EXPERIENCIAS CON PIRANI DE PLATINO.

 

Se pretendía un montaje fácil y concreto para fabricarse un medidor de vacío, con mas precisión que la PT100 del Profe y que salvase el problema de la calibración.

 

Se partió de un hilo de Pt de 50mm y 0.0508Ø arrollado en espiral,  y soldado a una TO3 al que trepanamos la tapa, (en lo sucesivo TO3 o Pt). Según cálculos de unos 2Ω5, según polímetro 3Ω5 posiblemente por baja resolución y longitud de cables.

 

Hay tres maneras extremas de controlar la cosa (I, V, T ctes), y una inmensa mezcla de ellas, controlar en potencia descartado por complicado.

 

Icte:

La 1º idea fue de Icte, tiene la ventaja de que a Ø cte, la variación de longitud afecta en una variación en respuesta, pero las variaciones están linealmente relacionadas, por lo que bastaría multiplicar por un coeficiente corrector, que se calcularía con un patrón a vacío.

Una fuente de tensión con basada en un LM317 (un regulador de 1v2, parecido a los famosos 78xx) con R entre salida y referencia, todo en serie con la fuente y la TO3, y toma de tensión de sus terminales.

Aunque las primeras pruebas fueron muy prometedoras, lo fueron demasiado en un rango muy pequeño, entre 1mBar y 0,1 mBar, a costa del resto de la escala, como puede verse. 

 

 

            Las zona horizontales son mala cosa, significa que variamos presión pero no recogemos variación de voltios en la sonda, el sistema es ciego a esas presiones.

 

Estudiado el problema se llego a la conclusión de que existía un embalamiento,  Pot =I^2.R,  al aumentar el vació aumenta T, y por tanto R, al ser I cte, aumenta Pot, por lo que vuelve a aumentar T,,, etc,  hasta que alcanza un nuevo equilibrio.  En pruebas atmosféricas, estudiando el limite de I hasta ponerla al rojo, llegue a ver la incandescencia de una solo espira, sin duda por este efecto. Puede verse, a poca I el subidon aunque poco se produce a mayor vació, según mi teoría porque la avalancha llega después.

 

 

Vcte.

Tras el fracaso se intento Vcte en bornes de TO3, y medir I, se puede hacer alterando el clásico esquema de la PT100 llevando a alimentación el divisor de referencia, (curiosamente, partiendo de esta modificación e intercambiando la PT100 y su R superior se tiene un circuito de Icte).  Pero en nuestro caso variábamos la fuente regulable hasta alcanzar el Vcte en estudio y mediamos con otro polímetro la I. La regulación de la fuente era muy saltarina, se arregla con R cualquiera en serie, y poniendo una pinza en el potenciometro para palanca, a golpecitos de lápiz se regula bien.

 

 

Esta es la gráfica a Vcte. Como es lógico las “S”s miran al revés que Icte, porque medimos IPt. Mejora mucho la suavidad de la rampa, aceptable entre 0.1 y 10 mBar,  la respuesta fuera de este rango también mejora algo. 

Todo depende de lo que se pretenda, el Profe un sistema conciso que resuelva la calibración.  Yo soy muy exceptico con eso, mi ilusión era uno de amplio rango, sin ajuste alguno, de calibración posterior, salida de 0 a 5 para que lo trate un PIC con salida en presión a un LCD y RS232.  Aparte se puede pretender gran resolución cerca del 1mBar, para ello lo ideal es Icte, o ampliar el rango, y no usar Icte.

 

 

 

 

            Aunque las normalizaciones pueden ser muy engañosas, puede verse que según VPt  “ve” mejor unos rangos que otros, a poca VPt (frió) mide mejor el vació, y a gran Vpt mejor las presiones, y observese un puñetero subidon final. Experimento a extremadamente frió, ya no recuerdo si a Vcte, era muy sensible al alto vació, pero el calor de la mano lo variaba.

 

            Pt + Rserie.

            ¿Se podría llegar a un compromiso entre Icte y Vcte?. El efecto del embalamiento a Icte recuerda a la resistencia negativa de los diodos túnel, ¿Que pasaría si tenemos Vcte + R + TO3?, en parte seria como el caso de Vcte, pero a mayor Valim y R se desplazaría hacia el caso de Icte. Y ciertamente,

 

 

Las dos ultimas son de gran Vin y gran R, y vuelven a recordar las de Icte.

 

 

Tcte.

En todo lo visto hasta ahora la R, por tanto T, variaba con la presión, menos gas menos enfriamiento. Si se mantiene el Pt a Tcte, la radiación se mantiene cte, por lo que seria mas fácil detectar los cambios de conducion.

Para mantener Tcte hay que mantener RPt=cte, para ello el viejo esquema de la PT100 parece la única solución, es simple y fácil de entender, pero tiene un efecto de intentar entrar en oscilación, algo que ya me ocurrió hace años y que se repitió alguna vez ahora, a veces llega con poner 100 ohmios entre salida del operacional y base, su capacidad parásita amortigua las oscilaciones, con un C de base a masa mejor, también un C de la entrada + a masa, no recuerdo si mi idea de un C puenteando la salida y entrada – valía para algo, con Cs de 10N la cosa iba bien, par ir sobrado yo los metí de 1U. Mi idea era medir en la entrada del puente de Weston, que habrá doble voltaje, y ademas una R en serie con el emisor, pretendía aumentar la R de arranquee (la que puentea el transistor, para que arranque el puente y sacarlo de la indeterminación 0 0), de forma tal que la salida del operacional tuviese  una excursión máxima eligiendo también la R del emisor,  y sacar el dato del operacional, la cosa iba bien asta que quise hacer pruebas frías, para ello duplique la R emisor, pero volvió a oscilar a bajas presiones, supongo que le metí demasiada amortiguacion, y ocurre como cuando uno se ducha con manguera larga (retardo entre señal y respuesta), mientras llega el agua fría o caliente, nosotros seguimos  regulando en consecuencia, cuando llega el resultada ya nos pasamos.

A parte de esto, se partió de varios montajes de PT100 y las mediciones lo fueron del Pt, para no alterar patrones.

 

 

Estas son las gráficas de 2 circuitos de PT100 adaptados a los 3Ω de la TO3, en la leyenda, tres números, 1º numero de circuito, 2º V de alimentación, siempre 8v, 3º I en atmósfera, que no debería ser un parámetro de fiar, pero me valió para comparar.

Ya pueden verse 3 regiones,  desde alto vació empieza a subir el enfriamiento quizás linealmente, solo que como gráfica logarítmica  lo vemos en exponencial, pero llega a una región que empieza en 1e0 , en la que algún efecto el enfriamiento lo desacelera, (mejor dicho,  el efecto desacerelante gana al de la 1ª región, de ahí la inflexión), uno se pregunta por que el corcho es aislante, y la lana, y las plumas, entre 1e1 y 1e2 el aire actuá también de  aislante, efecto que ciega al detector, la región de entre 1e2 y 1e3 hay un subidon que no sabemos mas detalle por no tener resoluciónion el vacuometro comercial de referencia, parece que a el no le pasan estas cosas. Suponemos que aparecen corrientes de convecion que ventilan el Pt.

            Es de ver la similitud entre ellas, la naranja (2 8 0.1) se desviá de su gemela negra pero es porque hay un rebote en esa zona y vuelve a crecer, (¿oscilación?). 

Tras la normalizacion puede verse el rebote de la naranja (y que estropea su normalizacion), y que en apariencia las frías son mejores en alto vació, pero este es un valor relativo basado en la atmosf, si se desprecia y nos quedamos con el absoluto ganan las calientes (azul mas pendiente que negra es 1e-3).

            En resumen con Tcte se amplia algo el rango de Vcte.           

 

            ALGO DE TEORIA.

            Veamos,  metemos una I a un V en el Pt, por tanto sabemos dos cosas, 1º R=V/I, 2º Pot=I.V,  de 1ª deducimos T, que en Pt se duplica R cada 250ºC, pero que muchas veces he supuesto lineal desde 0ºK, con esta suposición T. k1=R.

            Por otro lado, ley de stefan- Boztman, la radiación =k2.T^4. En realidad es el ^4 de la diferencia, ahora no recuerdo si (T1-T0)^4 o T1^4 –T0^4, probablemente la 2ª, porque las paredes también calientan el Pt, de todas formas supongo Pt muy caliente y es despreciable Tambiente.

            Falta el de conducion, calor acarreado por el gas, lo dejo para después.

            Pot=Pradia+Pconducion, esta claro,  ¿no?.

            ¿Cual sera la potencia de conducion?, sera el calor que acarren las moléculas de gas, y dependerá de su velocidad y de su densidad (presión), de teoría de gases Ec=k. V^2=T (para cierto tipo dado de gas), por lo que V=k’raiz (T), por lo que la conducion sera =K3.raiz (T).

 

Me centrare 1º en el caso Icte, por lo que tendría:

Pot=I^2.R=I^2. k1.T

Pradia=k2.T^4

Pcond=k3.raiz(T).

 

Osea:

I^2. k1.T=k2.T^4 + k3.T^0.5

 

Si alguien me diese I y las 3s Ks no sabría calcular la T de equilibrio, pero gracias al ordenador y sus hojas de calculo puedo tantear T y deducir a la inversa.

Era cuestión de dar con las 3s Ks. K1 probé con la que sabia, k2 la ajuste para que conducion en vació =0, y k3 cayo sola, aun así estaban a vuela pluma.

            El caso es que lo que me daba no me gustaba por haber un máximo en la I, y me puse a pensar  ¿que es lo que acarrea?, la diferencia de Ts, por lo que lo convertí en:

I^2. k1.T=k2.T^4 + k3.T^1.5

            Tampoco me gustaba, pasaba el profe por allí y sugirió:

I^2. k1.T=k2.T^4 + k3.T

 

 

            Esto fue de lo mejor, como puede verse en nada se parece a la realidad, aplicar teoría fue fracaso total, demasiadas suposiciones, demasiadas ks,

 

El de Vcte: el eje y es I

Y el de Tcte:

 

            Los supuestos teóricos no saben de recorrido libre medio, ni de corrientes de convecion.

            A pesar del fracaso, la cosa lo intenta, es coherente.

 

ESTUDIO DEFINITIVO:

Ante lo mal de la situación me decidí a hacer algo por donde se debió haber empezado,  y no se hizo por la ilusión de que funcionaria a la 1ª.

Tras un mes seguido con el tema, y miles de datos tomados, medio millar ya no importaban, con paciencia se hizo una tabla de 11 presiones y 22 Vctes.

 

21/11/2009

 

DATOS BRUTO DE Pt3, NO TOCAR

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mVPt

50

60

70

80

90

100

120

150

200

220

250

300

350

400

450

500

600

700

800

900

1000

1200

1300

1400

1,00E+03

15

18

21

25

28

31

37

46

61

66

76

89

103

115

128

139

161

181

200

210

230

260

270

 

1,00E+02

15

18

21

25

28

31

37

46

61

66

75

88

101

113

125

136

156

173

189

200

210

230

240

250

3,00E+01

15

18

21

25

28

31

37

46

61

66

75

88

101

113

125

135

155

172

188

200

210

230

240

250

1,00E+01

15

18

21

25

28

31

37

46

60

65

75

88

100

112

123

133

153

170

185

198

200

230

240

250

3,00E+00

15

18

21

25

28

31

37

46

60

65

74

87

99

110

120

130

146

161

173

184

194

200

210

210

1,00E+00

15

18

21

25

28

31

36

45

59

64

71

83

94

103

112

119

132

143

153

161

168

180

182

188

3,00E-01

15

18

21

25

27

31

35

43

55

60

65

73

81

88

93

98

107

113

118

125

131

145

150

 

1,00E-01

15

18

21

24

26

29

34

41

50

54

58

65

70

77

79

84

92

99

106

115

122

 

 

 

3,00E-02

15

18

21

23

25

28

33

38

46

48

53

57

63

68

72

77

85

93

101

110

116

 

 

 

1,00E-02

15

18

20

23

25

28

31

37

44

46

51

56

61

66

70

75

84

92

100

108

 

 

 

 

3,00E-03

15

17

20

23

25

27

31

36

44

45

50

55

60

65

70

74

83

92

100

107

 

 

 

 

1,00E-03

15

17

20

23

25

27

31

36

43

45

50

54

60

65

70

74

83

91

99

107

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I para R=9

5

6

7

8

10

11

13

16

22

24

27

33

38

44

50

55

66

77

88

100

111

133

144

155

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Derecha las presiones, arriba en negrita los mV ctes, el grueso de la tabla son mA. Abajo un limite de I del que no debía bajar, so pena de fundir el platino, por eso no hay datos abajo derecha ni uno arriba derecha por exagerada. A partir de 199mA, el polímetro obliga a cambiar de escala, de ahí el escalón.

            Esta tabla lo es todo.

           

 

Si queremos saber la respuesta a Vcte no tenemos mas que coger la columna correspondiente o su linea en el gráfico. Si Icte cogemos la linea horizontal que nos interesa y sabemos lo mV que tendremos en la TO3. si lo hacemos a Tcte, tomamos la tabla original y sabiendo que R=V/I, hacemos otra, con la nueva ya valdría para trabajar a Rcte (=Tcte), pero si queremos los ºC, basándonos en la nueva hacemos otra con T(ºk)=250(R/r0 -1) +273

Y miramos  la horizontal a T elegida.

            Pero lo importante es que de un vistazo se ve la problemática del asunto, te pongas como te pongas siempre hay dos zonas horizontales, una cerca de 1e-3, y otra entre 1e1 y 1e2, en estas zonas cualquier circuito es ciego.

Me rompí la cabeza diñando trucos para que “saltase de raíl”, tontería, nosotros sabemos la presión porque lo vemos en uno comercial, pero el circuito solo ve voltios, se puede trucar fácil para el cambio de raíl, por ejemplo con una gran R entre la salida del operacional y alguna de sus entradas, pero esto solo afectaría a los tramos inclinados, no a los horizontales problemáticos.

 

Si tomando la tabla original hacemos otra de Pot=I.V, y tomando las filas horizontales de la tabla de Ts como eje X, y como Y la potencia recién deducida obtenemos la gráfica de arriba, de dudosa utilidad pues no controlamos potencia, (seria un 4º caso, pero dificilisimo técnicamente). El caso es que me hice otra tabla gráfica de la potencia radiada por Stefan - botzman, que omito, restando esta a la anterior me sale la de conducion.

Se ve que se solapan las lineas de 1e1 a 1e2, (marrón, rojo y naranja),

 

Y para rematar, el gráfico de la vieja PT100.

De igual leyenda que la TO3 de arriba, pero los Vctes son x10, y limitada a 300Ω, (500ºC), puede verse una pauta similar en las 3 regiones,  puede verse la peor respuesta que la nueva (lineas mas horizontales), por lo que abandone su estudio.

 

            CONCLUSIONES.

            El bicho es así y no hay que hacerle, presenta esas zonas ciegas que son irresolubles electronicamente.

            Resumiendo opciones, pros, y contras:

OPCIONES:

PROS

 

 

 

CONTRAS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Icte:

fácil circuito,

 

 

 

 

 

circuito estable

 

 

 

 

 

preciso en cierto rango

 

impreciso resto rango

 

embala

 

 

 

embala

 

señal potente

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vcte

circuito complicado

 

 

 

 

 

circuito estable

 

 

 

 

 

rango mas amplio

 

 

impreciso resto rango

 

desembala

 

 

 

desembala

 

algo menos potente

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tcte

 

 

 

 

 

circuito complicado

 

 

 

 

 

 

tiende a oscilar

 

gran rango

 

 

 

menos preciso en todo rango

 

 

 

 

 

 

 

 

Vcte+Rserie

fácil circuito,

 

 

 

 

 

 

circuito estable

 

 

 

 

 

híbrido entre Icte e Vcte,

 

híbrido entre Icte e Vcte,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            El que quiera un medidor para un rango especifico ya tiene una guiá en que basarse.

            Nosotros queríamos barrer todas las presiones con definición aceptable pero es imposible, hay que centrarse en alguna región.

            El profe soñaba con instrucciones especificas para hacerlos reproducibles, repito que yo lo dudo.

            Mi propuesta, Vcte con R en serie, opción vista de pasada antes, hice otra gráfica con ello, hay que definir una R en serie, y otra tabla en la que cada casilla sea la de la original + R. mV del encabezamiento, y nos da los mV que tenemos que meter en la serie para sacar los susodichos Vctes en la TO3, Tomando puntos de Y= cada unos de la misma fila, y por eje X el propio encabezamiento llego a:

 

Si aumentamos V cte DE ALIMENTACION DE LA SERIE R + TO3, (no Vcte de TO3), aumentamos la disipación en la R serie, cosa mala por producir calor y alterar la electrónica y la propia TO3, bajarla significa disipar en el regulador, igualmente malo, (una opción son reguladores conmutados, para baja Valim).

Una gran Valim conlleva una gran R, lo que hace tender al sistema hacia el caso Icte con toda su problemática.

Las tablas se usan así: supongamos que queremos en lo posible una precision mayor por debajo de 1mbar (linea verde), de las 4 la que mas separa esa region es la de aquí ariba, de 100Ω,  R debe ser de 100Ω, lógicamente queremos tener todo lo posible,  pero el tope lo define la linea de color indefinido, la mas baja, la que termina en X=900, es la linea de 1e-3mbar,  de su extremo nos vamos a la izquierda donde pone “mV a meter para que aparezcan,,,”, pues eso, pone casi 12000mv, decidimos usar 10V por seguridad y porque ¿hay? regulador, nos fijamos en la linea de los 10V, el resto ya sobra, ponemos un papelito en el monitor en la linea de 10V, marcamos el 0 de la agujita del futuro medidor en el cruze con la de color indefinido (1e-Mbar), 725mV en TO3, el fondo de escala en la linea negra (atmos), 325mV, y a partir de ahí ponemos rallitas en donde se cruzan, las lineas de presión conocida, ¿nos gusta la escala?, si si vale, y si no probamos otra opción pero sera muy parecida.

 

            CALIBRACION.

            Se coge una cámara de vació con cierre, se le hace el vació a tope, se cierra, provocamos una fuga controlada mediante un capilar, o membrana plástica, o mejor una válvula de inyección del profe, pero que aspire de un tubito (ya de goma vulgar), el tubito da a una pipeta graduada, que chupa liquido (agua o aceite), sabiendo el volumen de cámara y lo que entro deducimos la P interior.

            El sistema propuesto es un pitoste del copon, por lo que propongo que sea alguien quien lo haga y los demás a chupar rueda.