.

• Problema:– O choque dos elétrons com a grade

gera radiação de raios-X, que ao atingir a placa coletora emite elétrons secundários. A corrente total será então:

final raios Xi i i

(+)

filamento

coletor de íons

grade

(-)

Solução: Bayard-Alpert

Medidor de cátodo frioPenning

• Alta tensão (2 kV):• ioniza as moléculas do gás

(íons +)

• Íons +:• chocando-se com o cátodo

emitem elétrons secundários

• Imã:• obriga os elétrons secundários

a fazerem trajetórias curvas dirigindo-se para o ânodo, aumentando a probabilidade de colisão dos elétrons e as moléculas do gás.

(-)

(+)

2 kV

imã

imã

vácuoânodo

cátodo (-)

(+)

2 kV

imã

imã

vácuoânodo

cátodo

imã imã

(-) (+) (+)(-)

B B B B

faixa de operação: 10-3 a 10-7 Torr

Medidor de cátodo frioKlemperer

Medidor “Strain”Stress ou Tensão

Medidor de Membrana Capacitivo• A variação da pressão

causa uma deflexão em uma membrana sensível e consequentemente uma variação na capacitância do capacitor composto de uma placa fixa e da membrana sensora

• A medida da variação da capacitância é feita por um circuito oscilador LC

Faixa de operação: 760 a 10-6 Torr

Medidor de Membrana CapacitivoCaracterísticas princípais:

• Independe da natureza do gás• larga faixa de operação• alta sensibilidade• longa vida útil• fácil instalação e uso

Como conectar um sensor numa

câmara de vácuo.

Errado Correto

Válvulas de Vácuo

Diafragma e Ventilação

Válvula Agulha

Válvula ¼ de volta

Válvula Rápida

Válvula Gaveta

Conexões

Conexões• Todo sistema de vácuo possui muitas conexões de

interligação entre diversas partes: bombas, tubulação, câmara, sensores, etc...

• Esses elementos do sistema podem ser conectados com diversos tipos de conexões, sempre com o objetivo de impedir vazamentos de gás para dentro do sistema.

• Duas conexões (flanges) com superfície muito bem polida comprimidas uma contra a outra deixa entre ambas canais micrométricos que constituem caminhos de vazamento no sistema de vácuo.

Conexões• Nas partes desmontáveis de um

sistema de vácuo, no intervalo de pressões desde atmosférica até 10-

7 mbar, normalmente se utiliza O’rings como elemento de vedação.

• Os o’rigns são feitos de “elastômero” o qual é comprimido entre duas superfícies polidas de modo a vedar a conexão.

• A compressão do o’ring é feita comprimindo-se as conexões uma contra a outra, utilizando-se parafusos ou braçadeiras.

Canais de O’ring

• O perfil de uma conexão para acomodação de um o’ring pode ser:

retangular, cônico ou trapezoidal

Canal Retangular

2

4dAB k

(a) B=0,7d ; A=1,4d

(b) B=0,7d ; A=d ; C=0,32 d

(c) idem (a)

k=volume morto=0,72

Canal Trapezoidal

a) Esta simetria prende o o’ring ao canal e impede que o mesmo se solte quando em manutenção

C/d = 0,8 ; A/d = 0,9b) e c) são de mais fácil manutenção

Canal Cônico

• A = 1,32 d

Vedação de haste (shaft)

• Este tipo de conexão é ideal para elementos tubulares passantes entre região interna e externa à câmara

Vedação de haste - Dimensões

Tipos de canais de O’rings

Conexões - Flanges

• Uma flange é uma parte da união de uma conexão de um sistema de vácuo.

• Existem basicamente três tipos de flanges:

NW, ISO, CF

Anéis de Centragem