Visão Geral Sobre

Medidores de Vácuo

Este artigo visa dar uma visão geral sobre a tecnologia do vácuo, sua história e as diferentes maneiras de se fazer medição em vácuo.

Classificação dos Principais Processos e Instalações de Acordo com a Faixa de Vácuo Envolvida

Para facilidade didática, tanto para estudo de aplicações, quanto para escolha de um medidor adequado, costumamos dividir o campo de atuação do vácuo em quatro faixas distintas e amarradas a uma faixa distinta de pressão. Podemos ainda considerar o vácuo como um caso particular da pressão, se levarmos em conta que a pressão atmosférica, ao nível do mar, tem o valor de 1013 mbar (ou 1 atmosfera, símbolo atm) em relação ao vácuo absoluto. Essa classificação está detalhada na tabela 1.

Nome de Faixa de Vácuo Valores que a definem Principais usos da Faixa
Vácuo Primario De 1013 mbar
até 1 mbar		 Secagem, Destilação, Degaseificação
Vácuo Médio De 1 mbar
até 10-3 mbar		 Destilação molecular, Liofilização, Fornos de fundição e fusão, Fornos a arco
Alto Vácuo De 10-3 mbar
até 10-7 mbar		 Evaporação de revestimentos, Polimento de cristais, Espectrômetros de massa, Fornos de feixe eletrônico, Produção de válvulas, Aceleradores de Partículas
Ultra Alto Vácuo <10-7 Fusão nuclear, Pesquisa sobre o espaço, Física da superfície, Aneis de acelerômetro, Pesquisa de materiais

Tabela 1: – Classificação dos processos de vácuo quanto às diversas faixas de pressão.

Para cada uma das quatro faixas detalhadas na tabela 1 devemos usar um tipo de bomba ou um conjunto de bombas específicos e adequadas para este uso, bem como um tipo de medidor ou um conjunto de medidores que tenham a sensibilidade adequada para aquela faixa.

Aplicações

São muitas as áreas que se utilizam da Tecnologia do Vácuo, por isto os procedimentos envolvidos nos processos de vácuo são cada vez mais abundantes nos dias de hoje.

Seja em pesquisa e/ou produção industrial, para cada uso existe um patamar de vácuo ótimo que deve ser atingido para se obter o melhor resultado.

A tabela 2 mostra, de um lado, as atividades mais comuns na área de pesquisa e, do outro, os valores de vácuo convencionados para estas atividades.

Classificação do Vácuo Ultra Alto Alto Médio Primário
Pressão em mbar 10-12 10-11 10-10 10-9 10-13 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103
Atividade
Pesquisa de Materiais X X X X X X X X X X X X X
P. Baixa Temperatura X X X X X X X X X X X
Amostra Mic. Eletr. X X X X X X X X X
Simulação do Espaço X X X X X X X X
Fusão Nuclear X X X X X X X
Eq. Difração Eletrôn. X X X X X X X
Fonte de Íons X X X X X X X
Espectrômetro Massa X X X X
Feixe Molecular X X X X
Prod. De Filmes Finos X X X X X X
Física da Superfície X X X X X X
Acelerador Partículas X X X
Microscópio Eletrôn. X X X
Espectrógrafos Vácuo X X
Pesquisa de Plasma X X

Tabela 2: – Faixas de pressão mais usadas em atividades de pesquisa em física e em química.

A tabela 3 relaciona algumas atividades industriais, de um lado, com o correspondente valor de vácuo que deve ser atingido, do outro.

Classificação do Vácuo Ultra Alto Alto Médio Primário
Pressão em mbar 10-12 10-11 10-10 10-9 10-13 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103
Atividade
Fusão Feixe Eletrôn. o o o o X X X X o
Solda Feixe Eletrôn. X X X X X X X X
Produção de Válvulas de Descarga de Gás X X X X X X X X
Secagem de Papel de Isolação X X X X X
Liolifilização X X X o
Degaseificar Aços X X
Recozer Metais X
Fusão de Metais X X X
Deg.Metais Fundidos X X X
Evap. Revestimento X X X X X
Deposição de Metais X X X
Crescimento de Cristais X X X
Destilação Molecular X X X X
Degas. de Líquidos X X X X
Fusão de Resinas X X X X o
Secagem de Plásticos X X X
Liolifil. De Alimentos X o
Prod. Válvulas Elet. X X X

Tabela 3:- Faixas das pressões mais usadas em processos industriais envolvendo vácuo.

Unidades de Medida de Vácuo

Várias unidades de medida de vácuo foram sendo usadas ao longo do tempo e de acordo com os costumes dos vários países que contribuíram para o desenvolvimento da Tecnologia do Vácuo. Atualmente, a unidade legal que o Sistema Internacional instituiu como unidade padrão de vácuo é o Pascal (símbolo Pa) e o bar como uma denominação especial para 105 Pa.

1 Pa = 1 N.m-2

1 bar = 1000 mbar = 105 N.m-2 = 105 Pa

A unidade mais usada e aceita na Tecnologia do Vácuo é o milibar (símbolo mbar).

Na tabela 4 temos a correlação entra as diversas escalas utilizadas ao longo do tempo para a indicação de vácuo.

Unidades de Pressão
Unidades mbar bar Torr Pa (Nm10-2) atm lbf .pol10-2 Kgf .cm10-2 pol Hg mm Hg pol H20 mm H2O
mbar 1 103 0,75 103 9,869×104 1,45×10-2 1,02×10-3 2,9553×10-2 0,75 0,402 10,197
bar 10-4 1 7,5×102 105 0,987 14,5 1,02 29,53 7,5×102 4,015×102 2,02×104
Torr 1,333 1,333×10-3 1 1,333×102 1,316×10-3 1,934×10-2 1,36×10-3 3,937×10-2 1 0,535 13,59
Pa (Nm10-2) 0,1 10-5 7,5×10-3 1 9,87×10-6 1,45×10-4 1,02×10-5 2,953×10-4 7,5×10-3 4,015×10-3 0,102
atm 1,013×103 1,013 7,6×102 1,013×105 1 14,7 1,033 29,92 7,6×102 4,068×102 1,033×104
lbf .pol10-2 68,95 6,895×10-2 51,71 6,895×10-3 6,805×10-2 1 7,03×102 2,036 51,71 27,68 7,03×102
Kgf .cm10-2 9,807×102 0,981 7,356×102 9,807×104 0,968 14,22 1 28,96 7,356×102 3,937×102 105
pol Hg 33,86 3,386×10-2 25,4 3,386×103 3,342×10-2 0,491 3,453×10-2 1 25,4 13,6 3,45×102
mm Hg 1,333 1,333×10-3 1 1,333×102 1,316×10-3 1,934×10-2 1,36×10-3 3,937×10-2 1 0,535 13,59
pol H20 2,491 2,491×10-3 1,868 2,491×102 2,458×10-3 3,613×10-2 2,54×10-3 7,356×10-2 1,868 1 25,4
mm H20 9,807×10-2 9,807×10-5 7,354×10-2 9,807 9,677×10-5 1,42×10-3 10-3 2,896×10-3 7,354×10-2 3,394×102 1

Tabela 4:- Tabela que relaciona entre si quaisquer unidades usadas em vácuo.

Medição de Vácuo

Para a faixa de vácuo em uso atualmente, que vai de 1013 mbar até 10-13 mbar, temos 16 décadas de valores possíveis para o vácuo. Convenhamos, é uma faixa considerável, e, por isto, não foi possível, ainda, desenvolver um aparelho que, sozinho, dê conta de toda ela. Sabemos que não existem, ainda, bombas que também consigam levar sozinhas o vácuo até o extremo da faixa. É por isto que, muitas vezes, temos de usar um ou mais medidores para ler até onde desejamos fazer o vácuo chegar, e temos de nos utilizar de um arranjo de bombas para atingir o vácuo final desejado.

É certo que, em muitos processos industriais, o vácuo necessário não é muito grande. Nestas ocasiões, uma só bomba dará conta do recado, assim como um só medidor também irá acomodar toda a faixa de vácuo que nosso trabalho precisa.

A tabela 5 mostra as faixas de trabalho dos principais medidores de vácuo.

Classificação do Vácuo Ultra Alto Alto Médio Primário
Pressão em mbar 10-12 10-11 10-10 10-9 10-13 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103
Tipo de Medidor
Condutibilidade térmica X X X X X X X
Medidor de líquido X X X X X X
Medidores mecânicos X X X X X X
Medidor tipo McLeod X X X X X X
Medidores de ionização X X X X X X X X X X X X X

Tabela 5:- Faixas de vácuo que os vários tipos de medidores conseguem ler.

Fundamentos da Medição de Baixa Pressão

A Norma DIN 28 400, parte 3, edição 1979 define que medidores de vácuo são dispositivos para a medida de pressões abaixo da pressão atmosférica.

Na maioria dos casos, a indicação da pressão depende da natureza do gás presente.

Tipos de Medidores

Os medidores de vácuo em uso atualmente estão divididos em duas classes distintas e genéricas, ou seja:

Somente os medidores de leitura direta são independentes da natureza do gás ou vapor presentes. Eles lêem a pressão de acordo com a definição para manômetro, onde a força (pressão ou vácuo) atua na unidade de área. De acordo com a teoria cinética dos gases, esta força depende somente do número de moléculas do gás por unidade de volume e de sua temperatura, mas não de sua massa molar. Veja a fórmula abaixo que se aplica a este tipo de medidor.

p = n.k.T

Onde (n) é o número de partículas de gás (por exemplo, dentro de 1 cm3) em relação à pressão (p) do gás e à temperatura (T) termodinâmica em Kelvin, na lei da teoria cinética dos gases. E (k) é a constante de Botzmann.

Os medidores de vácuo que estão dentro desta classificação são os de comportamento mecânico. Entre eles podemos citar:

¨ Bourdon. Ele é constituído por um tubo em forma de círculo conectado ao ambiente de vácuo. Graças à ação da pressão atmosférica no seu exterior, o vácuo em seu interior provoca uma deflexão do tubo e o ponteiro acoplado a ele muda de posição. A escala é linear. Como a leitura é dependente da pressão atmosférica, a pressão só é precisa em torno de 10 mbar se nenhuma compensação for feita.

Medidor de Membrana:

Existem diversos tipos de medidores deste tipo, cada um com sua característica particular, mas todos muito semelhantes na maneira como lêem o vácuo. Basicamente eles são constituídos por uma membrana que separa dois ambientes distintos. Eles se prestam para dois tipos de leitura.

1. Vácuo Absoluto: Se eu quero ler o vácuo absoluto, então eu faço vácuo em um dos lados da membrana e selo-o sob vácuo. A membrana fica então totalmente deformada e inclinada para este lado, que passa a ser minha referência. O outro lado é o meu lado de leitura. Conforme eu vá fazendo vácuo do lado de leitura, a membrana vai voltando à sua posição de repouso até que ambos os lados estejam no mesmo nível de vácuo. Solidariamente a esta membrana eu tenho um transdutor eletrônico qualquer, como por exemplo, uma ponte piezoelétrica, um strain gage, um sensor ótico, um capacitor ou um sensor magnético que transformam o deslocamento mecânico da membrana em um sinal elétrico que será amplificado e interpretado por um circuito eletrônico. A escala resultante deste sensor será linear e independente da pressão atmosférica.

B. Vácuo Relativo. Se eu quero ler vácuo (ou pressão) diferencial entre dois ambientes distintos, vou usar os dois lados da membrana como leitura e a indicação resultante será a diferença entre as duas leituras. A transdução do deslocamento da membrana para um sinal elétrico será feita como descrito acima. A escala resultante deste tipo de sensor também será linear.

Manômetro de Tubo em U:

Este medidor foi e ainda é um tipo de medidor de vácuo muito popular para leitura de vácuo na faixa que vai desde 1013 até a alguns mbar, graças à sua simplicidade. Entretanto, seu uso em aplicações técnicas é limitada por causa de seu tamanho e perigo de quebra, com as conseqüências advindas do vazamento do mercúrio contido em seu interior. Existem dois tipos de medidor de tubo em U e que funcionam de maneira mais ou menos semelhante. Um dos modelos tem os dois braços do tubo abertos, enquanto o outro tem um dos braços do tubo aberto e o outro fechado na extremidade. Este é o modelo mais utilizado. O lado fechado é previamente preenchido com mercúrio, enquanto o outro lado é ligado ao sistema. Conforme o sistema for fazendo vácuo, o mercúrio irá afastar-se da extremidade fechada do tubo, só parando quando houver um equilíbrio de pressões entre o vácuo do sistema e o vácuo gerado com o afastamento do mercúrio da extremidade fechada do tubo. Uma pressão constante é mantida dentro deste lado fechado e igual à pressão de vapor do mercúrio, em torno de 10-3 mbar. A leitura da diferença de nível do mercúrio entre as duas colunas dá a indicação imediata da pressão em mbar ou então em mmHg (Torr). A indicação é independente da pressão atmosférica.

Medidores por Compressão:

Devemos notar que, nos medidores de vácuo por compressão, podem ocorrer dois fenômenos que falseiam a medida, quais sejam:

2. Condensação, quando uma parte de todo vapor condensável proventura presente no medidor irá se liqüefazer.

A indicação de pressão pelo medidor, então, depende, não só da pressão total e de sua fração de vapor, como também de sua taxa de compressão.

A medição exata da pressão parcial de um gás ou de um vapor específicos só é possível usando-se um espectrômetro de massa. Mas isto não é problema no dia a dia da medição de vácuo em pesquisa e na indústria, quando o que é importante é a repetibilidade da leitura e não seu valor em termos absolutos.

O aparelho que foi desenvolvido por McLeod em 1874 passou a ser o medidor de vácuo mais importante até muito recentemente. É do tipo de compressão e usa mercúrio em seu processo de medida. Em sua forma mais elaborada, ele pode ser utilizado para leitura de vácuo até 10-5 mbar. Foi muito utilizado como referência para calibração de outros medidores. Para este último uso, entretanto, uma série de considerações e leis devem ser observadas para que se obtenha a devida precisão. A medida de pressão resulta do fato que uma quantidade de gás, que antes ocupava um grande volume, é comprimida para um pequeno volume pelo aumento do nível de mercúrio contido no aparelho. O aumento de pressão resultante desta técnica pode ser avaliado e calculado, como acontecia nos manômetros tipo tubo em U. Ele tem um capilar fechado na extremidade superior e outro aberto que fica paralelo ao anterior. Atrás dele é colocada uma escala conveniente para leitura. O vácuo é feito através do capilar aberto. Para ler o vácuo do sistema, fazemos o mercúrio subir pelo capilar aberto, atuando numa manopla existente no aparelho, até que seu nível coincida com o extremo superior da escala. Verificamos então em que ponto da escala o nível de mercúrio do capilar fechado chegou. O valor lido é o valor do vácuo. A escala deste medidor obedece a algumas leis e não será objeto de detalhamento neste artigo. A precisão da leitura neste tipo de medidor depende, enormemente, da maneira como é feita a leitura, e se outros erros não foram cometidos. A presença de vapores que, por vezes, se condensam na compressão, podem influenciam a medida de uma maneira muitas vezes indefinida. Este tipo de medidor não serve para leitura contínua, pois exige a intervenção do operador a cada medição do vácuo.

Os medidores eletrônicos de vácuo medem o vácuo de maneira indireta em relação à densidade das moléculas presentes no meio. Como a medição desta densidade depende da natureza das partículas, a indicação da pressão com medidores de vácuo eletrônicos é dependente do tipo de gás presente. É por isto que eles são chamados de medidores indiretos de pressão.

Nesta categoria de medidor de vácuo estão inclusos os medidores de condutibilidade térmica (os medidores do tipo Pirani, os medidores de termopar e os medidores de termistor) e os medidores de ionização (os medidores de cátodo frio tipo Penning e os medidores de cátodo quente tipo Bayard-Alpert).

A escala destes medidores é normalmente referenciada ao nitrogênio ou ao ar. Se necessitarmos ler o vácuo para outros gases ou vapores, teremos de usar um fator de correção de escala para se ter a indicação correta.

Os principais medidores indiretos são:

Pirani:

Existem três maneiras distintas de se implementar este tipo de medidor, todas relacionadas em como o filamento é aquecido. Normalmente colocamos o filamento como um dos braços de uma ponte de Wheatstone. Em outro braço colocamos um potenciômetro de ajuste para colocar a ponte em equilíbrio. Nos outros dois braços colocamos dois resistores fixos. Podemos aplicar uma tensão constante ou uma corrente constante sobre a ponte. O filamento aquecido troca calor com os gases presentes ao seu redor. Se começarmos a retirar lentamente os gases de dentro do sensor, o filamento irá aquecer-se cada vez mais, pois irá diminuir a quantidade das moléculas que antes trocavam calor com ele. A leitura da corrente, para o sensor de tensão constante, ou a leitura da tensão, para o sensor de corrente constante, será uma indicação direta da pressão.

A terceira maneira de se implementar um sensor Pirani é fazendo com que o filamento tenha sempre a mesma temperatura e, consequentemente, a mesma resistência. A ponte de Whheatstone ficará então sempre em equilíbrio, qualquer que seja o vácuo do momento. A ponte é retroalimentada por um circuito eletrônico que lê qualquer tendência de desequilíbrio da ponte, provocada por uma tentativa de mudança da resistência do filamento, decorrente da mudança da concentração dos gases ao seu redor. O tempo gasto para que isto aconteça é de apenas alguns milisegundos. Dos arranjos possíveis para os medidores do tipo Pirani, este é o que oferece maior sensibilidade e rapidez para controle de processos, permitindo medidas desde pouco mais do que a pressão atmosférica até 1,0 x 10-3 mbar.

A potência elétrica entregue à ponte nesta versão do sensor Pirani vai diminuindo à medida em que os gases presentes no meio também vão diminuindo. Sua leitura nos dará uma indicação direta da pressão.

Os três arranjos de medidor de vácuo do tipo Pirani utilizam o princípio da troca térmica entre um filamento aquecido e as paredes de um recipiente, troca essa mediada pela atmosfera gasosa do ambiente em que o filamento aquecido está localizado. A condutibilidade térmica do gás é uma função complexa da sua pressão. Mantendo-se constante a diferença de temperatura entre o filamento e as paredes do recipiente, a quantidade de calor transferida por unidade de tempo do filamento para o recipiente é uma medida direta da pressão do gás.

Este é o tipo de medidor mais usado atualmente, em decorrência de sua simplicidade e confiabilidade.

Medidores de Termopar:

Os medidores de termopar funcionam também por condutibilidade térmica, como os do tipo Pirani. Os sensores deste tipo de medidor são constituídos por um filamento aquecido, sobre o qual é colocado um termopar. Este termopar irá ler a temperatura do filamento, gerando uma tensão proporcional ao calor do filamento. Como a temperatura do filamento varia por causa da mudança de concentração dos gases que trocam calor com ele dentro do corpo do sensor, quando fazemos vácuo, a tensão gerada pelo termopar nos informará a pressão presente no ambiente de forma direta.

Este tipo de medidor de vácuo é robusto, mas tem a inconveniência de ter uma resposta lenta face às variações de pressão, além de uma faixa de leitura pequena, se comparada à dos medidores tipo Pirani.

Medidores de Cátodo Frio (Penning):

Este tipo de medidor está dentro da classe dos medidores de ionização. Os medidores de cátodo frio, também chamados de Penning, Phillips ou de descarga iônica são capazes de medir o vácuo desde a pressão de 1 mbar até 10-12 mbar.

Neste sensor o gás é ionizado por uma descarga cíclica e permanente entre dois eletrodos frios confinados em um campo magnético que é fornecido por um ímã permanente. O ânodo é alimentado por uma alta tensão situada entre 1 KV e 3 KV, conforme o modelo do sensor, através de um resistor limitador de corrente. Quando a pressão no sensor for suficientemente baixa, uma descarga cíclica e permanente terá início entre o ânodo e o cátodo. Para que isto aconteça, é necessário que pelo menos um elétron chegue ao cátodo. Influenciado conjuntamente pelo campo elétrico e pelo campo magnético, a trajetória deste elétron entre os dois eletrodos é alongada tremendamente. Esta trajetória alongada faz aumentar a possibilidade de o elétron colidir com uma molécula de gás, ionizando-a. Como sempre existe algum elétron perdido no ambiente, já que somos continuamente bombardeados por eles, ele possibilita o início da ionização do gás que está preenchendo o sensor. Os íons positivos produzidos desta maneira são atraídos pelo cátodo e então neutralizados. Como estão carregados de energia, eles fazem com que elétrons segundários se desprendam do cátodo, caminhando de volta para o ânodo e novamente ionizando as moléculas de gás pelo caminho. A função do resistor em série com o sensor é de minimizar a diferença de tensão entre os eletrodos quando em alta pressão. Isto evita que uma descarga incandescente tenha início entre os eletrodos. A corrente oriunda dos íons positivos que caminham em direção ao cátodo e a corrente dos elétrons segundários que saem do cátodo em direção ao ânodo somam-se à corrente do circuito do ânodo. A ionização do gás resulta em uma descarga onde a corrente resultante é uma função da pressão dentro de uma faixa relativamente extensa. A leitura desta corrente nos dará uma indicação direta da pressão.

Medidores de Cátodo Quente:

Este também é um medidor de ionização. Para funcionar, ele precisa de ionizar o gás com um feixe de elétrons. A leitura da corrente dos íons nos fornece a medida da pressão. Seu funcionamento é, basicamente, como o de uma válvula triodo. A descrição de seu funcionamento não é pertinente no momento. Este sensor tem várias formas construtivas, o que permite que ele seja usado para ler pressões deste 10-2 mbar até 10-12 mbar.

3. Medidores de Pressão Parcial

Os medidores de pressão parcial são aparelhos que também se utilizam da ionização. Seu uso, entretanto, não é para a medida diária do vácuo nos processos industriais, mas sim para avaliação e estudo do que acontece durante o processo. São mais usados em pesquisa.

Com eles podemos saber quais vapores resultam do processo que estamos executando e o quanto eles estão interferindo no vácuo final.

Os medidores que possibilitam fazer este tipo de medida são os Espectrômetros de Massa e os Analizadores de Gás. Eles fazem a separação dos vapores presentes no ambiente sob estudo, identificando-os e quantificando-os.

Últimas Considerações

Como pudemos deparar do que foi exposto no artigo, para produzir e medir vácuo nós dependemos de muitos fatores interligados entre si. Temos que entender bem o processo que pretendemos executar, qual resultado pretendemos atingir, qual o melhor caminho que devemos trilhar, quais meios estão ao nosso alcance e qual o equipamento de bombeamento e de medição de vácuo devemos empregar. Se estes tópicos forem corretamente ponderados, temos certeza que o resultado final do processo será compensador.