UNITÀ DI PRESSIONE
Che cos'è l'unità di pressione del vuoto?
Di seguito viene presentata una panoramica sulle più importanti unità di pressione e sulla loro conversione:
INTERVALLI DI VUOTO
Nella scienza del vuoto, si è soliti suddividere gli intervalli di pressione in cinque regimi individuali:
- Basso vuoto (LV: Da pressione atmosferica a 1 mbar)d'ingresso
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Medio vuoto (MV): Da 1 a 10–3 mbar
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Alto vuoto (HV): Da 10–3 to 10–7 mbar
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Ultra alto vuoto (UHV): Da 10–7 to 10–12 mbar
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Vuoto estremo (XHV): maggiore di 10-12 mbar.
Queste suddivisioni sono alquanto arbitrarie e varie discipline ingegneristiche utilizzano definizioni individuali. Ad esempio, i chimici fanno spesso riferimento allo spettro che è di maggior interesse per loro (ossia, da 100 a 1 mbar) come "vuoto intermedio" mentre alcuni ingegneri parlano di vuoto in termini di "bassa pressione" o "pressione negativa".
TIPI DI FLUSSO
La tecnologia di vuoto è in genere associata a tre tipi di flusso: flusso viscoso o del continuo, flusso molecolare e un intervallo di transizione fra questi due noto come flusso di Knudsen.
Il flusso viscoso (o del continuo) ricade nell'intervallo del basso vuoto e viene determinato dalla stretta interazione delle molecole. Ci sono tre suddivisioni del flusso viscoso: il "flusso turbolento" (se compare un movimento a vortice nel processo di scorrimento), il "flusso di Poiseuille " in cui gli strati slittano l'uno sull'altro (il che avviene spesso quando si parla di vuoto) e, infine, il "flusso strozzato" che si verifica quando si areano le camere da vuoto oppure quando ci sono perdite.
Il flusso molecolare è prevalente negli intervalli di alto vuoto e di ultra alto vuoto (UHV), quando le molecole possono muoversi liberamente senza alcuna interferenza reciproca. Il flusso molecolare è presente quando il cammino medio libero ƛ di una molecola (definito come la distanza media percorsa dalle molecole fra due collisioni) è di molto maggiore rispetto al diametro del tubo.
Il flusso di Knudsen è l'intervallo di transizione fra il flusso viscoso e quello molecolare. Questo flusso è prevalente nell'intervallo di medio vuoto, dove la lunghezza del cammino libero della molecola è simile al diametro del tubo.
Nel flusso viscoso, il movimento preferenziale delle molecole del gas sarà identico alla direzione macroscopica del flusso del gas dal momento che le particelle sono molto compatte e collidono l'una con l'altra molto più spesso di quanto collidono con le pareti confinanti. Nel flusso molecolare, invece, predomina l'impatto delle particelle con le pareti.
Nel basso vuoto, si verifica di frequente la collisione delle particelle di gas mentre nell'alto vuoto e nell'ultra alto vuoto predomina l'impatto delle particelle di gas con le pareti del contenitore.
CONDUTTANZA
Tutte le strutture fra l'immissione del sistema di pompaggio e la camera causano una riduzione della velocità di pompaggio. Il flusso pV tramite qualsiasi elemento della tubazione (come ad esempio il tubo o il flessibile, le valvole, gli ugelli, le aperture in una parete fra due camere, ecc.) viene indicato con
Qui Δp = (p1 – p2) è il differenziale fra le pressioni presso le estremità d'ingresso e uscita dell'elemento della tubazione. Il fattore di proporzionalità C viene designato come valore di conduttanza o, semplicemente, "conduttanza". Nell'intervallo di flusso molecolare, C è una costante indipendente dalla pressione. Al contrario, nell'intervallo di flusso di transizione e di flusso viscoso, C dipende dalla pressione. Di conseguenza, il calcolo di C per gli elementi della tubazione deve essere eseguito in maniera distinta per i singoli intervalli di pressione.
L'equazione precedente viene spesso definita come la "legge di Ohm della tecnologia del vuoto", in cui qpV corrisponde alla corrente, Δp alla tensione e C al valore di conduttanza elettrica. In maniera analoga alla legge di Ohm nella scienza dell'elettricità, è stata introdotta
la resistenza al flusso come il valore reciproco al valore di conduttanza:
Pertanto, l'equazione può essere riscritta come:
Se i componenti sono connessi in parallelo, vale quanto segue:
Per i componenti connessi in serie, vale quanto segue:
INTERVALLI DI PRESSIONE UTILIZZATI NELLA TECNOLOGIA DEL VUOTO E LORO CARATTERISTICHE
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PARAMETRI DI POMPA
Velocità di pompaggio
La variazione di flusso del volume (qV) o la velocità di pompaggio (S) è la variazione di flusso volumetrico (netto) o il volume di gas scaricato per unità di tempo (m3/s, l/s, cfm, m3/h, ecc.). Questo viene misurato presso l'ingresso della pompa e dipende dalle specie di gas, dal vapore, ecc.
Portata della pompa
La capacità di pompaggio (portata) di una pompa è pari al flusso di massa attraverso la porta d'ingresso della pompa:
oppure al flusso pV tramite la porta d'ingresso della pompa:
In genere, questo valore viene specificato in mbar · l · s–1. Qui p è la pressione sul lato d'ingresso della pompa. Se p e V sono costanti presso il lato di ingresso della pompa, la portata di questa pompa può essere espressa con la semplice equazione
In cui S è la velocità di pompaggio della pompa alla pressione d'ingresso p.
Il valore di portata è importante per determinare la dimensione della pompa di pre-vuoto in rapporto alla dimensione della pompa di alto vuoto con cui questa è connessa in serie allo scopo di assicurare che la pompa di pre-vuoto stessa sia in grado di "eliminare" il gas spostato dalla pompa di alto vuoto.
Pressione ultima
La pressione pult è la pressione minima di una pompa per il vuoto con flangia cieca in determinate condizioni senza ingresso di gas. Alla pressione ultima, la velocità di pompaggio utile è pari a zero. Questo è un valore teorico.
La pressione minima che è possibile ottenere in una camera da vuoto viene determinata da
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Velocità di pompaggio
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Pressione del vapore dei lubrificanti
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Degasaggio dei gas in soluzione nei lubrificanti
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Desorbimento di gas dalle superfici interne della camera
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Tenuta alle perdite del sistema stesso
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Diffusione di gas tramite le pareti o le guarnizioni del vuoto
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Compressione del sistema della pompa del vuoto
Rapporto di compressione
Il rapporto di compressione CR (o k) è il rapporto della pressione di scarico/uscita (pout) rispetto alla pressione d'ingresso (pin)
La compressione massima k0 (pressione di uscita/pressione d'ingresso) parte dal presupposto che non ci siano condizioni di flusso (velocità di pompaggio pari a zero) ed è un valore teorico.
CLASSIFICAZIONE DELLA POMPA
È essenziale scegliere e usare la pompa per il vuoto giusta. Le pompe di vuoto possono essere suddivise in due tipi principali, quelle a "trasferimento di gas" e quelle a "cattura/intrappolamento". Le pompe a trasferimento di gas si dividono naturalmente di due gruppi, le pompe "volumetriche" e quelle "cinetiche", e possono essere in genere categorizzate come "a olio" (se viene usato olio come sigillante/lubrificante nella camera di aspirazione della pompa) oppure "a secco" (se non viene utilizzato olio come sigillante all'interno della camera di suzione della pompa).
Le pompe volumetriche operano negli intervalli LV e MV (e possono essere pompe "reciprocanti", comprese quelle a diaframma e quelle a pistone, oppure "rotanti", comprese quelle a palette, a vite, roots e scroll). Le pompe reciproche utilizzano un pistone o una superficie oscillante all'interno di un cilindro/spazio, mentre le pompe rotanti impiegano un oggetto che ruota attorno a un asse all'interno di una camera.
Le pompe cinetiche, che operano nell'intervallo HV e in parte nell'intervallo UHV (ossia, le pompe turbo molecolari, a diffusione e a booster di vapore) usano lame rotanti o getti di vapore supersonici che colpiscono le molecole del gas. Le pompe cinetiche richiedono una pompa primaria di supporto dal momento che non sono in grado di scaricare verso la pressione atmosferica.
Le "pompe di cattura (o intrappolamento)" comprendono le pompe criogeniche, getter di ioni, getter non evaporabile e a sublimazione e operano negli intervalli UHV e XHV. Le pompe di cattura immobilizzano le molecole di gas su superfici speciali all'interno del sistema di vuoto. Queste non necessitano continuamente di una pompa "primaria" di supporto ma il loro funzionamento richiede la creazione di una bassa pressione adatta.
SELEZIONE DELLA POMPA
Allo scopo di assicurare una selezione corretta della pompa per un'applicazione in vuoto, è necessario prendere in considerazione vari punti, come ad esempio:
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L'idoneità della pompa per il sistema di vuoto (prestazioni, installazione, funzionamento, controllo, ecc.)
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L'impatto potenziale del processo o dell'applicazione in vuoto sulla pompa
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L'impatto potenziale della pompa per il vuoto sul processo o sull'applicazione del vuoto
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Le considerazioni di tipo economico come i costi di investimento, il costo di gestione, la necessità di manutenzione, ecc.
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La sicurezza e i requisiti normativi
PRINCIPI DI MISURAZIONE
Le proprietà fisiche dei gas cambiano con la pressione. Ad esempio, la conduttività termica e l’attrito interno dei gas nell'intervallo MV sono altamente sensibili alla pressione. Tuttavia, nell'intervallo HV, queste due proprietà sono virtualmente indipendenti dalla pressione. Pertanto, saranno necessari vari misuratori del vuoto in grado di adattarsi a intervalli di vuoto diversi e il loro uso dipenderà da una vasta serie di fattori, compreso l'intervallo di pressione, quali sono i gas in questione (il che determina qualsiasi eventuale fattore di correzione, la compatibilità dei supporti e il potenziale di reazioni chimiche), l'accuratezza necessaria, le condizioni operative (ambiente di lavoro sporco vs pulito, vibrazioni, temperatura, shock eventualmente dovuto alla ventilazione, radiazione e campi magnetici), le posizioni d'installazione dei misuratori e in che modo deve essere letta (o registrata) la pressione.
La scienza del vuoto prevede due metodi per la misurazione della pressione. Il primo metodo è il metodo "diretto" in cui pressione = forza per unità di superficie. Questo metodo è indicato solo per il basso e il medio vuoto. Il metodo "indiretto" dipende dalla densità del gas utilizzato dal momento che quest'ultima ha un impatto sulla conduttanza termica, sulla viscosità e sulla probabilità di ionizzazione e, dunque, dipende dai tipi di gas. La misurazione indiretta è più idonea per il vuoto da medio a ultra alto.
La misurazione della pressione assoluta considera il vuoto come punto di riferimento mentre la misurazione della pressione relativa considera la pressione ambientale come punto di riferimento.
Pertanto, è evidente che esistono una serie di metodi con cui misurare il vuoto e quindi la conoscenza dell'ambiente in cui si lavora è fondamentale per la scelta del misuratore giusto.
TIPI DI MISURATORE DEL VUOTO
Tabella delle tecnologie e dei loro intervalli standard di misurazione
Piezo – funziona in base al principio che, sotto un carico meccanico, i materiali semiconduttori sperimentano una modifica nella loro resistività. Le differenze di pressione causano un cambiamento di tensione.
Capacità – una variante più sofisticata del principio del diaframma per cui la deviazione di un diaframma viene misurata elettricamente piuttosto che meccanicamente. Il diaframma fa parte di un condensatore e il cambiamento di pressione determina un cambiamento nella capacità, il quale viene misurato elettronicamente. Questo misuratore è più complesso ma offre un'accuratezza e una stabilità di molto maggiori. Il diaframma in genere è realizzato in ceramica o metallo e progettato per offrire una durata estremamente lunga in condizioni difficili.
Conduttività termica – nella sua forma più comune (Pirani a filamento), utilizza un filamento riscaldato (in genere, attorno a 100 °C al di sopra della temperatura ambiente) nell'ambito di un ponte equilibrato. Questo filamento viene quindi mantenuto a una temperatura fissa. La tensione necessaria per tenerlo costante durante un cambio di pressione può essere convertita in una pressione. MEMS è un sensore di nuovo tipo che utilizza i "sistemi micro-elettromeccanici" e richiede una temperatura del filamento solo di 30-40 °C al di sopra della temperatura ambiente, il che lo rende più indicato per i gas reattivi.
Catodo caldo ("misuratore di ioni caldi") – le particelle di gas vengono ionizzate tramite elettroni energizzati. Questi elettroni ionizzanti hanno origine da un catodo a filamento caldo e vengono poi accelerati verso un anodo a griglia. Gli ioni vengono quindi accelerati verso un collettore e la corrente può essere infine convertita in una lettura della pressione. Esistono diverse varianti di questo metodo. In genere, nelle applicazioni UHV viene utilizzato il metodo Bayard-Alpert e l'Estrattore grazia alla capacità di misurare nella regione di -12 mbar.
Catodo freddo – in questo caso, le particelle di gas vengono ionizzate dagli elettroni emessi da un catodo a temperatura ambiente. L'applicazione di una vasta differenza di tensione fra il catodo e l'anodo permette di creare una scarica indipendente, a condizione che il percorso fra il catodo sia sufficientemente lungo. Tale risultato viene ottenuto applicando un forte campo magnetico. La forma più comune è il Misuratore a magnetron inverso. In alcune applicazioni vengono anche usati molto i misuratori di tipo Penning
ATTIVO VS PASSIVO
In genere, i misuratori del vuoto rientrano in due categorie, ossia attivi e passivi.
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"Misuratori attivi" contengono l'elettronica di misurazione nella testa. Il prodotto della lettura può essere a forma di S o una tensione analogica linearizzata oppure seguire i protocolli di comunicazione digitale con curve caratteristiche che possono essere modificate tramite software.
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"Misuratori passivi" contengono solo un sensore, che fa parte di un circuito con un controllo esterno (ossia, un ponte di Wheatstone), mentre il "segnale" viene processato in maniera distinta. Sebbene un'interferenza lungo il cavo possa determinare errori di pressione, questi misuratori sono meno sensibili alle radiazioni.
Tuttavia, la misurazione del vuoto non si incentra solo sulla scelta del misuratore giusto: anche una manutenzione (e una pulizia) corretta sono importanti. Ad esempio, lo sporco in un misuratore del vuoto a compressione causa un'indicazione errata e non controllabile della pressione. I sensori Pirani contaminati mostrano una pressione che è troppo alta nell'intervallo di misurazione inferiore dal momento che la superficie del filo caldo è cambiata. Nei misuratori del vuoto con catodo freddo, la contaminazione induce letture di pressione che sono troppo basse dal momento che la corrente di scarico diventa minore. Pertanto, la maggior parte dei misuratori di pressione presenta componenti facilmente sostituibili o pulibili in modo da offrire letture della pressione affidabili durante il processo.
Che cos'è una perdita? Una perdita è un piccolo foro nel sistema tecnico che consente l'ingresso o l'uscita indesiderata di materiali nel o dal sistema. Il tasso di perdita descrive la dimensione della perdita in termini di quantità di gas che passa attraverso la perdita per tempo a una determinata differenza di pressione.
Nessun dispositivo o sistema di vuoto può essere assolutamente ermetico né tanto meno è necessario che lo sia. Quello che è essenziale è che il tasso di perdita sia sufficientemente ridotto da garantire che la pressione operativa, l'equilibrio dei gas e la pressione ultima necessaria nella camera da vuoto non ne siano influenzati. Ne consegue che i requisiti in materia di tenuta ai gas di un apparato sono quanto più rigidi quanto minore è il livello di pressione richiesto.
Quando si cercano le perdite, in genere è necessario distinguere fra due compiti diversi:
- Individuare le perdite, e
- Misurare il tasso di perdita
Inoltre, in base alla direzione del flusso per il fluido, si distingue fra a. Il metodo del vuoto (a volto noto come "perdita dall'esterno all'interno"), in cui la direzione del flusso va verso il campione da testare (la pressione all'interno del campione è inferiore a quella ambientale), e b. Il metodo della pressione positiva (spesso indicato come "perdita dall'interno all'esterno"), in cui il fluido passa dall'interno del campione da testare verso l'esterno (la pressione all'interno del campione è maggiore di quella ambientale). Ogniqualvolta possibile, i campioni devono essere esaminati in una configurazione che corrisponde alla loro futura applicazione, ossia i componenti per le applicazioni in vuoto devono essere testati utilizzando il metodo del vuoto mentre quelli che verranno pressurizzati all'interno devono essere testati utilizzando il metodo della pressione positiva. Quando si misurano i tassi di perdita, si distingue fra la registrazione di
- perdite individuali (misurazione locale)
- Il totale di tutte le perdite nel campione da testare (misurazione integrale).
TEST INTEGRALE: CAMPIONE SOTTO PRESSIONE
TEST INTEGRALE: CAMPIONE SOTTO VUOTO
TEST LOCALE: CAMPIONE SOTTO PRESSIONE
TEST LOCALE: CAMPIONE SOTTO VUOTO
Il rilevamento di perdite nei sistemi pressurizzati e sotto vuoto e la loro eliminazione, gestione e/o valutazione sono compiti molto importanti. Dal momento che il gas è comprimibile, la pressione (o il vuoto) ha un impatto sulla quantità della perdita e quindi questa viene indicata in mbar l/s, dove il "tasso di perdita" è la quantità di gas che fluisce tramite una perdita a un certo differenziale di pressione per tempo.
Ci sono vari modi per misurare le perdite che dipendono dal tasso di perdita rilevabile minimo applicabile:
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Test delle bolle
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Misurazione della pressione differenziale
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Test di caduta/aumento della pressione
- Modalità sniffer con elio/Modalità vuoto con elio
Fra queste, i test più interessanti sono il test "sniffer" con elio e il test "vuoto" con elio. Queste procedure vengono eseguite con un rilevatore di perdite di elio utilizzando uno spettrometro di massa settoriale. Queste unità sono le più sensibili e offrono anche il livello massimo di certezza. In questo contesto, "certezza" significa che non è disponibile nessun altro metodo che permetta d'individuare le perdite e misurarle quantitativamente con maggiore affidabilità e migliore stabilità. Per questo motivo, i rilevatori di perdite a elio, anche se relativamente costosi, sono di gran lunga più convenienti a lungo termine dal momento che è necessario dedicare meno tempo alla procedura stessa di rilevamento delle perdite.
Un rilevatore di perdite a elio comprende in pratica due sottosistemi nelle unità portatili e tre nelle unità fisse. Questi sistemi sono:
- lo spettrometro di massa
- la pompa di alto vuoto, e
- Il sistema della pompa primaria ausiliaria nelle unità fisse.
In poche parole, il test "sniffer" con elio prevede il passaggio di una sonda sniffer attorno all'unità da esaminare. Il test sniffer presenta il vantaggio di mostrare dove si verifica effettivamente la perdita. Tuttavia, concentrazioni di elio di 5 ppm nell'aria, limiti nel tasso rilevabile minimo e, inoltre, segnali di background ambientale possono avere un impatto sul possibile rilevamento di perdite minime.
Il test del "vuoto" con elio viene in genere utilizzato su unità soggette a UHV. In poche parole, l'unità viene posizionata all'interno di una camera e pressurizzata con elio. Il gas all'interno della camera viene quindi sottoposto a un test con spettrometro di massa e qualsiasi presenza di elio rilevata indica una perdita. Lo svantaggio principale, anche se non il solo, consiste nel fatto che l'unità deve essere posizionata all'interno di una camera dalle dimensioni adeguate.
L'analisi dei gas a basse pressioni non è solo utile quando si analizzano i gas residui da una pompa di vuoto tramite il test delle perdite presso la connessione a flangia ma anche per le linee di fornitura del vuoto. Questa analisi è essenziale anche nei campi più ampi delle applicazioni e dei processi della tecnologia del vuoto. L'apparecchiatura usata per le analisi qualitative e/o quantitative dei gas comprende spettrometri di massa sviluppati appositamente e dalle dimensioni ridotte che possono essere connessi direttamente al sistema di vuoto.
A questo punto, viene esercitata una pressione parziale da un gas particolare all'interno di una miscela di gas. La somma di tutte le pressioni parziali di tutti i gas rappresenta il totale. La distinzione fra i vari tipi di gas avviene essenzialmente sulla base delle loro masse molari. Lo scopo principale dell'analisi è pertanto quello di registrare qualitativamente le proporzioni di gas all'interno di un sistema e determinare (quantitativamente) la quantità di ciascun gas.
Un RGA (Residual Gas Analyser, analizzatore dei gas residui) comprende il sensore, la scatola di interfaccia e l'unità di controllo.
Il sensore deve essere esposto al vuoto da momento che questo richiede basse pressioni per cominciare a funzionare.
La cella di misurazione è un misuratore del vuoto tramite ionizzazione con catodo caldo. Gli elettroni vengono emessi dai filamenti caldi e accelerati verso la fonte tramite una polarizzazione elettrica. Gli elettroni in rapido movimento collidono con le molecole del gas rimuovendo gli elettroni e, dunque, ionizzandole. Gli ioni positivi del gas forniscono la propria corrente al collettore di ioni a carica negativa. La corrente degli ioni è proporzionale alla pressione: Quanti più sono gli ioni, tanto maggiore è la corrente degli ioni.
L'array quadripolo è composto da quattro asticelle in acciaio inossidabile. A tutte le asticelle viene applicata una corrente diretta e una tensione ad alta frequenza: -DC su una coppia (due asticelle opposte) e +DC sull'altra coppia (due asticelle opposte). Ciò crea un campo magnetico complesso che viene controllato con la variazione della tensione. La vibrazione che ne risulta consente solo agli ioni di una massa specifica di "volare" attraverso tale campo e raggiungere il componente di rilevamento:
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Gli ioni con un rapporto adeguato di massa rispetto alla carica (m/e) oscillano in una traiettoria tridimensionale stabile attraverso i poli
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Gli ioni con m/e non corretta oscillano fuori controllo e collidono con i poli
Gli RGA sono in pratica misuratori della pressione parziale:
Gli RGA mostrano la composizione del gas utilizzando questo principio. Le applicazioni tipiche per gli RGA sono:
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Rilevamento e identificazione della perdita
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Individuazione e identificazione dei contaminanti
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Verifica della purezza del gas
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Controllo del processo di recupero dopo la ventilazione
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Garanzia della qualità del prodotto/processo
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Diagnostica e controllo del processo e delle apparecchiature
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Ottimizzazioni delle prestazioni e del rendimento del processo
