Conceitos de Vácuo Ioshiaki Doi FEEC/UNICAMP Conceitos de Vácuo.
Ciência e Tecnologia do Vácuo Aula 7. Medidores de Vácuo.
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Ciência e Tecnologia do Vácuo
Aula 7
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Medidores de Vácuo
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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.
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A unidade Torr
Hg
1 mm p = 1 Torr
Hg
1 mm p = 1 Torr
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Faixas de Pressão / Custo
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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
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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
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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
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Medidor Bourdon
http://www.mspc.eng.br/fldetc/press_120.shtml http://www.amperesautomation.hpg.ig.com.br/temp.html
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Manômetro Barometricamente Compoensado
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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
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Medidores de Coluna Líquida
Tubo em U• Inclinado
sensp gh
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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
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McLeod
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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)
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filamento
gás
calor
filamento
gás
calor
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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.
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Medidor Termopar
• A pressão do gás é proporcional à temperatura do filamento, a qual é medida por um termopar.
V
ivácuo
V
ivácuo
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Curva de Calibração para Medidores de Condutividade Térmica
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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)
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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
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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)
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faixa de operação: 10-3 à 10-8 Torr
Cátodo quente com grade
(-)
(+)
filamento
coletor de íons grade
(-)
(+)
elétrons
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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
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(+)
filamento
coletor de íons
grade
(-)
Solução: Bayard-Alpert
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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
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imã imã
(-) (+) (+)(-)
B B B B
faixa de operação: 10-3 a 10-7 Torr
Medidor de cátodo frioKlemperer
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Medidor “Strain”Stress ou Tensão
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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
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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
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Como conectar um sensor numa
câmara de vácuo.
Errado Correto
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Válvulas de Vácuo
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Diafragma e Ventilação
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Válvula Agulha
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Válvula ¼ de volta
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Válvula Rápida
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Válvula Gaveta
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Conexões
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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.
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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.
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Canais de O’ring
• O perfil de uma conexão para acomodação de um o’ring pode ser:
retangular, cônico ou trapezoidal
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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
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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
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Canal Cônico
• A = 1,32 d
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Vedação de haste (shaft)
• Este tipo de conexão é ideal para elementos tubulares passantes entre região interna e externa à câmara
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Vedação de haste - Dimensões
![Page 47: Ciência e Tecnologia do Vácuo Aula 7. Medidores de Vácuo.](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012323/5706384d1a28abb8238f69ad/html5/thumbnails/47.jpg)
Tipos de canais de O’rings
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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
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![Page 51: Ciência e Tecnologia do Vácuo Aula 7. Medidores de Vácuo.](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012323/5706384d1a28abb8238f69ad/html5/thumbnails/51.jpg)
![Page 52: Ciência e Tecnologia do Vácuo Aula 7. Medidores de Vácuo.](https://reader030.fdocument.pub/reader030/viewer/2022012323/5706384d1a28abb8238f69ad/html5/thumbnails/52.jpg)
Anéis de Centragem
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