Los vacuómetros miden todos las lecturas de presión en el rango que va desde la presión atmosférica hasta alguna presión más baja que se aproxima a la presión cero absoluta, que no es alcanzable. Algunos manómetros leen el rango completo y otros sólo pueden leer una parte del rango, normalmente utilizados para presiones muy bajas.
Si tiene un horno de vacío típico es normal que tenga al menos tres cabezales de manómetros electrónicos montados en el sistema para controlar el nivel de vacío en posiciones seleccionadas. Estos cabezales medidores envían señales al sistema de control y las lecturas de vacío se utilizan para asegurar que las bombas de vacío están funcionando correctamente y que la cámara de proceso está a la baja presión (vacío) correcta para el proceso específico. Para muchos observadores casuales, las lecturas y los nombres de las unidades de medida que se utilizan son como un idioma extranjero, y puede que lo sean porque muchos nombres se derivaron en Europa. Echemos un vistazo a las diferentes unidades de medida de vacío que se utilizan en todo el mundo y de dónde proceden los nombres.
Torricelli, Pascal y el barómetro de mercurio
La comprensión de que existían presiones inferiores a la presión atmosférica circundante comenzó alrededor de la década de 1640 en Italia. En 1643 Torricelli desarrolló lo que sería el barómetro de mercurio (símbolo químico Hg). Descubrió que la presión atmosférica soportaba una columna de mercurio de unos 30 centímetros de altura en un tubo de vidrio con un extremo cerrado. (Fig. 1) Sus investigaciones se desarrollaron a partir de los experimentos realizados anteriormente por Gasparo Berti utilizando agua como líquido. El uso de mercurio (que entonces no se conocía como material peligroso) hizo que el equipo fuera mucho más compacto debido a que la densidad relativa del mercurio es 13,95 veces mayor que la del agua. Torricelli tomó un tubo largo de cristal con un extremo cerrado y lo llenó de mercurio. A continuación, cerró el extremo abierto e invirtió el tubo en un recipiente de mercurio. Al retirar el cierre, posiblemente con la punta de un dedo, el nivel de mercurio en el interior del tubo descendió hasta estabilizarse en una medida cercana a los 30 centímetros por encima del nivel de mercurio en el recipiente. El volumen abierto en la parte superior del tubo de vidrio fue objeto de mucha discusión en su momento porque nadie sabía si había algo en ese «vacío torricelliano», como se llegó a conocer. Desgraciadamente, Torricelli murió sólo cuatro años después del experimento del barómetro de mercurio y a menudo me he preguntado si la intoxicación por mercurio pudo estar implicada.
Blaise Pascal fue otro de los primeros científicos que vivió en Francia. En 1647, habiendo oído hablar de la demostración del mercurio en un tubo cerrado de Torricelli, demostró que la altura de la columna de mercurio variaba a diferentes altitudes tomando una lectura en varios puntos de una colina cercana a su casa.
Marcadores de vacío de mercurio
A partir de este barómetro, se puede desarrollar un sencillo vacuómetro de mercurio que indica el nivel de presión como medida lineal, la diferencia entre los niveles de mercurio en el recipiente y en la columna de vidrio.
Por ejemplo, si el tubo de vidrio cerrado de la Fig. 1 se sustituye por un tubo graduado de extremo abierto al que se le ha colocado una válvula de cierre, una válvula de admisión de aire y una boquilla, la parte superior del tubo puede ahora conectarse mediante una manguera de vacío a una bomba de vacío. (Fig. 2) Inicialmente, con las válvulas de cierre y de admisión de aire abiertas y la bomba de vacío apagada, el nivel de mercurio en el tubo de vidrio estaría al mismo nivel que el resto del mercurio en el recipiente. Todo el sistema está a presión atmosférica. Cuando se cierran las válvulas de cierre y de admisión de aire y se enciende la bomba de vacío, la línea de vacío se evacua desde la bomba de vacío hasta la válvula de cierre. En ese momento, el nivel de mercurio en el tubo de vidrio y en el plato no cambia. El tubo sigue a presión atmosférica, pero ahora contiene un volumen de aire atrapado debido a las válvulas cerradas. Cuando la válvula de cierre se abre lentamente, el gas se moverá desde el tubo de vidrio hacia la presión más baja en el lado de la bomba de vacío de la válvula y la presión caerá en el tubo de vidrio. A medida que la presión cae en el tubo de vidrio, la presión atmosférica que actúa sobre el mercurio en el recipiente empujará el mercurio hacia arriba en el interior del tubo debido a la diferencia de presión. La lectura de las graduaciones en el lateral del tubo te dirá cuál es el nivel de vacío.
Si esto fuera una demostración real, ahora tendríamos que cerrar el sistema. En primer lugar, se cierra la válvula de cierre aislando la bomba de vacío del tubo de medición; a continuación, se puede apagar la bomba de vacío. A continuación, al abrir lentamente la válvula de admisión de aire, se admitirá aire en el tubo de medición y el nivel de mercurio bajará a su nivel original en el plato. Por último, se debe abrir la válvula de cierre para permitir que el lado de entrada de la bomba de vacío vuelva a la presión atmosférica.
Este sencillo medidor mide la diferencia en los niveles del mercurio desde 0 pulgadas a presión atmosférica hasta 29,92 pulgadas de Hg al mejor vacío alcanzable. Esta escala se sigue utilizando hoy en día, normalmente mostrada como 0 a 30 pulgadas de Hg en manómetros como los de esfera Bourdon. Otras unidades de medida se han hecho más populares debido a la necesidad de medir presiones muy bajas que no pueden resolverse en una escala de 0 a 30.
Unidades de medida de vacío
A lo largo de los años he encontrado cierta confusión al hablar de «unidades de vacío». En algunas partes del mundo de habla inglesa, una «unidad» es también lo que otros llaman un «sistema», por lo que una «unidad de vacío» para ellos es una bomba de vacío con algunas válvulas y otros componentes montados en ella. Ahora tengo el cuidado de decir «unidades de medición de vacío» en un intento de hacerlo más claro para todos. A partir de los experimentos originales de Torricelli ya hemos conocido dos unidades de medida de vacío, pero aquí incluyo otra que la mayoría de los lectores que no son de vacío también conocerán. En todos los casos, el cero representa la presión cero absoluta (no alcanzable, ni siquiera en el espacio exterior) y el número representa la presión atmosférica estándar en las unidades mostradas.
1) Libras por pulgada cuadrada absoluta (psia) en una escala de 0 a 14.7
2) Pulgadas de mercurio (Hg) en una escala de 0 a 30, y su equivalente métrico
3) Milímetros de Hg en una escala de 0 a 760 (Un milímetro = 1/1000 de un metro)
Hay que tener cuidado aquí, ya que el vacuómetro original de mercurio en tubo mide la presión reducida (vacío) desde la presión atmosférica hacia abajo, hacia la presión cero, pero los números de la escala se leen desde 0 hacia un máximo de 30. Esto se denomina «presión manométrica» y variará en función de la presión atmosférica. Los vacuómetros mecánicos, como el manómetro de Bourdon (Fig. 3), leen desde «cero» a la presión atmosférica hasta una lectura de vacío a escala real de 30 pulgadas de Hg. A medida que la presión disminuye (o baja) el número de la lectura de vacío aumenta (o sube). El manómetro de Bourdon mostrado en la Fig.3 confunde más las cosas al mostrar las pulgadas de mercurio como números negativos. No puede existir una presión negativa; siempre es una presión positiva pero inferior a la atmosférica.
Una presión baja equivale a un vacío alto y viceversa. Cuando se escribe sobre la tecnología de vacío o los sistemas de vacío es importante utilizar los términos de presión o de vacío de forma coherente y no utilizar ambos. Generalmente se prefiere expresar todo en términos de presión.
Una escala de 0 a 30 pulgadas de Hg no permite realizar mediciones precisas de la baja presión producida por las bombas de vacío mecánicas selladas con aceite, pero el equivalente métrico de 0 a 760 mm de Hg sí permite realizar lecturas más precisas porque hay más divisiones en la escala. Sin embargo, cuando empezamos a hablar de escalas de mm de Hg también leemos los vacuómetros como presión absoluta en lugar de como presión manométrica. Las lecturas de la presión absoluta comienzan en el cero que representa la presión del «cero absoluto» y se leen hasta el 760 que representa la presión atmosférica estándar en el caso de la escala de mms de Hg.
A medida que las bombas de vacío se hicieron más eficientes también se hizo necesario tener una unidad de medición de vacío más pequeña que los mm de Hg. Esto sólo fue posible después de la invención de los vacuómetros electrónicos, porque realmente no se pueden ver divisiones de un milímetro en una escala lineal. El mm de Hg se dividió en 1000 partes más pequeñas que se llamaron micras. La palabra micrón significa una millonésima parte de un metro. En algunas industrias se utilizan vacuómetros electrónicos que leen en micras, por ejemplo de 1000 a 0 micras que sería lo mismo que de 1 a 0 mm Hg. (Ver Fig. 4)
En la década de 1970 los científicos decidieron que no querían medir las bajas presiones en medidas lineales como micras y milímetros. En honor a Torricelli, renombraron la unidad de milímetros de Hg como torr. El símbolo de la unidad de medida de vacío es Torr, con mayúsculas, como es normal en las unidades métricas derivadas de nombres. Esto nos da ahora las unidades de medida del vacío:
4) Torr, y presión atmosférica estándar = 760 Torr, y para medidas menores
5) MilliTorr o mTorr, donde 1 mTorr = 1/1000 de 1 Torr
En Europa, que mide la mayoría de las cosas en términos métricos, la unidad de medida de vacío de uso general es el milibar o mbar.
6) Milibar, símbolo mbar, donde 1 mbar = 1/1000 de bar, y la presión atmosférica estándar es 1013,25 mbar
La escala de bar donde 1 bar = 1000 mbar es una escala muy simple. La elección de 1013,25 mbar como presión atmosférica estándar se eligió, evidentemente, porque resultó ser la presión atmosférica típica en París.
El grupo de normas métricas System Internationale (SI) -con sede en París- u Organización Internacional de Normalización (ISO) también ha designado una unidad de vacío SI basada en la unidad métrica de fuerza Newton/metro cuadrado (N/m2). El nombre elegido para esta unidad de medida del vacío fue Pascal, otro científico de la década de 1640.
7) Pascal, símbolo Pa, donde la presión atmosférica estándar es de 101,325 Pa. Nótese que 101.325 Pa es 100 veces mayor que 1013,25 mbar, por lo que 1 mbar = 100 Pa.
Debido en cierto modo al hecho de que la relación entre 760 Torr y 1013 mbar es de 3 a 4, lo que facilita las conversiones, y a bajas presiones, la diferencia es casi imperceptible (véase la Fig. 5), el mbar sigue siendo un término de medición popular, aunque el Pascal se utilice siempre en los artículos científicos. A medida que pase el tiempo, estoy seguro de que la unidad de medida de vacío del SI, el Pascal, se irá utilizando poco a poco en Europa, aunque el torr siga siendo la principal unidad de medida de vacío en los Estados Unidos. Durante mis muchos años en Canadá, descubrí que se utilizaban tanto las unidades de torr como las de mbar debido a las influencias de los equipos de vacío fabricados en Estados Unidos y Europa. Por supuesto, hoy en día, muchos vacuómetros electrónicos pueden simplemente cambiarse para seleccionar la unidad de medición de vacío que el usuario desea ver.
Otra diferencia importante en la lectura de escalas «manométricas» y escalas «absolutas» es el cambio de la escala de lineal a logarítmica. Si trataras de usar una escala lineal de torr de 0 a 760 y luego dividir cada división de torr en militorr necesitarías una lupa o algo mejor para ver alguna lectura, si es que la ves. Al utilizar una escala logarítmica, cada sección de la escala tiene una buena resolución para hacer una lectura precisa de la escala. Por ejemplo, de 760 a 100, de 100 a 10, de 10 a 1, de 1 a 0,1, de 0,1 a 0,01, de 0,01 a 0,001 en el caso de los manómetros de convección y Pirani. Véanse las escalas de torr y mbar en la Fig. 5. Ambas escalas indican cuatro décadas de presión y pueden leerse fácilmente en cada década de la escala.
Con el cambio de las escalas lineales a las logarítmicas, y el aumento del número de pequeñas unidades de medición de vacío que hay que leer, los números de la escala también se cambiaron para utilizar la notación científica. Esto hace que las escalas analógicas estén menos abarrotadas de números. La mayoría de los lectores estarán familiarizados con la notación científica positiva «potencias de diez», donde 102 =100 y 103 = 1000, etc., ya que el cuadrado de un número puede indicar el área y el cubo de un número puede indicar el volumen, pero las potencias negativas de diez no siempre son fáciles de entender. Muy sencillamente, la potencia negativa de diez representa cuántos lugares a la izquierda se ha movido el punto decimal a medida que los números se hacen más pequeños a partir de 1,0 cada década. (Ver Fig.6)
Muchos manómetros modernos son ahora digitales en lugar de analógicos y estos indican automáticamente la década de presión, así como la unidad de medición de vacío que se seleccione. (Ver Fig. 7)
Las diferentes aplicaciones del vacío en la industria y la ciencia tienden a utilizar una unidad de medida de vacío favorita, pero a partir de esta discusión podemos ver la relación entre ellas.
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