Construcción de un medidor de vacío.

En términos generales los medidores de vacío se clasifican en directos, o que miden directamente la fuerza que ejerce el gas en una superficie o indirectos o que miden la presión del gas por los efectos que esta pueda tener en otra magnitud física. El presente articulo trata de la medición de vacíos principalmente en el rango 1- 1000 micras y en ese rango el único medidor directo posible es el manómetro Mc Leod. Desafortunadamente este manómetro es muy engorroso de usar y se utiliza casi exclusivamente para calibrar los otros medidores. Por ello el aparato que pretendemos construir utiliza la técnica indirecta de medición.

Entre las técnicas indirectas destacan la térmica y la ionización de gases. La medición de la presión de un gas en función de su conducción o ionización es una técnica muy empleada para presiones por debajo de las 10 micras, pero no es fiable para medir presiones superiores, por lo cual la técnica que emplearemos aquí para realizar la medición de la presión del gas se basa en la capacidad de conducción calorífica de este en función de la presión.

La técnica mas habitual para medición del vacío en este rango son los basados en un fino hilo de platino, wolframio u otro metal que se calienta al pasar por el una corriente eléctrica. La temperatura que alcanzara este hilo depende de la presión a que se encuentre el gas que lo rodea. Cuando este hilo esta inmerso en gas a alta presión la mayor parte del calor generado en el filamento se disipara por conducción en el gas. Sin embargo a bajas presiones la conducción del gas será casi nula y la disipación se realizara casi exclusivamente por radiación.

Medición por thermocouple. La galga medidora consiste en una ampolla de dos o tres centímetros cúbicos en cuyo interior hay un filamento de platino de unos cuantos ohmios de resistencia. La temperatura en el centro de ese filamento se mide mediante un termopar soldado con el. Muchas veces este termopar es simplemente un hilo muy fino, soldado al filamento de manera que el termopar se realiza entre este sensor y el filamento. El filamento se calienta a voltaje constante. El termopar da una pequeña señal continua tanto mas alta cuanto mas baja sea la presión en la cámara. Generalmente la temperatura a que trabajas los filamentos de estas galgas no exceden de 300 ºC para evitar que posible componentes que haya en el aire se carbonicen y se depositen en el filamento alterando su calibración. Estas galgas ( sin medidor) se pueden comprar nuevas por unos 50 euros.

Medición por galga Pirani. El sensor consiste en una ampolla en la que se encuentra un fino filamento de platino por el cual se hace pasar una corriente eléctrica. La temperatura de este filamento es inversamente proporcional a la presión del gas en el interior de la ampolla. Generalmente la galga Pirani se compone de dos ampollas idénticas una de ellas esta abierta para conectarse a la presión a medir mientras que la otra ( que se considera como referencia) se encuentra sellada a una vacío muy bajo. Las dos ampollas con otras dos resistencias configuran un puente de Weastone. Las galgas Pirani, son generalmente mas sensibles y dos o tres veces mas caras que las de termopar.

Experiencias construyendo medidores de vacio.

Pirani con lamparitas de árbol de Navidad. Las lamparitas de un árbol de Navidad parecen excelentes para hacer una galga Pirani. Tienen un filamento con una resistencia en frío de unos 6 ohmios, con un coeficiente de temperatura muy alto, lo cual las hace muy sensibles. Además son muy baratas, el filamento tiene poca inercia térmica y son fáciles de conseguir. Con estas lamparas construí un Pirani y estaba muy satisfecho. Para ello emplee dos lamparitas una intacta como referencia y otra como sensor, a la cual mediante un Dremel y una fresa de diamante le corte un trozo de la ampolla de vidrio para realizar la toma de vacío. Desgraciadamente observe que la calibración día a día se desplazaba y por mas intentos que hice no conseguí estabilizarla. No conozco la razón, pero esta inestabilidad las desecha. Intuyo que el filamento de la lampara que esta abierta se oxida lentamente al aire aumentando su resistencia y esto desestabiliza el puente de Weaston.

Si se desea construir un medidor con técnicas termoeléctricas es necesario conocer tres parámetros al menos. La resistencia del filamento a la temperatura ambiente ( 21 ºC), la resistencia a 300 ºC y la corriente necesaria para calentar el filamento hasta 300 ºC en el vacío.

Como consecuencia de las inestabilidades observadas con los filamentos de bombillas opte por emplear metales nobles, concretamente platino. Las primeras pruebas fueron con una resistencias PT100 de película fina. Esta resistencia tiene 100 ohmios a la temperatura ambiente y con el coeficiente de temperatura del platino que es muy lineal y resulta ser aproximadamente de 0,4 ohmios por grado, lo cual significa que aproximadamente a 300 ºC la resistencia de la PT100 es de 220 ohmios.

El esquema anterior representa uno de los medidores de vacío mas simples que se puede construir. En el fondo constituye un puente de Weastone. Con el correcto Vcc la sonda que contiene la resistencia PT100 tendrá un valor de 200 ohmios al vacío mas alto. A esta presión el circuito se debe equilibrar con el potenciometro de 500 ohmios.

De este circuito, lo único que tiene una cierta complicación es la construcción de la sonda Basada en la PT100. La sonda PT100 consiste un una pequeña lamina de alúmina de 2 x 2,3 mm sobre la que esta evaporada una resistencia de platino que tiene un valor de 100 ohmios a 0 ºC. Los extrenos de esta resistencia tiene unos alambres conductores de unos 15 mm. La sonda puede trabajar hasta temperaturas de 500 ºC. La sonda se emplea como PTC ( Resistencia de coeficiente de temperatura positivo). La PT 100 puede comprase en RS, tiene como referencia 362-9840 y su coste es de 4,15 euros

En la fotografía anterior puede verse una sonda construida en casa. Consiste en un pequeño tubo de vidrio uno de cuyos extremos se conecta al vacío y el por el otro que esta cerrado con epoxi salen las conexiones a la PT100. Los terminales de la PT100 se emplean con dos propósitos, suministrar la corriente de calefacción y soportar la plaquita en el centro de tubo sin que toque las paredes. El calor producido por la resistencia se evacua por conducción del aire y también a través de las patillas. Este ultimo efecto resta sensibilidad a la sonda por ello estas conexiones deben ser lo mas largas y finas posibles. Como las patillas son muy cortas en el montaje propuesto se alargan hasta el exterior de la sonda mediante conductores adicionales. Por contra los conductores desde la sonda al circuito electrónico no deben ser ni muy finos ni excesivamente largo. Un cablecillo flexible de varios hilos del normalmente empleado en circuitos con una longitud de 1 metro es adecuado.

El dibujo anterior explica la construcción de la sonda. Se toma un pequeño cilindro de plástico u otro material aislante. Se perforan dos orificio de 0,8 mm para pasar los alambres, se sellan con epoxi en exceso, se sueldan las patillas de la PT100. El conjunto se introduce en un cilindro de vidrio o metal y se termina de sellar con epoxi. El ultimo sellado debe ser cuidadoso para que no queden fugas de vacío ni huecos. Para ello conviene untar con el pegamento las paredes de vidrio, untar igualmente la cara superior del cilindro y al introducirlo en el tubo que quede una capa de epoxi que selle todo por el interior.

Medidor de vacío con sonda de temperatura constante.

El medidor anterior sirve un poco con ejercicio de calentamiento, pero realmente es poco sensible. No obstante la sonda construida se puede emplear con un circuito electrónico bastante sencillo que incrementa notablemente las prestaciones de la sonda. No repetiremos la construcción de la sonda y en las referencias posteriores nos referiremos a la sonda construida con anterioridad.

Esquema de la electrónica.

El fundamento de este medidor es que la sonda se mantiene siempre a una temperatura constante del orden de unos 220 ºC. Cuando la sonda esta a la presión atmosférica la energía que se le debe de suministrar para alcanzar esa temperatura es mucho mayor que cuando la sonda esta a alto vacío. Las resistencias de 100, 500, 1K y la sonda forman un puente de Weastone, este puente esta equilibrado cuando la sonda tiene aproximadamente 220 ohmios. El desequilibrio en el puente es detectado por el operacional que actúa sobre el transistor 2N2222 variando el voltaje con que se alimenta la sonda. El sistema tiene un equilibrio en las condiciones descritas anteriormente y cuando el voltaje es cero. Para impedir la situación de voltaje cero hay una resistencia de 1 K entre colector y emisor del transistor. La presión se toma entre uno de los extremos de la sonda y el potenciomentro. Este se debe ajustar para presión cero.

Como transistor se emplea un 2N2222 pero puede emplearse cualquier NPN de 1/2 W con una beta de 200. El operacional empleado aquí es un CMOS preparado para trabajar con una sola alimentación. Cualquier otro puede servir.

Alimentando este circuito exactamente con 15 voltios y con la sonda descrita la tensión en los extremos de la PT100 son: 6,01 voltios al vacío mas alto ( menos de 0,5 microbar) y 8,65 a la presión atmosférica.

Si ajustamos el potenciometro para que el valor Vout al máximo vacío (mínima presión) sea 0, las tensiones en función del vacío son:

Presión microbares	Vout milivoltios
0	0
5	40
10	80
20	130
40	230
60	330
100	480
200	800
400	1.114
600	1.430
1000	1.730
2000	2.090
4000	2.330
6000	2.410
10.000	2.500
20.000	2.560
Atmosférica	2.640

En la tabla anterior el vacío se expresa en microbares. Para convertir los microbares a militorr (o micras de mercurio) multiplicar por 0.76 

Calibración.

La medición de Vout, puede hacerse con un voltímetro digital o con un medidor de aguja. Un potenciometro para ajustar la escala en serie con un microamperimetro sera suficiente. El consumo del aparato es relativamente bajo, pero conviene que se alimente a través de un regulador de tensión de 15 voltios. La electrónica puede meterse en una cajita, que lleve también el miliamperimetro y el rectificador y filtro.

Las medidas dadas anteriormente son muy aproximadas y la única forma de obtener presiones mas o menos exactas con este aparato es calibrarlo con otro que sepamos que funciona bien. Si no tenemos posibilidades de calibrarlo al menos tendremos una referencia aproximada. Si disponemos de una bomba de difusión posiblemente consigamos con ella presiones inferiores a 1 microbar que podremos considerar como referencia a 0. Con esta referencia y la presión atmosférica podemos dividir proporcionalmente a la escala expresada.

La fuente de error mas importante de este aparato es la desviación debido a la temperatura externa de la sonda. Podría hacerse un circuito compensador de temperatura pero la complicación no merece la pena. Si se desea mayor precisión lo mejor es emplear sondas de vacío de termopar comerciales. De cualquier manera si lo que quieres es poner a prueba tu ingenio, dos PT100 en paralelo conectadas térmicamente al cuerpo de la sonda pueden sustituir a la resistencia de 100 ohmios.

En vez de la resistencia de coeficiente positivo PT100 se pueden emplear resistencias NTC yo he probado con ellas, pero tienen mas inercia térmica y menos estabilidad que las Pt100 ya que al fin y al cabo son de platino.

Si quieres aquí puedes obtener una imagen del circuito impreso de el medidor, tanto de la cara de la pista como de la cara de componentes. Estos dibujos que han sido realizados por Amando (de Gijón), incorporan en la placa el transformador para red, rectificador y regulador de tensión. Ver aquí.

Próximamente daremos detalles de la construcción de una sonda con termopar.

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