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Vacuum measurement

Subatmospheric pressure usually is expressed in reference to perfect vacuum or absolute zero pressure.

Like absolute zero temperature (the concept is analogous), absolute zero pressure cannot be achieved, but it does provide a convenient reference datum. Standard atmospheric  pressure is 14.695 psi absolute, 30 inches of mercury absolute, or 760mm Hg of density 13.595 g/cm3 where acceleration due to gravity is g = 980.665 cm/s2. 1 mmHg, which equals 1 Torr, is the most commonly used unit of absolute pressure. Derived units, the millitorr or micrometer, representing 1/1000 of 1 mmHg or 1 Torr, are also used for subtorr pressures.

In the MKS system of units, standard atmospheric pressure is 750 Torr and is expressed as 100,000 Pa (N/m2) or 100 kPa.

This means that 1 Pa is equivalent to 7.5 millitorr (1 Torr = 133.3 pascal).Vacuum, usually expressed in inches of mercury, is the depression of pressure below the atmospheric level, with absolute zero pressure corresponding to a vacuum of 30 inches of mercury.

When specifying and using vacuum gages, one must constantly keep in mind that atmospheric pressure is not constant and that it also varies with elevation above sea level.

Medición de vacío

La presión subatomica es usualmente expresada en referencia al vacío perfecto o presión de cero absoluto.

Como la temperatura del cero absoluto ( el concepto es similar), la presión del cero absoluto no puede ser alcanzada, pero la misma proporciona un dato de referencia conveniente. La presión atmosférica estándar es de 14,695 psi absolutos, 30 pulgadas de mercurio absoluto o 760 mm Hg de densidad  13,595 g/cm3 donde la aceleración debida a la gravedad es g = 980.665 cm/s2. 1 mm Hg, que es igual a 1 Torr, es la medida mas comúnmente usada de presión absoluta. Las unidades derivadas, el militorr o micrómetro, representando 1/1000 de 1 mm Hg o 1 Torr, son además usadas para presiones subtorr.

En el sistema MKS de unidades, la presión atmosférica estándar es de 750 Torr y está expresada como 100.000 Pa (N/m2) ó 100 kPa.

Esto significa que 1 Pa es equivalente a 7,5 militorr (1 Torr = 133.3 pascal). El vacío, usualmente expresado en pulgadas de mercurio, es la depresión de la presión por debajo del nivel atmosférico, con la presión de cero absoluto correspondiente a un vacío de 30 pulgadas de mercurio.

Cuando se especifica y se usan indicadores de presión de vacío, uno debe constantemente tener en mente que la presión atmosférica no es constante y que la misma además varía con la elevación sobre el nivel del mar.

FIGURE 1- Group of resistive pressure transducers used for many years. Illustrations are highly schematic and essentially of historic interest. Other approaches have been miniaturized through the application of solid-state electronics.

(a) Bourdon tube. (b) Diaphragm. (c) Bellows. (d ) Differential coil. (e) Carbon pile. (f ) Stacked carbon disk. (g) Carbon stacks with bellows coupling.

Figura 1- Grupo de transductores de presión resistivos usados por muchos años. Las ilustraciones son altamente esquemáticas y esencialmente de interés histórico. Otras aproximaciones han sido miniaturizadas a través de la aplicación de la electrónica de estado sólido.

(a) Tubo Bourdon ; (b) diafragma; (c) fuelle; (d) bobina diferencial; (e) pila de carbón; (f) disco de carbón apilado; (g) pilas de carbón con acoplamiento de fuelle

FIGURE 2. Various forms of inductive elements that are or have been used in pressure transducer designs.

(a) Variable-inductance unit. (b) Inductance-ratio element. (c) Mutual-inductance element. (d ) Phase relationship in mutual-inductance element.

Figura 2. Varias formas de elementos inductivos que son o han sido usados en diseños de transductores de presión.

Unidad de inductancia variable, (b) elemento de relación de inductancia, (c) elemento de inductancia mutua, (d) relaciones de fase en elemento de inductancia mutua

Principle Gage Type Range, Torr
Direct reading Force measuring:  
  Bourdon, bellows, manometer (oil and mercury), 760−10−6
  McLeod capacitance (diaphragm) 760 × 10−6
Indirect reading Thermal conductivity:  
  Thermocouple (thermopile) 10–10−3
  Pirani (thermistor) 10–10−4
  Molecular friction 10−2–10−7
  Ionization:  
  Hot filament 10–10−10
  Cold cathode 10−2–10−15
TABLE 5 - Range of Operation of Major Vacuum Gages Tabla 5. Rango de operación de los principales indicadores de vacío.
Principio Tipo de indicador Rango, Torr
Lectura directa Medición forzada:  
  Bourdon, fuelle, manómetro (aceite y mercurio), 760−10−6
  Capacitancia McLeod (diafragma) 760 × 10−6
Lectura indirecta Conductividad térmica:  
  Termocupla (termopila ) 10–10−3
  Pirani (termistor) 10–10−4
  Fricción molecular 10−2–10−7
  Ionización :  
  Filamento caliente 10–10−10
  Cátodo frío 10−2–10−15
FIGURE 3. Schematic representation of variable-reluctance pressure transducer. Figura 3. Representación esquemmática de un transductor de presión variable.

Types of Vacuum Gages

Vacuum gages can be either direct or indirect reading. Those that measure pressure by calculating the force exerted by incident particles of gas are direct reading, while instruments that record pressure by measuring a gas property that changes in a predictable manner with gas density are indirect reading.

The range of operation for these two classes of vacuum instruments is given in Table 5. Since the pressure range of interest in present vacuum technology extends from 760 to 10−13 Torr (over 16 orders of magnitude), there is no single gage capable of covering such a wide range. The ranges of vacuum where specific types of gages are most applicable are shown in Fig. 4; pertinent characteristics of these gages are given in Fig. 5.

The operating principles of some vacuum gages, such as liquid manometers, bourdon, bellows, and diaphragm gages involving elastic members, are described in other pages. The remaining vacuum measurement devices include the thermal conductivity (or Pirani and thermocouple-type gages), the hot-filament ionization gage, the cold-cathode ionization gage (Philips), the spinning rotor friction gage, and the partial-pressure analyzer.

Pirani or Thermocouple Vacuum Gage

Commercial thermal conductivity gages should not ordinarily be thought of as precision devices. Within their rather limited but industrially important pressure range they are outstandingly useful. The virtues of these gages include low cost, electrical indication readily adapted to remote readings, sturdiness, simplicity, and interchangeability of sensing elements. They are well adapted for uses where a single power supply and measuring circuit is used with several sensing elements located in different parts of the same vacuum system or in several different systems.

The working element of the gages consists of a metal wire or ribbon exposed to the unknown pressure and heated by an electric current (Fig. ). The temperature attained by the heater is such that the total rate of heat loss by radiation, gas convection, gas thermal conduction, and thermal conduction through the supporting leads equals the electric power input to the element. Convection is unimportant and can be disregarded, but the heat loss by thermal conduction through the gas is a function of pressure. At pressures of approximately 10 Torr and higher, the thermal conductivity of a gas is high and roughly independent of further pressure increases. Below about 1 Torr, on the other hand, the thermal conductivity decreases with decreasing pressure, eventually in linear fashion, reaching zero at zero pressure. At pressures above a few torr, the cooling by thermal conduction limits the temperature attained by the heater to a relatively low value. As the pressure is reduced below a few hundred millitorr, the heater temperature rises, and at the lowest pressures, the heater temperature reaches an upper value established by heat radiation and by thermal conduction through the supporting leads.

Tipos de medidores de vacío

Los medidores o manómetros de vacío pueden ser de lectura directa o indirecta. Aquellos que miden presión calculando la fuerza ejercida por las partículas incidentes de gas son de lectura directa, mientras que los instrumentos que registran la presión midiendo una propiedad del gas que cambia en una manera predecible con la densidad del mismo son de lectura indirecta.

El rango de operación para estas dos clases de instrumentos de vacío es dado en la tabla 5. Dado que el rango de presión de interés en la tecnología de vacío actual se extiende desde los 760 a los 10−13 Torr (encima de 16 órdenes de magnitud), no hay medidor capaz de cubrir tan extenso rango. Los rangos de vacío donde tipos específicos de medidores son mas aplicables son mostrados en la figura 4; las características pertinentes a estos medidores son dados en la figura 5.

Los principios operativos de algunos medidores de vacío, tales como los manómetros líquidos, Bourdon, fuelle, e indicadores a diafragma involucrando miembros elásticos, son descriptos en otras páginas. Los dispositivos de medición de vacío remanentes incluyen la conductividad térmica ( o Pirani  y medidor tipo termocupla), el indicador de ionización de filamento caliente, el indicador de ionización de cátodo frío (Philips), el indicador de fricción de rotor giratorio y el analizador de presión parcial.

Medidor de vacío Pirani o de termocupla.

Los medidores de conductividad térmica comerciales ordinariamente no deberían ser considerados como dispositivos de precisión. Dentro de su rango de presión mas bien limitado pero importante industrialmente, los mismos son destacadamente útiles. Las virtudes de estos indicadores incluyen su bajo costo, indicación eléctrica fácilmente adaptada a lecturas remotas, robustez, simplicidad e intercambiabilidad de elementos sensores. Los mismos son adecuados para usos donde una única fuente de alimentación y circuito de medición sea usada con diferentes elementos sensores localizados en diferentes partes del mismo sistema de vacío o en diferentes sistemas.

El elemento de trabajo de estos medidores consiste en un alambre de metal o cinta expuesta a la presión desconocida y calentados por una corriente eléctrica (ver figura ). La temperatura alcanzada por el calentador es tal que el régimen total de pérdida de calor por radiación, convección de gas, conducción térmica de gas y conducción térmica a través de las puntas de soporte sea igual a la entrada de potencia eléctrica al elemento. La convección no es importante y puede ser desechada, pero la pérdida de calor por conducción térmica a través del gas es una función de la presión. A presiones de aproximadamente 10 Torr y superiores, la conductividad térmica de un gas es elevada y casi independiente de mayores incrementos de presión. Debajo de aproximadamente 1 Torr, por el contrario, la conductividad térmica disminuye con la disminución de la presión, eventualmente en semejanza lineal, alcanzando el cero a cero presión. A presiones por encima de unos pocos torr, el enfriamiento por la conductividad térmica limita la temperatura alcanzada por el calentador a un valor relativamente bajo.  A medida que la presión es reducida debajo de unos cientos de militorr, la temperatura del calentador se eleva, y a la presión mas baja, la temperatura del calentador alcanza un valor superior establecido por la radiación de calor y por la conducción térmica a través de las puntas de soporte.

FIGURE. Pirani gage. (a) Gage in fixed-voltage Wheatstone bridge. (b) Sensing element. Figura. Medidor Pirani (a) Puente de Wheatstone de voltaje fijo del medidor; (b) elemento de medición.

 

 

FIGURE 4. Ranges where certain vacuum gages are most suitable. Figura 4. Rangos donde ciertos medidores de vacío son mas apropiados.

Hot-Filament Ionization Vacuum Gage

The hot-filament ionization gage is the most widely used pressure-measuring device for the region from 10−2 to 10−11 Torr. The operating principle of this gage is illustrated in Fig. 5.

A regulated electron current (typically about 10 mA) is emitted from a heated filament. The electrons are attracted to the helical grid by a dc potential of about +150 volts. In their passage from filament to grid, the electrons collide with gas molecules in the gage envelope, causing a fraction of them to be ionized. The gas ions formed by electron collisions are attracted to the central ion collector wire by the negative voltage on the collector (typically −30 volts). Ion currents collected are on the order of 100 mA/Torr. This current is amplified and displayed using an electronic amplifier.

This ion current will differ for different gases at the same pressure, that is, a hot-filament ionization gage is composition-dependent. Over a wide range of molecular density, however, the ion current from a gas of constant composition will be directly proportional to the molecular density of the gas in the gage.

 

Medidor de vacío de ionización de filamento caliente.

El medidor de ionización de filamento caliente es el dispositivo de medición de presión mas ampliamente usado para la región de 10−2 a 10−11 Torr. El principio operativo de este medidor está ilustrado en la figura 5.

Una corriente de electrones regulada (típicamente de aproximadamente 10mA) es emitida desde un filamento calentado. Los electrones son atraídos hacia la grilla helicoidal por un potencial de corriente continua de aproximadamente +150 voltios. En su pasaje del filamento a la grilla, los electronos colisionan con las moléculas de gas en la envoltura del indicador, haciendo que una fracción de los mismos sea ionizada. Los iones de gas formados por las colisiones de los electrones son atraídos al alambre colector central de iones por un voltaje negativo sobre el colector (típicamente -30 voltios). Las corrientes de iones recolectados están en el orden de 100 mA/Torr. Esta corriente es amplificada y visualizada usando un amplificador electrónico.

Esta corriente de iones diferirá para diferentes gases a la misma presión, en otras palabras, un medidor de ionización de filamento caliente es dependiente de la composición. A lo largo de un gran rango de densidad molecular, sin embargo, la corriente de iones de un gas de composición constante será directamente proporcional a la densidad molecular del gas en el medidor.

Figura 5. Hot-filament ionization gage (Bayard- Alpert type). Figura 5. Medidor de vacío de ionización de filamento caliente ( tipo Bayard-Arpert)

Cold-Cathode Ionization Vacuum Gage

This ingenious gage, invented by Penning, possesses many of the advantages of the hot-filament ionization gage without being susceptible to burnout. Ordinarily an electrical discharge between two electrodes in a gas cannot be sustained below a few millitorr pressure. To simplify a complicated set of relationships, this is because the “birthrate” of new electrons capable of sustaining ionization is smaller than the “death rate” of electrons and ions. In the Philips gage this difficulty is overcome by the use of a collimating magnetic field that forces the electrons to traverse a tremendously increased path length before they can reach the collecting electrode. In traversing this very long path, they have a correspondingly increased opportunity to encounter and ionize molecules of gas in the interelectrode region, even though this gas may be extremely rarefied. It has been found possible by this use of a magnetic field and appropriately designed electrodes, as indicated in Fig. 6, to maintain an electric discharge at pressures below 10−9 Torr.

Comparison with the hot-filament ionization gage reveals that, in the hot-filament gage, the source of the inherently linear relationship between gas pressure (more exactly molecular density) and gage reading is the fact that the ionizing current is established and regulated independently of the resulting ion current. In the Philips gage this situation does not hold. Maintenance of the gas discharge current involves a complicated set of interactions in which electrons, positive ions, and photoelectrically effective x-rays all play a significant part. It is thus not surprising that the output current of the Philips gage is not perfectly linear with respect to pressure. Slight discontinuities in the calibration are also sometimes found, since the magnetic fields customarily used are too low to stabilize the gas discharge completely. Despite these objections, a Philips gage is a highly useful device, particularly where accuracy better than 10 or 20 percent is not required.

 

Medidor de vacío de ionización de cátodo frío.

Este ingenioso medidor, inventado por Penning, posee muchas de las ventajas de un medidor de ionización de filamento caliente sin ser susceptible a quemarse. Ordinariamente una descarga eléctrica entre dos electrodos en un gas no puede ser sostenida debajo de unos pocos militorr de presión. Para simplificar un complicado juego de relaciones, esto es debido a que el “régimen de nacimiento” de nuevos electrones capaces de sostener la ionización es menor que el “régimen de muertes” de los electrones y iones. En el medidor Philips esta dificultad es superada por el uso de un campo magnético colimado que fuerza a los electrones a atravesar un paso de longitud tremendamente incrementado antes de que estos puedan alcanzar el electrodo recolector. Al atravesar este camino muy largo, los mismos tienen la correspondiente oportunidad incrementada de encontrar e ionizar moléculas de gas en la región interelectrodo, aún a pesar de que este gas puede ser extremadamente rarificado. Se ha encontrado que es posible por este uso de un campo magnético y por electrodos apropiadamente diseñados, como se ve en la figura 6, que se pueden mantener descargas eléctricas a presiones por debajo de los 10−9 Torr.

La comparación con el medidor de ionización de filamento caliente revela que, en el medidor de filamento caliente, la fuente y relación lineal inherente entre la presión del gas ( mas exactamente, densidad molecular) y la lectura del medidor es un hecho que la corriente ionizante está establecida y regulada independientemente de la corriente de iones resultante. En el medidor Philips esta situación no se mantiene. El mantenimiento de la corriente de descarga de gas involucra un complejo juego de interacciones en el cual los electrones, iones positivos, y rayos X fotoeléctricamente efectivos todos juegan una parte significativa. No es sorprendente que la corriente de salida del medidor Philips no sea perfectamente lineal con respecto a la presión. Son encontradas a veces también ligeras discontinuidades en la calibración, dado que los campos magnéticos usados con frecuencia son muy bajos para estabilizar la descarga de gas completamente. A pesar de estas objeciones, un medidor Philips es un dispositivo muy útil, particularmente cuando una precisión mayor a 10 o 20 porciento no sea requerida.

 

FIGURE 6. Philips cold-cathode ionization vacuum gage. Figura 6. Medidor de vacío de ionización de cátodo frío Philips.

The Philips gage is composition-sensitive but, unlike the situation with the hot-filament ionization gage, the sensitivity relative to some reference gas such as air or argon is not independent of pressure. Leak hunting with a Philips gage and a probe gas or liquid is a useful technique. Unlike the hot filament ionization gage, the Philips gage does not involve the use of a high-temperature filament and consequently does not subject the gas to thermal stress. The voltages applied in the Philips gage are of the order of a few thousand volts, which is sufficient to cause some sputtering at the high-pressure end of the range, resulting in a certain amount of gettering or enforced take-up of the gas by the electrodes and other parts of the gage. Various design refinements have been used to facilitate periodic cleaning of the vacuum chamber and electrodes, since polymerized organic molecules are an ever-present contaminant.

The conventional cold-cathode (Philips) gage is used in the range from 10−2 to 10−7 Torr. Redhead has developed a modified cold-cathode gage useful in the 10−6 to 10− 12 Torr range . The operating voltage is about 5000 volts in a 1-kG magnetic field.

El medidor Philips es sensible a la composición pero, a diferencia de la situación con el medidor de ionización de filamento caliente, la sensibilidad relativa a algunos gases de referencia tales como el aire o el argón no es independiente de la presión. La búsqueda de fugas con el medidor Philips y una sonda de gas o líquido es una técnica útil. A diferencia del medidor de ionización de filamento caliente, el medidor Philips no involucra el uso de un filamento de alta temperatura y consecuentemente no somete al gas a esfuerzos térmicos. Los voltajes aplicados en el medidor Philips son del orden de unos miles de voltios, lo que es suficiente para causar algo de deposición electrónica en el extremo de alta presión del rango, resultando en una cierta cantidad evacuación forzada del gas por parte del electrodo y otras partes del medidor.  Varios refinamientos de diseño han sido utilizados para facilitar la limpieza periódica de la cámara de vacío y de los electrodos, dado que las moléculas orgánicas polimerizadas son un contaminante siempre presente.

El medidor convencional de cátodo frío (Philips) es usado en el rango de 10-2 t 10-7 Torr. Rehead ha desarrollado un medidor de gas de cátodo frío modificado útil en el rango de 10-6 a 10-12 Torr. El voltaje operativo es de aproximadamente 5000 voltios en un campo magnéticos de 1 kG.

 

 
 

 

 

 

 

 
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