Ciência e Tecnologia do Vácuo

Apresentação em tema: "Ciência e Tecnologia do Vácuo"— Transcrição da apresentação:

1 Ciência e Tecnologia do Vácuo
Aula 7

2 Medidores de Vácuo

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

4 A unidade Torr

5 Faixas de Pressão / Custo

6 Tipos de Medidores 1 - Medidores Mecânicos
Medidor Bourdon Medidor de Diafragma Medidor de Membrana Capacitiva 2 - Medidores de Colunas de Líquidos Manômetro em U Manômetro Inclinado 3 - Medidores de Condutividade Térmica Medidor Pirani Medidor a Termopar 4 - Medidores de Ionização Medidor de Cátodo Quente Medidor de Cátodo Frio

7 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

8 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

9 Medidor Bourdon http://www.mspc.eng.br/fldetc/press_120.shtml

10 Manômetro Barometricamente Compoensado

11 Medidores de Coluna Líquida
Tubo em U Aberto: Fechado: ρ - densidade do líquido g - aceleração da gravidade h - diferença entre níveis

12 Medidores de Coluna Líquida
Tubo em U Inclinado

13 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

14 McLeod

15 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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17 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.

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

19 Curva de Calibração para Medidores de Condutividade Térmica

20 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)

21 Medidor de cátodo quente (tipo Schulz e Phelps)

22 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 p = pressão em mbar i+ = corrente iônica i- = corrente eletrônica (cte) faixa de operação: 1 à 10-5 Torr

23 Cátodo quente com grade
(-) (+) filamento coletor de íons grade elétrons faixa de operação: à 10-8 Torr

24 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:

25 Solução: Bayard-Alpert
(-) coletor de íons filamento grade (+)

26 Medidor de cátodo frio Penning
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.

27 Medidor de cátodo frio Klemperer
(+) (-) B imã imã (-) (+) faixa de operação: 10-3 a 10-7 Torr

28 Medidor “Strain” Stress ou Tensão

29 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

30 Medidor de Membrana Capacitivo
Características princípais: Independe da natureza do gás larga faixa de operação alta sensibilidade longa vida útil fácil instalação e uso Faixa de operação: 760 a 10-6 Torr

31 Como conectar um sensor numa câmara de vácuo.
Errado Correto Como conectar um sensor numa câmara de vácuo.

32 Válvulas de Vácuo

33 Diafragma e Ventilação

34 Válvula Agulha

35 Válvula ¼ de volta

36 Válvula Rápida

37 Válvula Gaveta

38 Conexões

39 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.

40 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.

41 retangular, cônico ou trapezoidal
Canais de O’ring O perfil de uma conexão para acomodação de um o’ring pode ser: retangular, cônico ou trapezoidal

42 Canal Retangular B=0,7d ; A=1,4d B=0,7d ; A=d ; C=0,32 d idem (a)
k=volume morto=0,72 B=0,7d ; A=1,4d B=0,7d ; A=d ; C=0,32 d idem (a)

43 Canal Trapezoidal Esta simetria prende o o’ring ao canal e impede que o mesmo se solte quando em manutenção C/d = 0,8 ; A/d = 0,9 e c) são de mais fácil manutenção

44 Canal Cônico A = 1,32 d

45 Vedação de haste (shaft)
Este tipo de conexão é ideal para elementos tubulares passantes entre região interna e externa à câmara

46 Vedação de haste - Dimensões

47 Tipos de canais de O’rings

48 NW, ISO, CF 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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52 Anéis de Centragem

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