I manometri per il vuoto misurano tutti le letture della pressione nell’intervallo dalla pressione atmosferica fino a qualche pressione inferiore che si avvicina alla pressione zero assoluto, che non è raggiungibile. Alcuni manometri leggono l’intera gamma e altri possono leggere solo una parte della gamma, di solito usati per pressioni molto basse.
Se avete un tipico forno a vuoto, è normale avere almeno tre testine elettroniche per manometri montate sul sistema per monitorare il livello di vuoto in posizioni selezionate. Questi misuratori inviano segnali al sistema di controllo e le letture del vuoto sono usate per assicurare che le pompe del vuoto stiano lavorando correttamente e che la camera di processo sia alla corretta bassa pressione (vuoto) per il processo specifico. Per molti osservatori casuali, le letture e i nomi delle unità di misura utilizzate sono come una lingua straniera, e possono anche essere perché molti nomi sono stati derivati in Europa. Diamo un’occhiata alle diverse unità di misura del vuoto in uso nel mondo e da dove vengono i nomi.
Torricelli, Pascal e il barometro a mercurio
La comprensione dell’esistenza di pressioni inferiori alla pressione atmosferica circostante iniziò intorno al 1640 in Italia. Nel 1643 Torricelli sviluppò quello che sarebbe diventato il barometro a mercurio (simbolo chimico Hg). Egli trovò che la pressione atmosferica avrebbe sostenuto una colonna di mercurio alta circa 30 pollici in un tubo di vetro con un’estremità chiusa. (Fig. 1) La sua ricerca fu sviluppata da precedenti esperimenti di Gasparo Berti usando l’acqua come liquido. L’uso del mercurio (allora non conosciuto come materiale pericoloso) rese l’attrezzatura molto più compatta a causa della densità relativa del mercurio che è 13,95 volte quella dell’acqua. Torricelli prese un lungo tubo di vetro con un’estremità chiusa e lo riempì di mercurio. Poi chiuse l’estremità aperta e invertì il tubo in un contenitore di mercurio. Quando la chiusura veniva rimossa, possibilmente con un dito, il livello di mercurio all’interno del tubo scendeva fino a stabilizzarsi ad una misura di circa 30 pollici sopra il livello di mercurio nel contenitore. Il volume aperto nella parte superiore del tubo di vetro fu oggetto di molte discussioni all’epoca perché nessuno sapeva se ci fosse qualcosa in quel “vuoto torricelliano”, come fu conosciuto. Purtroppo Torricelli morì solo quattro anni dopo l’esperimento del barometro a mercurio e mi sono spesso chiesto se l’avvelenamento da mercurio potesse essere coinvolto.
Blaise Pascal fu un altro dei primi scienziati che visse in Francia. Nel 1647, avendo sentito parlare della dimostrazione del mercurio in un tubo chiuso di Torricelli, dimostrò che l’altezza della colonna di mercurio variava a diverse altitudini facendo una lettura in diversi punti di una collina vicino a casa sua.
Vuoto di mercurio
Da questo barometro, si può sviluppare un semplice vacuometro a mercurio che indica il livello di pressione come misura lineare, la differenza tra i livelli di mercurio nel contenitore e nella colonna di vetro.
Per esempio, se il tubo di vetro chiuso della Fig. 1 viene sostituito con un tubo aperto graduato che ha una valvola di chiusura, una valvola di ammissione dell’aria e un ugello montato su di esso, la parte superiore del tubo può ora essere collegata tramite un tubo a vuoto a una pompa da vuoto. (Fig. 2) Inizialmente, con le valvole di chiusura e di ammissione dell’aria aperte e la pompa a vuoto spenta, il livello del mercurio nel tubo di vetro sarebbe allo stesso livello del resto del mercurio nel contenitore. Il sistema è tutto a pressione atmosferica. Quando le valvole di intercettazione e di ammissione dell’aria sono chiuse e la pompa a vuoto è accesa, la linea del vuoto viene evacuata dalla pompa a vuoto fino alla valvola di intercettazione. A quel punto il livello di mercurio nel tubo di vetro e nel piatto non cambia. Il tubo è ancora a pressione atmosferica ma ora contiene un volume d’aria intrappolato a causa delle valvole chiuse. Quando la valvola di chiusura viene aperta lentamente, il gas si sposta dal tubo di vetro verso la pressione più bassa sul lato della pompa a vuoto della valvola e la pressione scende nel tubo di vetro. Mentre la pressione scende nel tubo di vetro, la pressione atmosferica che agisce sul mercurio nel contenitore spingerà il mercurio verso l’interno del tubo a causa del differenziale di pressione. La lettura delle graduazioni sul lato del tubo vi dirà qual è il livello di vuoto.
Se questa fosse una dimostrazione reale avremmo ora bisogno di chiudere il sistema. Prima si chiude la valvola di intercettazione isolando la pompa del vuoto dal tubo di misura; poi si può spegnere la pompa del vuoto. Poi, quando la valvola di ammissione dell’aria viene aperta lentamente, l’aria sarà ammessa nel tubo di misura e il livello di mercurio scenderà al suo livello originale nel piatto. Infine, la valvola di arresto deve essere aperta per consentire al lato di ingresso della pompa a vuoto di tornare alla pressione atmosferica.
Questo semplice misuratore misura la differenza dei livelli di mercurio da 0 pollici a pressione atmosferica fino a 29,92 pollici di Hg al miglior vuoto ottenibile. Questa scala è ancora in uso oggi, di solito indicata come da 0 a 30 pollici di Hg su misuratori come il Bourdon. Altre unità di misura sono diventate più popolari a causa della necessità di misurare pressioni molto basse che non possono essere risolte su una scala da 0 a 30.
Unità di misura del vuoto
Ho trovato una certa confusione nel corso degli anni parlando di “unità del vuoto”. In alcune parti del mondo di lingua inglese, una “unità” è anche ciò che altri chiamano “sistema”, quindi una “unità per il vuoto” per loro è una pompa a vuoto con alcune valvole e altri componenti montati su di essa. Ora sto attento a dire “unità di misura del vuoto” nel tentativo di rendere più chiaro a tutti. Dagli esperimenti originali Torricelli abbiamo già imparato di due unità di misura del vuoto, ma qui includo un altro che la maggior parte dei lettori non vuoto sarà anche familiare con. In tutti i casi, lo zero rappresenta la pressione dello zero assoluto (non raggiungibile, nemmeno nello spazio esterno) e il numero rappresenta la pressione atmosferica standard nelle unità indicate.
1) Libbre per pollice quadrato assoluto (psia) su una scala da 0 a 14.7
2) Pollici di mercurio (Hg) su una scala da 0 a 30, e l’equivalente metrico
3) Millimetri di Hg su una scala da 0 a 760 (Un millimetro = 1/1000 di metro)
Bisogna essere prudenti qui, perché il vuotometro originale a mercurio in un tubo misura la pressione ridotta (vuoto) dalla pressione atmosferica verso il basso verso la pressione zero, ma i numeri sulla scala leggono da 0 verso un massimo di 30. Questo è chiamato “pressione relativa” e varierà a seconda della pressione atmosferica. Misuratori di vuoto meccanici come il comparatore Bourdon (Fig. 3) leggere da “zero” a pressione atmosferica fino a una lettura del vuoto a fondo scala di 30 pollici di Hg. Come la pressione scende (o va giù) il numero di lettura del vuoto sale (o va su). Il calibro Bourdon mostrato in Fig.3 confonde le cose più mostrando i pollici di mercurio come numeri negativi. Non può esistere una cosa come la pressione negativa; è sempre una pressione positiva ma inferiore alla pressione atmosferica.
La pressione bassa equivale a un vuoto alto e viceversa. Quando si scrive di tecnologia del vuoto o di sistemi a vuoto è importante usare coerentemente i termini di pressione o di vuoto e non usarli entrambi. Generalmente è preferibile esprimere tutto in termini di pressione.
Una scala da 0 a 30 pollici di Hg non consente misurazioni accurate della bassa pressione prodotta da pompe a vuoto meccaniche a tenuta d’olio, ma l’equivalente metrico da 0 a 760 mm di Hg consente letture più accurate perché ci sono più divisioni sulla scala. Tuttavia, quando cominciamo a parlare di mm di scale Hg leggiamo anche i manometri del vuoto come pressione assoluta piuttosto che come pressione relativa. Le letture della pressione assoluta partono da zero che rappresenta la pressione dello “zero assoluto” e si leggono fino a 760 che rappresenta la pressione atmosferica standard nel caso dei mm di scala Hg.
Man mano che le pompe a vuoto diventavano più efficienti, diventava anche necessario avere un’unità di misura del vuoto più piccola dei mm di Hg. Questo fu possibile solo dopo l’invenzione dei vacuometri elettronici, perché non si possono davvero vedere divisioni di un millimetro su una scala lineare. Il mm di Hg è stato diviso in 1000 parti più piccole che sono state chiamate micron. La parola micron significa una milionesima parte di un metro. In alcune industrie, si usano misuratori di vuoto elettronici che leggono in micron, per esempio da 1000 a 0 micron che sarebbe lo stesso che da 1 a 0 mm Hg. (Vedi Fig. 4)
Negli anni ’70 gli scienziati decisero che non volevano misurare le basse pressioni in misure lineari come micron e millimetri. In onore di Torricelli, rinominarono il millimetro di unità Hg in torr. Il simbolo per l’unità di misura del vuoto torr è Torr, con la maiuscola come è normale per le unità metriche derivate dai nomi. Questo ci dà ora le unità di misura del vuoto:
4) Torr, e pressione atmosferica standard = 760 Torr, e per misure minori
5) MilliTorr o mTorr, dove 1 mTorr = 1/1000 di 1 Torr
In Europa, che misura la maggior parte delle cose in termini metrici, l’unità di misura del vuoto in uso generale è il millibar o mbar.
6) Millibar, simbolo mbar, dove 1 mbar = 1/1000 di bar, e la pressione atmosferica standard è 1013,25 mbar
La scala dei bar dove 1 bar = 1000 mbar è una scala molto semplice. La scelta di 1013,25 mbar come pressione atmosferica standard è stata evidentemente scelta perché è capitato di essere la pressione atmosferica tipica di Parigi.
Il gruppo di norme metriche System Internationale (SI) – con sede a Parigi – o International Standards Organization (ISO) ha anche designato un’unità di vuoto SI basata sull’unità metrica di forza Newton/metro quadrato (N/m2). Il nome scelto per questa unità di misura del vuoto è Pascal, un altro scienziato del 1640.
7) Pascal, simbolo Pa, dove la pressione atmosferica standard è 101.325 Pa. Si noti che 101.325 Pa è 100 volte più grande di 1013,25 mbar, quindi 1 mbar = 100 Pa.
A causa del fatto che il rapporto tra 760 Torr e 1013 mbar è di 3 a 4, rendendo facili le conversioni, e a basse pressioni, la differenza è quasi impercettibile (vedi Fig. 5) il mbar rimane un termine di misura popolare anche se il Pascal è sempre usato nei documenti scientifici. Con il passare del tempo sono sicuro che l’unità di misura del vuoto SI Pascal diventerà lentamente più usata in Europa anche se il torr rimane l’unità di misura del vuoto principale negli USA. Durante i miei molti anni in Canada, ho trovato che entrambe le unità torr e mbar sono stati utilizzati a causa delle influenze dagli Stati Uniti e attrezzature vuoto europeo fatto. Naturalmente oggi, molti vacuometri elettronici possono semplicemente essere commutati per selezionare l’unità di misura del vuoto che l’utente vuole vedere.
Un’altra grande differenza nella lettura di scale “gauge” e scale “assolute” è il cambiamento della scala da lineare a logaritmica. Se si tentasse di utilizzare una scala lineare di torr da 0 a 760 e poi dividere ogni divisione di torr in millitorr si avrebbe bisogno di una lente d’ingrandimento o meglio per vedere qualsiasi lettura, se mai. Usando una scala logaritmica ogni sezione della scala ha una buona risoluzione per fare una lettura accurata fuori scala. Per esempio da 760 a 100, da 100 a 10, da 10 a 1, da 1 a 0,1, da 0,1 a 0,01, da 0,01 a 0,001 nel caso dei manometri Convection e Pirani. Vedere le scale torr e mbar nella Fig. 5. Entrambe le scale indicano quattro decadi di pressione e possono essere lette facilmente in ogni decade della scala.
Con il passaggio da scale lineari a logaritmiche, e l’aumentato numero di piccole unità di misura del vuoto da leggere, anche i numeri sulla scala sono stati cambiati per usare la notazione scientifica. Questo rende le bilance analogiche meno ingombranti di numeri. La maggior parte dei lettori avrà familiarità con la notazione scientifica positiva “potenze di dieci” dove 102 =100 e 103 = 1000 ecc. come il quadrato di un numero può indicare l’area e il cubo di un numero può indicare il volume, ma le potenze negative di dieci non sono sempre facilmente comprensibili. Molto semplicemente la potenza negativa di dieci rappresenta quanti posti a sinistra si è spostata la virgola decimale mentre i numeri diventano più piccoli da 1,0 ogni decennio. (Vedi Fig.6)
Molti manometri moderni sono ora digitali piuttosto che analogici e questi indicano automaticamente il decennio di pressione così come indicano qualsiasi unità di misura del vuoto selezionata. (Vedi Fig. 7)
Diverse applicazioni del vuoto nell’industria e nella scienza tendono ad usare un’unità di misura del vuoto preferita, ma da questa discussione possiamo vedere la relazione tra di esse.