Les jauges à vide mesurent toutes les lectures de pression dans la plage allant de la pression atmosphérique jusqu’à une certaine pression plus basse approchant la pression zéro absolue, qui n’est pas atteignable. Certaines jauges lisent la gamme complète et d’autres ne peuvent lire qu’une partie de la gamme, généralement utilisée pour les très basses pressions.
Si vous avez un four à vide typique, il est normal d’avoir au moins trois têtes de jauge à vide électroniques montées sur le système pour surveiller le niveau de vide à des positions sélectionnées. Ces têtes de mesure renvoient des signaux au système de contrôle et les relevés de vide sont utilisés pour s’assurer que les pompes à vide fonctionnent correctement et que la chambre de traitement est à la basse pression (vide) correcte pour le processus spécifique. Pour de nombreux observateurs occasionnels, les lectures et les noms des unités de mesure utilisées sont comme une langue étrangère, et c’est bien possible, car de nombreux noms ont été dérivés en Europe. Jetons un coup d’œil aux différentes unités de mesure du vide utilisées dans le monde et à l’origine des noms.
Torricelli, Pascal et le baromètre à mercure
La compréhension de l’existence de pressions inférieures à la pression atmosphérique environnante débute vers les années 1640 en Italie. En 1643, Torricelli a développé ce qui allait devenir le baromètre à mercure (symbole chimique Hg). Il a découvert que la pression atmosphérique pouvait soutenir une colonne de mercure d’environ 30 pouces de haut dans un tube de verre dont une extrémité était fermée (Fig. 1). (Fig. 1) Ses recherches ont été développées à partir d’expériences précédentes de Gasparo Berti utilisant l’eau comme liquide. L’utilisation du mercure (qui n’était pas connu à l’époque comme une matière dangereuse) rendait l’équipement beaucoup plus compact, la densité relative du mercure étant 13,95 fois celle de l’eau. Torricelli a pris un long tube de verre dont une extrémité était fermée et l’a rempli de mercure. Il a ensuite fermé l’extrémité ouverte et a inversé le tube dans un récipient de mercure. Lorsque la fermeture a été retirée, peut-être du bout d’un doigt, le niveau de mercure à l’intérieur du tube a baissé jusqu’à se stabiliser à une mesure de près de 30 pouces au-dessus du niveau de mercure dans le récipient. Le volume ouvert au sommet du tube de verre a fait l’objet de nombreuses discussions à l’époque, car personne ne savait s’il y avait quelque chose dans ce « vide torricellien », comme on l’a appelé. Malheureusement, Torricelli est mort seulement quatre ans après l’expérience du baromètre à mercure et je me suis souvent demandé si un empoisonnement au mercure n’aurait pas pu être en cause.
Blaise Pascal était un autre scientifique précoce qui vivait en France. En 1647, ayant entendu parler de la démonstration du mercure dans un tube fermé de Torricelli, il montra que la hauteur de la colonne de mercure variait à différentes altitudes en prenant une lecture en plusieurs points sur une colline près de sa maison.
Jauges à vide à mercure
À partir de ce baromètre, on peut développer une simple jauge à vide à mercure qui indique le niveau de pression comme une mesure linéaire, la différence entre les niveaux de mercure dans le récipient et dans la colonne de verre.
Par exemple, si le tube de verre fermé de la figure 1 est remplacé par un tube gradué à extrémité ouverte sur lequel sont montés une vanne d’arrêt, une vanne d’admission d’air et un embout, le haut du tube peut maintenant être relié par un tuyau à vide à une pompe à vide. (Fig. 2) Au départ, lorsque les vannes d’arrêt et d’admission d’air sont ouvertes et que la pompe à vide est arrêtée, le niveau de mercure dans le tube de verre est le même que celui du reste du mercure dans le récipient. Tout le système est à la pression atmosphérique. Lorsque les vannes d’arrêt et d’admission d’air sont fermées et que la pompe à vide est mise en marche, la ligne à vide est évacuée de la pompe à vide jusqu’à la vanne d’arrêt. À ce moment-là, le niveau de mercure dans le tube de verre et le plat reste inchangé. Le tube est toujours à la pression atmosphérique mais contient maintenant un volume d’air piégé en raison de la fermeture des valves. Lorsque la vanne d’arrêt est lentement ouverte, le gaz se déplace du tube de verre vers la pression plus faible du côté de la pompe à vide de la vanne et la pression chute dans le tube de verre. Au fur et à mesure que la pression baisse dans le tube de verre, la pression atmosphérique agissant sur le mercure dans le récipient pousse le mercure vers l’intérieur du tube en raison de la différence de pression. La lecture des graduations sur le côté du tube vous indiquera quel est le niveau de vide.
S’il s’agissait d’une démonstration réelle, nous devrions maintenant fermer le système. D’abord, on ferme la vanne d’arrêt isolant la pompe à vide du tube de mesure ; ensuite, on peut arrêter la pompe à vide. Ensuite, en ouvrant lentement la vanne d’admission d’air, de l’air sera admis dans le tube de mesure et le niveau de mercure retombera à son niveau initial dans la coupelle. Enfin, la vanne d’arrêt doit être ouverte pour permettre au côté entrée de la pompe à vide de revenir à la pression atmosphérique.
Cette simple jauge mesure la différence des niveaux du mercure de 0 pouce à la pression atmosphérique jusqu’à 29,92 pouces de Hg au meilleur vide possible. Cette échelle est toujours utilisée aujourd’hui, et elle est généralement indiquée de 0 à 30 pouces de Hg sur des jauges telles que les jauges à cadran de Bourdon. D’autres unités de mesure sont devenues plus populaires en raison de la nécessité de mesurer des pressions très basses qui ne peuvent être résolues sur une échelle de 0 à 30.
Unités de mesure du vide
J’ai constaté une certaine confusion au fil des ans en parlant d' »unités de vide ». Dans certaines parties du monde anglophone, une « unité » est aussi ce que d’autres appellent un « système », donc une « unité de vide » pour eux est une pompe à vide avec quelques valves et autres composants montés dessus. Maintenant, je prends soin de dire « unités de mesure du vide » afin de rendre les choses plus claires pour tout le monde. Les expériences originales de Torricelli nous ont déjà appris l’existence de deux unités de mesure du vide, mais j’en ajoute une autre que la plupart des lecteurs non spécialistes du vide connaissent également. Dans tous les cas, le zéro représente la pression zéro absolu (impossible à atteindre, même dans l’espace) et le nombre représente la pression atmosphérique standard dans les unités indiquées.
1) Livres par pouce carré absolu (psia) sur une échelle de 0 à 14.7
2) Pouces de mercure (Hg) sur une échelle de 0 à 30, et l’équivalent métrique
3) Millimètres de Hg sur une échelle de 0 à 760 (Un millimètre = 1/1000e de mètre)
Il faut être prudent ici, car le vacuomètre original à mercure dans un tube mesure la pression réduite (vide) de la pression atmosphérique vers le bas jusqu’à la pression zéro, mais les chiffres sur l’échelle se lisent de 0 vers un maximum de 30. C’est ce qu’on appelle la « pression manométrique », qui varie en fonction de la pression atmosphérique. Les jauges à vide mécaniques, telles que la jauge à cadran de Bourdon (Fig. 3), lisent de « zéro » à la pression atmosphérique jusqu’à une lecture de vide complet de 30 pouces de Hg. Au fur et à mesure que la pression baisse, le chiffre de la lecture du vide augmente (ou s’élève). Le manomètre de Bourdon illustré à la Fig.3 rend les choses encore plus confuses en indiquant les pouces de mercure comme des nombres négatifs. Il ne peut exister de pression négative ; il s’agit toujours d’une pression positive mais inférieure à la pression atmosphérique.
Une faible pression est équivalente à un vide élevé et vice versa. Lorsque l’on écrit sur la technologie du vide ou les systèmes de vide, il est important d’utiliser systématiquement soit les termes de pression, soit les termes de vide et de ne pas utiliser les deux. En général, on préfère tout exprimer en termes de pression.
Une échelle de 0 à 30 pouces de Hg ne permet pas de mesurer avec précision la basse pression produite par les pompes à vide mécaniques scellées à l’huile, mais l’équivalent métrique de 0 à 760 mm de Hg permet des lectures plus précises car il y a plus de divisions sur l’échelle. Cependant, lorsque nous commençons à parler d’échelles en mm de Hg, nous lisons également les jauges à vide en tant que pression absolue plutôt qu’en tant que pression manométrique. Les lectures de pression absolue commencent à zéro représentant la pression du » zéro absolu » et se lisent jusqu’à 760 représentant la pression atmosphérique standard dans le cas de l’échelle en mms de Hg.
A mesure que les pompes à vide devenaient plus efficaces, il devenait également nécessaire d’avoir une unité de mesure du vide plus petite que le mm de Hg. Cela n’a été possible qu’après l’invention des jauges à vide électroniques, car on ne peut vraiment pas voir de divisions d’un millimètre sur une échelle linéaire. Le mm de Hg a été divisé en 1000 parties plus petites, appelées microns. Le mot micron signifie une millionième partie de mètre. Dans certaines industries, on utilise des jauges à vide électroniques qui se lisent en microns, par exemple de 1000 à 0 microns, ce qui reviendrait à dire de 1 à 0 mm de Hg. (Voir Fig. 4)
Dans les années 1970, les scientifiques ont décidé qu’ils ne voulaient pas mesurer les basses pressions en mesures linéaires telles que les microns et les millimètres. En l’honneur de Torricelli, ils ont renommé l’unité de millimètre de Hg le torr. Le symbole de l’unité de mesure du vide torr est Torr, avec une majuscule, comme il est normal pour les unités métriques dérivées de noms. Cela nous donne maintenant des unités de mesure du vide :
4) Torr, et pression atmosphérique standard = 760 Torr, et pour les mesures plus petites
5) MilliTorr ou mTorr, où 1 mTorr = 1/1000 de 1 Torr
En Europe, qui mesure la plupart des choses en termes métriques, l’unité de mesure du vide généralement utilisée est le millibar ou mbar.
6) Millibar, symbole mbar, où 1 mbar = 1/1000 de bar, et la pression atmosphérique standard est de 1013,25 mbar
L’échelle du bar où 1 bar = 1000 mbar est une échelle très simple. Le choix de 1013,25 mbar comme pression atmosphérique standard a évidemment été choisi parce qu’il se trouve que c’est la pression atmosphérique typique de Paris.
Le groupe de normalisation métrique System Internationale (SI) – basé à Paris – ou International Standards Organization (ISO) a également désigné une unité de vide SI basée sur l’unité métrique de force Newton/mètre carré (N/m2). Le nom choisi pour cette unité de mesure du vide est Pascal, un autre scientifique des années 1640.
7) Pascal, symbole Pa, où la pression atmosphérique standard est de 101 325 Pa. Notez que 101 325 Pa est 100 fois plus grand que 1013,25 mbar, donc 1 mbar = 100 Pa.
Dû quelque peu au fait que le rapport entre 760 Torr et 1013 mbar est de 3 à 4, ce qui rend les conversions faciles, et qu’à basse pression, la différence est presque imperceptible (voir Fig. 5) le mbar reste un terme de mesure populaire même si le Pascal est toujours utilisé dans les articles scientifiques. Avec le temps, je suis sûr que le Pascal, unité de mesure du vide du SI, sera de plus en plus utilisé en Europe, même si le torr reste la principale unité de mesure du vide aux Etats-Unis. Au cours de mes nombreuses années au Canada, j’ai constaté que les unités torr et mbar étaient toutes deux utilisées en raison de l’influence des équipements de vide fabriqués aux Etats-Unis et en Europe. Bien sûr, aujourd’hui, de nombreuses jauges à vide électroniques peuvent simplement être commutées pour sélectionner l’unité de mesure du vide que l’utilisateur souhaite voir.
Une autre différence majeure dans la lecture des échelles « jauges » et des échelles « absolues » est le changement de l’échelle de linéaire à logarithmique. Si vous essayez d’utiliser une échelle linéaire de torr de 0 à 760 et de diviser ensuite chaque division de torr en millitorr, vous aurez besoin d’une loupe ou mieux pour voir une lecture, si tant est qu’il y en ait une. En utilisant une échelle logarithmique, chaque section de l’échelle a une bonne résolution pour faire une lecture précise de l’échelle. Par exemple, de 760 à 100, 100 à 10, 10 à 1, 1 à 0,1, 0,1 à 0,01, 0,01 à 0,001 dans le cas des manomètres à convection et Pirani. Voir les échelles en torr et en mbar sur la figure 5. Ces deux échelles indiquent quatre décades de pression et peuvent être lues facilement dans chaque décade de l’échelle.
Avec le passage des échelles linéaires aux échelles logarithmiques, et l’augmentation du nombre de petites unités de mesure du vide à lire, les chiffres de l’échelle ont également été modifiés pour utiliser la notation scientifique. Les échelles analogiques sont ainsi moins encombrées de chiffres. La plupart des lecteurs connaissent la notation scientifique positive « puissance de dix », où 102 = 100 et 103 = 1000, etc., car le carré d’un nombre peut indiquer l’aire et le cube d’un nombre peut indiquer le volume, mais les puissances négatives de dix ne sont pas toujours faciles à comprendre. Très simplement, la puissance négative de dix représente combien de places vers la gauche le point décimal s’est déplacé alors que les nombres deviennent plus petits de 1,0 à chaque décennie. (Voir Fig.6)
De nombreux manomètres modernes sont maintenant numériques plutôt qu’analogiques et ceux-ci indiquent automatiquement la décennie de pression ainsi que l’indication de l’unité de mesure du vide, quelle qu’elle soit. (Voir Fig. 7)
Les différentes applications du vide dans l’industrie et la science ont tendance à utiliser une unité de mesure du vide favorite, mais à partir de cette discussion, nous pouvons voir la relation entre les deux.