Segundo Gama (2002), a tecnologia do vácuo entende-se até cerca de 19 ordens de grandeza abaixo da pressão atmosférica, isto é, aproximadamente 10-16 mbar. Não existem medidores para medir intervalos tão amplos de pressão. Na prática, existem vários medidores para diferentes regiões. Cada tipo de medidor é sensível à variação da pressão numa dada região. Quando vamos escolher um medidor para uma determinado propósito devemos levar em consideração os seguintes critérios: (i) a região de pressão para a qual o medidor é desejado; (ii) se queremos medir a pressão total ou parcial; (ii) se a leitura do medidor pode ser dependente do tipo de gás ou não ; (iv) a precisão da medida desejada e tipo de montagem a ser efetuada.
Na região do pré-vácuo os principais medidores de pressão são: coluna de mercúrio, vacuômetro de Bourdon, vacuômetro de membrana, medidor de membrana capacitiva e vacuômetros de condutividade térmica. A baixas pressões, a condutividade térmica do gás residual é dependente da pressão, e como tal pode ser usada para medidas de vácuo. São utilizadas frequentemente o medidor Pirani e os medidores tipo termopar. No medidor tipo termopar a variação de temperatura de um filamento é medida diretamente por um termopar. Os termopares são menos frágeis que o Pirani, porém são menos sensíveis às variações de pressão.
Neste trabalho utilizamos a coluna de mercúrio, que opera desde a pressão atmosférica até aproximadamente 2,0 mbar e o medidor Pirani. Este último, é formado por um tubo metálico ou de vidro, e um filamento aquecido instalado no centro do tubo. Mede-se a variação da resistência elétrica deste filamento que está a temperatura de 1200C. A remoção do calor do filamento faz-se por meio dos átomos e moléculas que colidem com o filamento. Estes podem receber energia térmica do filamento e perderem-se em choques com a parede do tubo que está a temperatura mais baixa.
Conforme apresenta a Figura 6.17, o sensor Pirani pode medir pressões até 10-4 mbar, dependendo do modelo do equipamento.
Figura 6.17 À esquerda temos a representação do principio de funcionamento de um medidor Pirani e à direita podemos observar as curvas de calibração, cujo perfil depende da natureza físico-química do gás. Fonte: MET – Laboratório de Filmes Finos (2008).
O vacuômetro de Bourdon baseia-se no mesmo princípio que os barômetros de pressão atmosféricos de Bourdon. São construídos com um tubo em forma de arco flexível fechado numa extremidade e ligado ao sistema de vácuo na outra. A curvatura do tubo varia com a pressão. Estas variações são indicadas num mostrador por meio de um ponteiro ligado à extremidade fechada. Tratam-se de aparelhos pouco precisos e são usados na região correspondente ao vácuo primário.
O medidor de membrana capacitiva é outro tipo de sensor de vácuo que mede desde a pressão atmosférica até 10-6 mbar, com precisão de 0,05% a 3%. Consiste basicamente de uma placa sensora isolada do meio por uma membrana sensível. A variação de pressão exercida pelo meio da membrana, provoca uma deflexão deste em relação à placa sensora. Se mantivermos o dielétrico constante, teremos uma variação da capacidade proporcional à pressão exercida sobre a membrana. O circuito eletrônico básico usado para a medida de variação da capacidade, é um oscilador de corrente contínua onde um condensador é o próprio elemento sensor. Assim, pela variação da capacidade deste, teremos uma variação da freqüência do oscilador, que é convertida em tensão. As vantagens deste tipo de medidor incluem: robustez, vida útil longa, maior sensibilidade, maior faixa de operação e pode ser utilizado em temperaturas elevadas e até em alguns tipos de ambientes que bombeiam gases e vapores corrosivos.
Capítulo 7
Caracterização de Sistemas de Pré-Vácuo
O presente capítulo descreve a importância da caracterização dos sistemas de pré-vácuo dedicados à pesquisa e atividade industrial. Aborda também a necessidade da identificação e caracterização dos elementos estáticos e dinâmicos que podem interferir na eficiência do bombeamento dos gases e vapores no regime de escoamento viscoso laminar, bem como os métodos e esquemas dos sistemas de pré-vácuo utilizados para a determinação da velocidade de bombeamento das bombas mecânicas. Estes esquemas são a base para o arranjo experimental do estudo de caso desenvolvido no último capítulo da presente dissertação.
7.1 Introdução
A caracterização envolve a determinação do que constitui o caráter distintivo do sistema de pré-vácuo projetado, fabricado e montado. Envolve a dinâmica do processo e refere-se às medições das particularidades que caracterizam um determinado sistema de pré-vácuo em funcionamento. Segundo Valdman et al (2008), a dinâmica dos processos é o estudo dos estados transientes de comportamento com o tempo das variáveis dos processos quando ocorrem alterações súbitas ou não nas condições de operação que afetam a sua eficiência e o seu andamento. Mudanças de pressões, temperaturas, condutâncias, composição de correntes de entrada, bem como perdas de energia e eficiência nos equipamentos são variáveis que interferem no desempenho global de um sistema de pré-vácuo projetado originalmente para condições fixas e estáveis de operação.
Podemos identificar e caracterizar elementos estáticos no sistema de pré-vácuo, isto é, tudo o que não varia durante o processo de bombeamento de gases e vapores, mas que pode interferir significativamente no seu desempenho se não forem devidamente identificados e quantificados, principalmente os seguintes fatores: volume da câmara de vácuo, volume interno das tubulações, diâmetro e comprimento das tubulações, área interna do sistema onde podem ocorrer adsorção de gases, geometria interna da câmara de vácuo, geometria interna do circuito de vácuo, entre outros.
Como exemplo, temos a Figura 7.1, que apresenta exemplos de como a geometria da montagem do equipamento pode contribuir para aumentar ou reduzir o desempenho do sistema de vácuo.
Figura 7.1 Exemplos de sistemas de vácuo: (a) de alta condutância; (b) de baixa condutância; (c) de condutância infinita. Fonte: Degasperi (2006).
A identificação e caracterização dos elementos dinâmicos do sistema de pré- vácuo considera os fenômenos físicos e físico-químicos em sua evolução com o tempo. Assim, por exemplo, temos interesse em conhecer como variam, em função do tempo de bombeamento a uma determinada velocidade efetiva de bombeamento: a pressão, o número de moléculas de gases presentes na câmara de vácuo, a natureza dos gases presentes na câmara de vácuo, a temperatura de uma determinada região ou componente do sistema de vácuo, entre outros.