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Pressure Sensor Types

Since pressure is defined as the force per unit area, the most direct way of measuring pressure is to isolate an area on an elastic mechanical element for the force to act on. The deformation of the sensing element produces displacements and strains that can be precisely sensed to give a calibrated measurement of the pressure. This forms the basis for essentially all commercially available pressure sensors today. Specifically, the basic requirements for a pressure-sensing element are a means to isolate two fluidic pressures (one to be measured and the other one as the reference) and an elastic portion to convert the pressure difference into a deformation of the sensing element.

Pressure can be measured relative to vacuum, atmosphere, or another pressure measurand.

• Absolute pressure sensors are devices that measure relative to a vacuum and therefore must have a reference vacuum encapsulated within the sensor.

Atmospheric pressure is measured using absolute sensors.

• Gauge pressure sensors measure relative to atmospheric pressure, and therefore, part of the sensor must be vented to the ambient atmosphere. Blood pressure measurements are taken using a gauge pressure sensor. Vacuum sensors are a form of gauge pressure sensor designed to operate in the negative pressure region.

• Differential pressure sensors measure the difference between two pressure measurands. The design of differential sensors often represents the greatest challenge since two pressures must be applied to the mechanical structure. The specifications for such devices can also be exacting since it is often desirable to detect small differential pressures superimposed on large static pressures.

Tipos de sensores de presión

Dado que la presión está definida como la fuerza por unidad de área, la manera mas directa de medir presión es aislar un área sobre un elemento mecánico para que la fuerza actúe. La deformación del elemento sensible produce desplazamientos y esfuerzos que pueden ser precisamente determinados para dar una medición calibrada de la presión. Esto forma la base para esencialmente todos los sensores de presión disponibles comercialmente en la actualidad. Específicamente, los requerimientos básicos para un elemento sensible a la presión son los medios para aislar dos presiones fluídicas (una a ser medida y la otra como referencia) y una porción elástica para convertir la diferencia de presión en una deformación del elemento sensible.

La presión puede ser medida en relación al vacío, atmósfera u otra presión sometida a medición.

• Sensores de presión absoluta, son dispositivos que miden en relación al vacío y por lo tanto deben tener un vacío de referencia encapsulado dentro del sensor.

La presión atmosférica es media usando sensores absolutos.

• Sensores de presión indicadores o de calibre, miden en forma relativa a la presión atmosférica, y por lo tanto, parte del sensor debe ser venteada a la presión ambiente. Las mediciones de presión sanguínea son tomadas usando un sensor de presión indicador. Los sensores de vacío son una forma de sensor de presión indicador diseñado para operar en la región de presión negativa.

• Sensores de presión diferencial, miden la diferencia entre dos presiones sometidas a medición. El diseño de los sensores de presión diferencial representa con frecuencia el mayor desafío, dado que dos presiones deben ser aplicadas a la estructura mecánica. Las especificaciones para tales dispositivos pueden además ser exigentes debido a que es con frecuencia deseable detectar pequeñas diferencias de presión sobre impuestas sobre grandes presiones estáticas.  

Elastic-element mechanical pressure gages

Dating back to the early years of steam power and compressed air and hydraulic technologies, this class of pressure sensors uses some form of elastic element whose geometry is altered by changes in pressure. These elements are of four principal types: bellows, bourdon tube, diaphragm, and capsule.

 

Indicadores mecánicos de presión de elementos elásticos

Remontándonos a los primeros años de las tecnologías de la potencia a vapor,  el aire comprimido y la hidráulica, esta clase de sensores de presión usa alguna forma de elemento elástico cuya geometría es alterada por cambios en la presión. Estos elementos son de cuatro tipos principales: bourdon, tubo bourdon, diafragma y cápsula.

FIGURE 9 Common form of bellows used in pressure gage.

Bellows. This is a thin-wall metal tube with deeply convoluted sidewalls that permit axial expansion and contraction (Fig. 9). Most bellows are made from seamless tubes, and the convolutions either are hydraulically formed or mechanically rolled. Materials used include brass, phosphor bronze, beryllium copper, Monel, stainless steel, and Inconel. Bellows elements are well adapted to use in applications that require long strokes and highly developed forces. They are well suited for input elements for large-case recorders and indicators and for feedback elements in pneumatic controllers.

Aneroid Barometers

Aneroid barometers essentially consist of an evacuated metal capsule with flexible top and bottom faces. The shape of the capsule changes with variations in atmospheric pressure and this deformation is usually mechanically amplified via a series of levers or gears. The pressure capsule can be fabricated in the form of bellows to provide further deflection. The measurement of deflection is done visually by a pointer connected to the levers aligned to an appropriate scale. Alternatively, they can be connected to a plotter for recording pressure against time (known as a Barograph). These devices were first practically realized in the mid-nineteenth century as an alternative to the manometer and, while not as accurate, offered the advantages of ruggedness, compactness, and no liquid (aneroid meaning without liquid). Dynamic response of these devices is poor due to the mechanical mass of the sensor element, and they are not suited for dynamic pressure sensing applications.

They are still widely used today.

 

Figura 9. Forma común de fuelle usado en un indicador de presión.

Diafragma. Este es un tubo de metal de pared delgada con paredes laterales profundamente convolucionadas que permiten la expansión y la contracción axial (figura 9 ). La mayoría de los diafragmas están hechos de tubos sin costura, y las convoluciones formadas hidráulicamente o arrolladas mecánicamente.  Los materiales usados incluyen el bronce, bronce fosforado, cobre berilio, Monel, acero inoxidable e Inconel. Los elementos de los diafragmas están bien adaptados para su uso en aplicaciones que requieren largas carreras y fuerzas altamente desarrolladas. Estos están bien adaptados para elementos de entradas para registradores de gran gabinete e indicadores y para elementos de realimentación en controladores neumáticos.

Barómetros aneroides.

Los barómetros aneroides consisten esencialmente en una cápsula de metal evacuada con caras superior e inferior. La forma de la cápsula cambia con las variaciones en la presión atmosférica y esta deformación es usualmente amplificada mecánicamente mediante una serie de palancas o engranajes. La cápsula de presión puede ser fabricada en la forma de fuelles para proporcionar mayor deflexión. La medición de la deflexión es llevada a cabo en forma visual por un puntero conectado a las palancas alineadas a una escala apropiada. Alternativamente, los mismos pueden ser conectados a un plotter para registros de presión en función del tiempo (conocido como barógrafo). Estos dispositivos fueron realizados prácticamente por primera vez a mediados del siglo diecinueve como una alternativa al manómetro y, aunque no tan precisos, ofrecían una ventaja de rusticidad, tamaño reducido y ningún líquido ( aneroide significa sin líquidos ). La respuesta dinámica de estos dispositivos es pobre debido a la masa mecánica del elemento sensor, y no son apropiados para aplicaciones de medición de presión en forma dinámica.

Los mismos están aún ampliamente usados en la actualidad.

 

 

FIGURE 10 Types of bourdon springs. (a) C-type tube. (b) Spiral tube. (c) Helical tube, (d) twisted Bourdon tube

Bourdon Tube. In the 1852 patent its inventor E. Bourdon described the bourdon tube as a curved or twisted tube whose transfer section differs from a circular form. In principle, it is a tube closed at one end, with an internal cross section that is not a perfect circle and, if bent or distorted, has the property of changing its shape with internal pressure variations. An internal pressure increase causes the cross section to become more circular and the shape to straighten, resulting in motion of the closed end of the tube, a motion commonly called tip travel. Common forms of bourdon tubes are shown in Fig. 10.

Changes in pressure move the closed end of the tube to which a linkage arm and a gear and pinion assembly are attached. These rotate a pointer around a graduated scale, providing visual reading of the pressure. Bourdon tubes are usually used by gauge pressure sensing applications, but differential sensing is possible by connecting two tubes to one pointer. By correctly arranging the linkages, the pointer can be made to measure the pressure difference between the tubes. Helical tubes are more compact, reliable, and offer performance advantages over the more traditional C-shaped devices. Bourdon tubes are used throughout the industry and are available in a wide range of pressure specifications.

A wide range of alloys can be used for making bourdon elements, including brass, phosphor bronze, beryllium copper, Monel, Ni-Span C, and various stainless-steel alloys.

Diaphragm. This is a flexible disk, usually with concentric corrugations, that is used to convert pressure to deflection. (In addition to use in pressure sensors, diaphragms can serve as fluid barriers in transmitters, as seal assemblies, and also as building blocks for capsules.) A diaphragm usually is designed so that the deflection-versus-pressure characteristics are as linear as possible over a specified pressure range, and with a minimum of hysteresis and minimum shift in the zero point. However, when required, as in the case of an altitude sensor, a diaphragm can be purposely designed to have a nonlinear characteristic.

Metals commonly used for making diaphragms are trumpet brass, phosphor bronze, beryllium copper, stainless steel, NiSpan C, Monel, Hastelloy, titanium, and tantalum. Both linearity and sensitivity are determined mainly by the depth and number of corrugations and by the angle of formation of the diaphragm face.

In many pressure-measuring applications, the process fluid must not contact or seep into the pressure element in order to prevent errors due to effects of static head, to isolate the pressure element from corrosive and otherwise fouling fluids, to assist in cleaning (as in the food industry), and to prevent loss of costly or hazardous process fluids. Thus diaphragm seals are commonly used.

Diaphragm-Based Pressure Sensors

Diaphragms are the simplest mechanical structure suitable for use as a pressure sensing   element. They are used as a sensor element in both traditional and MEMS technology pressure sensors. In the case of MEMS, due to the planar nature of many established fabrication processes, the diaphragm is the main form of sensor element developed. Stainless steel diaphragms are routinely incorporated into the package to isolate the sensor from the media. The behavior of the stainless steel diaphragm will affect the performance of the sensor and must be considered when designing the device as a whole at the outset.

Pressure applied to one (or both) side(s) of the diaphragm will cause it to deflect until the elastic force balances the pressure. The pressure range of a given diaphragm will depend upon its dimensions (surface area and thickness), geometry, edge conditions, and the material from which it is made. Traditional metal diaphragm pressure sensors are made from a range of materials such as stainless steels 316L, 304, 17-4 PH, PH 15-7 Mo, titanium, nickel alloys, and beryllium copper. The metals are characterized by good elastic properties and media compatibility.

In the case of traditional sensors, diaphragms are the simplest sensor element to manufacture, they are the least sensitive to vibrations, they offer the best dynamic response, and they are compatible with simple forms of overload protection. However, the deflection associated with diaphragms is much less than, for example, Bourdon tubes. Therefore, electromechanical transduction mechanisms may be employed to measure the deflection rather than the mechanical linkages associated with Bourdon tubes.

Metal diaphragms are typically circular and may incorporate corrugations to modify diaphragm characteristics. The behavior of a diaphragm will depend upon many factors, such as the edge conditions and the deflection range compared to diaphragm thickness. The edge conditions of a diaphragm will depend upon the method of manufacture and the geometry of the surrounding structure. It will vary between a simply supported or rigidly clamped structure, as shown in Figures 11(a) and 11(b). Simply supported diaphragms will not occur in practice, but the analytical results for such a structure may more accurately reflect the behavior of a poorly clamped diaphragm than the rigidly clamped analysis. At small deflections (< ~ 10% diaphragm thickness) the pressure-deflection relationship will be linear.

As the pressure increases, the rate of deflection decreases and the pressure-deflection relationship will become nonlinear. As a rule of thumb, a deflection of 12% of diaphragm thickness will produce a terminal nonlinearity of 0.2%; a deflection of 30% produces a nonlinearity of 2% . The suitability of the deflection range will depend upon the desired specification of the sensor and the acceptable degree of compensation.

Figura 10. Tipos de resortes de bourdon. (a) tubo tipo C; (b) tubo espiral; (c) tubo helicoidal; (d) tubo de Bourdon retorcido

El tubo de Bourdon. En la patente de 1852 su inventor E. Bourdon describió al tubo de bourdon como un tubo curvado o retorcido cuya sección de transferencia difiere de una forma circular. En principio, se trata de un tubo cerrado en un extremo, con una sección transversal que no es un círculo perfecto y, si es doblado o deformado, tiene la propiedad  de cambiar su forma con las variaciones en la presión interna. Un incremento en la presión interna hace que la sección transversal se vuelva mas circular y qua la forma se estire, resultando en el movimiento del extremo cerrado del tubo, un movimiento comúnmente llamado carrera de la punta. Las formas comunes de los tubos de bourdon son mostradas en la figura 10.

Los cambios en la presión mueven el extremo cerrado del tubo al cual el brazo de anclajes y un engranaje y cremallera están unidos. Estos rotan un puntero alrededor de una escala graduada, proporcionando lectura visual de la presión. Los tubos Bourdon son usualmente usados por indicadores de presión en aplicaciones de medición, pero la medición diferencial es posible al conectar dos tubos a un puntero. Al disponer en forma correcta los anclajes, se puede hacer que el puntero mida la diferencia de presión entre dos tubos. Los tubos helicoidales son mas compactos, confiables y ofrecen ventajas de desempeño sobre los mas tradicionales dispositivos en forma de C. Los tubos de Bourdon son usados en toda la industria y están disponibles en un amplio rango de especificaciones de presión.

Un amplio rango de aleaciones pueden ser usadas para fabricar elementos de bourdon, incluyendo en bronce, bronce fosforado, cobre berilio, Monel,  aleación Ni-Span C , y varias aleaciones de acero inoxidable.

Diafragma. Este es un disco flexible, usualmente con corrugados concéntricos, que es usado para convertir presión en deflexión. (En adición al uso en sensores de presión, los diafragmas pueden servir como barreras de fluidos en transmisores, como elementos de sello, y además como bloques de construcción para cápsulas) .  Un diafragma usualmente es diseñado de manera que las características de deflexión versus presión sean tan lineales como sea posible sobre un rango de presión especificado, y con un mínimo de histéresis y un mínimo cambio en el punto cero. Sin embargo, cuando es requerido, como en el caso de un sensor de altitud, un diafragma puede ser diseñado con el propósito de tener una característica no lineal.

Los metales comúnmente usados para hacer diafragmas son el bronce de trompeta, bronce fosforado, cobre berilio, acero inoxidable, NiSpan C, Monel, Hastelloy, titanio y tantalio. Tanto la linealidad como la sensibilidad son determinadas principalmente por la profundidad,  el número de corrugados y por el ángulo de formación de la cara del diafragma.

En muchas aplicaciones de medición de presión, el fluido de proceso no debe hacer contacto o filtrarse dentro del elemento de presión de manera de evitar errores debidos a los efectos del cabezal estático, para aislar el elemento de presión de los fluidos corrosivos y de otra manera incrustaciones, para ayudar en la limpieza (como en la industria de la alimentación), y para prevenir la pérdida de fluidos de proceso costosos y peligrosos. Así, los sellos de diafragma son comúnmente usados.

Sensores de presión basados en diafragmas.

Los diafragmas son la estructura mecánica mas simple adecuada para el uso como elemento sensor de presión. Los mismos son usados como elemento sensor tanto en sensores tradicionales como en los de tecnología MEMS (sensores mecánicos de presión) . En el caso de los MEMS, debido a la naturaleza planar de muchos procesos de fabricación establecidos, el diafragma es la forma principal de elemento sensor desarrollado. Los diafragmas de acero inoxidable son rutinariamente incorporados en un paquete para aislar el sensor del medio. El comportamiento del diafragma de  acero inoxidable afectará el desempeño del sensor y debe ser considerado en principio cuando se diseña el dispositivo como conjunto.

La presión aplicada a uno ( o ambos) lado(s) del diafragma hará que el mismo flexione hasta que la fuerza elástica balancee a la presión. El rango de presión para un diafragma dado dependerá de sus dimensiones ( área de superficie y espesor), geometría, condiciones del borde y del material del que el mismo está hecho. Los sensores metálicos de presión a diafragma tradicionales están hechos de un rango de materiales tales como los aceros inoxidables 316L, 304, 17-4 PH, PH 15-7 Mo, titanio, aleaciones de níquel y cobre berilio. Los metales se caracterizan por buenas propiedades elásticas y compatibilidad del medio.

En el caso de sensores tradicionales, los diafragmas son el elemento sensor mas simple en fabricar, son los menos sensibles a las variaciones, estos ofrecen la mejor respuesta dinámica, y estos son compatibles con las formas mas simples de protección contra sobrecargas. Si embargo, la deflexión asociada con los diafragmas es mucho menor que, por ejemplo, los tubos Bourdon. Por lo tanto, mecanismos de transducción electromecánica pueden ser empleados para medir la deflexión en lugar de anclajes mecánicos asociados con los tubos Bourdon .

Los diafragmas de metal son típicamente circulares y pueden incorporar corrugados para modificar las características del diafragma. El comportamiento de un diafragma dependerá de muchos factores, tales como las condiciones de borde y el rango de deflexión comparado con el espesor del diafragma. Las condiciones de borde de un diafragma dependerán del método de fabricación y de la geometría de la estructura circundante. La misma variará entre una estructura soportada simple o una rígidamente fijada, como se muestra en las figuras 11(a) y 11(b). Los diafragmas simplemente soportados no se dan en la práctica, pero los resultados analíticos de tal estructura puede reflejar mas precisamente el comportamiento de un diafragma pobremente fijado que el análisis de uno ajustado rígidamente. A pequeñas deflexiones (< ~ 10% del espesor del diafragma) la relación presión deflexión será lineal.

A medida que la presión se incrementa, el régimen de deflexión disminuye y la relación presión-deflexión se volverá no lineal. Como regla práctica, una deflexión de 12% del espesor del diafragma producirá una alinealidad de 0,2%; una deflexión del 30% produce una alinealidad del 2%.  La adaptabilidad del rango de deflexión dependerá de la especificación deseada para el sensor y el grado aceptable de compensación.

Figure. (a) flat diaphragm; (b) corrugated diaphragm Figura. (a) diafragma plano; (b) diafragma corrugado

 

Figure 11 (a) Rigidly clamped diaphragm and (b) its associated displacement under uniform pressure. Figura 11 (a) Diafragma fijado rígidamente y (b) su desplazamiento asociado bajo presión uniforme.

 

Figure 12 (a) Simply supported diaphragm and (b) its associated displacement under uniform pressure. Figura 12 (a) diafragma simplemente soportado y (b) su desplazamiento asociado bajo presión uniforme

Traditional Diaphragm Transduction Mechanisms

The generally small displacements associated with traditional metal diaphragms typically require electromechanical transduction techniques to sense their magnitude.

The most common method employed is metal strain gauges located on the face of the diaphragm. These are positioned at the points of maximum strain in order to maximize the sensitivity of the gauge. Metal gauges can be incorporated onto the diaphragm face by bonding foil gauges or by depositing and patterning insulator and metal materials using thin-film techniques such as sputtering or CVD

Another resistive approach is the use of screen printed thick-film strain gauge resistors.  These can be printed on the top surface of a metal diaphragm, previously coated with a printed dielectric layer, and offer improved sensitivity compared with bonded strain gauges. Maximum resistive strain gauge sensitivity can be achieved by bonding a silicon strain gauge to the metal diaphragm. This approach utilizes the piezoresistive nature of silicon, which increases the output of the strain gauge for a given deflection.

Other transduction techniques include capacitance, inductance, reluctance, and piezoelectric. The capacitive approach uses the diaphragm as one electrode of a parallel capacitor structure. Diaphragm displacement causes a change in capacitance between it and a fixed electrode. Inductance can be used to monitor the displacement of the diaphragm by mechanically linking it to the core of a linear variable differential transformer (LVDT). This consists of a symmetrical arrangement of a primary coil and two secondary coils. Movement of the magnetic core causes the mutual inductance of each secondary coil to vary relative to the primary. Variable reluctance transducers remove the mechanical link to the core and use the permeability of the diaphragm material itself to alter the inductance within two coils positioned on either side of the diaphragm. The coils are typically wired in an inductive half bridge, and a change in inductance alters the impedance of each coil unbalancing the bridge. Unbalances result in the ac drive signal being coupled across to the output, and the physical arrangement is suitable for differential pressure-sensing applications. Piezoelectric pressure sensors utilize a piezoelectric sensing element mechanically linked to the diaphragm. Movements in the diaphragm induce a strain in the piezoelectric and hence a charge is generated. These sensors are only suitable for measuring dynamic pressures and are not suitable for static applications because piezoelectric materials only respond to changing strains.

Mecanismos de transducción de diafragma tradicionales

Los desplazamientos generalmente pequeños asociados con los diafragmas de metal tradicionales requieren típicamente técnicas de transducción electromecánicas para detectar su magnitud.

El método mas común empleado es el de las galgas extensiométricas  localizadas en la cara del diafragma. Estas están posicionadas en los puntos de máxima tensión de manera de maximizar la sensibilidad de la galga. Las galgas de metal pueden ser incorporadas sobre la cara del diafragmen adhiriendo láminas de galgas o por depósito y modelado de aislador y de material de metales usando técnicas de película delgada tales como deposición electrónica o CVD.  

Otra aproximación resistiva es el uso de resistores de pintura gruesa impresa tipo galga extensiométrica. Estos pueden ser impresos sobre la parte superior de una superficie de un diafragma de metal, previamente recubierto con una capa dieléctrica impresa, y ofrece sensibilidad mejorada comparada con las galgas extensiométricas adheridas. Una sensibilidad resistiva máxima de galga extensiométrica puede ser alcanzada adhiriendo una galga de silicio al diafragma de metal. Esta aproximación utiliza la naturaleza piezoresistiva del silicio, lo que incrementa la salida de la galga extensiométrica para una deflexión dada.

Otras técnicas de transducción incluyen la capacitancia, inductancia, reluctancia y piezoeléctrica. La aproximación capacitiva usa el diafragma como un electrodo de una estructura de capacitor paralela. El desplazamiento del diafragma causa un cambio en la capacitancia entre el mismo y el electrodo fijo. La inductancia puede ser usada para monitorear el desplazamiento del diafragma uniéndolo mecánicamente al núcleo de un transformador diferencial variable (LVDT). Este consiste en una disposición simétrica de una bobina primaria y dos bobinas secundarias. El movimiento del núcleo magnético hace que la inductancia mutua de cada bobina secundaria varíe en relación al primario. Los transductores de reluctancia variable quitan el vínculo al núcleo y usan la permeabilidad del material mismo del diafragma para alterar la inductancia dentro de dos bobinas posicionadas en cada extremo del diafragma. Las bobinas son típicamente cableadas en un medio puente inductivo, y un cambio en la inductancia altera la impedancia de cada bobina desbalanceando el puente. Los desbalances dan como resultado una señal de corriente alterna que es acoplada a través de la salida, y la disposición física a adecuada para aplicaciones de medición de presión diferencial. Los sensores de presión piezoeléctricos utilizan un elemento sensor piezoeléctrico vinculado mecánicamente al diafragma. Los movimientos en el diafragma inducen una tensión mecánica en el piezoeléctrico y por lo tanto una carga es generada. Estos sensores son sólo apropiados para medición de presiones dinámicas y no son adecuados para aplicaciones estáticas debido a que los materiales piezoeléctricos sólo responden a los cambios de tensión mecánica.

FIGURE 13. Use of capsule element in pressure gage.

Capsule. A capsule is formed by joining the peripheries of two diaphragms through soldering or welding. Two or more capsules can be joined together (Fig. 13), and thus the total deflection of the assembly is equal to the sum of the deflections of the individual capsules. Such elements are used in some absolute pressure gages. These configurations also are used in aircraft applications.

 

Figura 13. Uso del elemento cápsula en un indicador de presión.

Cápsula. Una cápsula está formada al unir las periferias de dos diafragmas mediante soldadura eléctrica o de fusión. Dos o mas cápsulas pueden unirse entre sí (figura 13), y así la deflexión total del conjunto es igual a la suma de las deflexiones de las cápsulas individuales. Tales elementos son usados en algunos indicadores de presión absoluta. Estas configuraciones son usadas además en aplicaciones de aeronaves.

 
 

Vacuum Sensors

Vacuums are pressures that are below atmospheric. Vacuums are difficult to measure by mechanical means, and therefore, different sensing techniques have been developed. These techniques are suited for different vacuum levels. Within the low vacuum region (atmosphere to ∼10–3 mbar) the Pirani gauge is normally used. This is based upon a heated wire, the electrical resistance of which is proportional to its temperature. At atmospheric pressure convection occurs and heat energy is lost from the wire. As the vacuum increases, gas molecules are removed and less convection occurs, causing the wire to heat up. As it heats up, its electrical resistance increases, and this can be calibrated against pressure to provide a reasonably accurate measure of the vacuum.

Below the range of the Pirani gauge, Ion gauges (also known as Penning or Cold Cathode gauges) are used. These consist of a filament, a grid, and a collector. The filament produces thermionic emission of electrons, and a +ve charge on the grid draws the electrons away from the filament. The electrons circulate around the grid, which has a fine structure enabling the electrodes to pass through many times until they eventually collide. Any gas molecules present around the grid may collide with circulating electrons, which results in the gas molecule being ionized. The collector inside the grid is –ve charged and attracts these +ve charged ions. The number of ions collected is directly proportional to the number of molecules inside the vacuum system, and therefore, the collected ion current gives a direct reading of the pressure.

Sensores de vacío

Vacío de refiere a las presiones que están por debajo de la presión atmosférica. El vacío es difícil de medir por medios mecánicos, y por lo tanto, diferentes técnicas de sensado han sido desarrolladas. Estas técnicas son adecuadas para diferentes niveles de vacío. Dentro de la región de bajo vacío ( presión atmosférica ∼10–3 mbar), el manómetro Pirani es usado normalmente. Este está basado en un alambre calentado, la resistencia eléctrica del mismo es proporcional a su temperatura. A  presión atmosférica ocurre convección y energía en forma de calor es perdida por el alambre. A medida que el vacío se incrementa, las moléculas de gas son removidas y ocurre menos convección, haciendo que el alambre se caliente. A medida que este se caliente, su resistencia eléctrica se incrementa, y éste puede ser calibrado contra una presión para proporcionar una medida razonablemente precisa del vacío.

Debajo del rango del manómetro Pirani, se usan los manómetros de iones ( conocidos además como manómetros Penning o de Cátodo Frío). Estos consisten en un filamento, una grilla y un colector. El filamento produce emisiones termoiónicas de electrones, y una carga +ve sobre la grilla atrae los electrones alejándolos del filamento. Los electrones circulan alrededor de la grilla, que tiene una fina estructura permitiendo que los electrones pasen a través de la misma muchas veces hasta que eventualmente colisionen. Cualquier molécula de gas presente alrededor de la grilla puede colisionar con los electrones circulantes, lo que resulta en que la molécula de gas queda ionizada. El colector dentro de la grilla tiene carga –ve y atrae estos iones con carga +ve. El número de iones recolectado es directamente proporcional al número de moléculas dentro del sistema de vacío, y por lo tanto, la corriente de iones recolectada da una lectura directa de la presión.

 

 

 

 

 
 
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