1. Manómetro de tubo Bourden

Los ingenieros de instrumentación han estado prestando mucha atención a esta física predecible y la han utilizado hábilmente. La siguiente figura es un excelente ejemplo.

Consiste principalmente en un tubo hueco que se dobla a sí mismo. Un extremo del extremo curvo está cerrado, mientras que el otro extremo permanece abierto, lo que permite detectar libremente la presión recibida; en este caso, esta presión proviene del fluido que fluye a través de la tubería. A medida que aumenta la presión, el tubo se estira y relaja ligeramente, desplazando su extremo cerrado hacia afuera. Esta señal de desplazamiento es capturada por una biela y transmitida a un brazo de pivote; el brazo de pivote amplifica el pequeño desplazamiento a través del mecanismo de transmisión de engranajes, impulsando así el puntero de medición para realizar la desviación correspondiente. El principio es nada más. El manómetro de tubo Boden es un instrumento mecánico simple pero eficaz que se ha utilizado ampliamente. De hecho, en el interior de muchos barómetros, también se pueden encontrar principios técnicos similares, que se utilizan para detectar cambios en la presión atmosférica.

2. Tipo De Tubo De Boden

El manómetro de tubo de Bourne consiste en un tubo curvado en espiral o arco. A medida que aumenta la presión dentro del tubo, el tubo en espiral se estirará gradualmente. El puntero conectado al extremo del tubo puede ser accionado por un mecanismo de enlace para indicar la lectura de presión correspondiente en el dial.

Un tubo típico de Boden tiene un diámetro de 50mm y su desplazamiento final puede alcanzar los 4mm. Este tipo de medidor se usa comúnmente para medir presiones en el rango de aproximadamente 35 kPa a 100 MPa. El desplazamiento del tubo puede conducir directamente el puntero del instrumento para la visualización o activar el sensor de desplazamiento para emitir una señal eléctrica adecuada para la adquisición de datos por computadora.

3. Manómetro de tubo Bourdon

El propio tubo de Boudon generalmente está hecho de latón y tiene una sección transversal plana ovalada o rectangular. En el manómetro de tubo de Boden, un tubo de metal curvado y plano, un extremo está cerrado y el otro extremo está conectado a la fuente de presión. Cuando se somete a presión, el tubo de metal tiende a enderezarse y, a través de un sistema de transmisión amplificada compuesto por una palanca y una barra de engranajes, el puntero se desvía. Este manómetro es adecuado para medir la presión de un líquido o gas, y su rango de medición abarca desde micropresiones de menos de 1 bar hasta altas presiones de hasta 10000 bar. Su calibración generalmente se realiza con la ayuda de un “manómetro de pistón” (probador de peso muerto).

4.Manómetros De Tubo De Bourdon Y De Diafragma

En los manómetros de tubo de Bourdon y de diafragma, la medición de la presión se logra cuantificando la deformación de un elemento elástico; las superficies externa e interna de dicho elemento elástico se someten a la presión objeto de medición y a una presión de referencia, respectivamente. Por lo general, estos manómetros funcionan como dispositivos autónomos (es decir, que no requieren ningún aporte de energía externa para operar), con un rango de medición que abarca desde la presión atmosférica hasta aproximadamente 133,32 Pa (1 Torr). Mediante la compensación de ciertos factores que limitan sus capacidades de medición, es incluso posible determinar con precisión presiones que son un orden de magnitud inferiores a este rango especificado. Entre estos factores limitantes se incluyen: la histéresis y la deriva del punto cero, resultantes de imperfecciones elásticas en el elemento sensor; los defectos mecánicos causados ​​por la fricción; el juego mecánico (error de inversión) dentro del sistema de transmisión mecánica utilizado para amplificar la deformación del elemento elástico; y los efectos térmicos inducidos por las fluctuaciones en la temperatura ambiente —efectos que alteran el módulo de elasticidad del elemento sensor y provocan una expansión térmica no uniforme entre los diversos materiales empleados en la construcción del instrumento (es decir, una discrepancia en los coeficientes de expansión térmica).

El manómetro de tubo Bourne se compone principalmente de un tubo de metal hueco con una sección transversal plana u ovalada y doblada en varias formas (Figura a). Si se utiliza una estructura tubular en espiral, un extremo generalmente se fija en una carcasa y se puede conectar al sistema de vacío; el otro extremo está cerrado y conectado a un puntero mediante una transmisión mecánica que se puede mover sobre el dial para indicar la lectura (Figura b). Cuando la presión dentro del tubo hueco cambia con respecto a la presión atmosférica externa, es decir, la presión de referencia, el tubo espiral se deforma. Dependiendo de si la presión en el sistema es mayor o menor que la presión de referencia, la curvatura del tubo en espiral aumenta o disminuye correspondientemente. Las fluctuaciones en la presión atmosférica causan principalmente errores de medición significativos en el lado del rango de baja presión.

Normalmente, para evitar errores causados por defectos elásticos, este tubo hueco se endurece. En escenarios de aplicación donde los requisitos de histéresis de los elementos de detección son extremadamente bajos, los tubos de Boden hechos de cuarzo (cuarzo fundido) se utilizan a menudo en lugar de tubos de metal. Sin embargo, los tubos de cuarzo son más sensibles e intensos en respuesta a las vibraciones que los tubos metálicos. Dressier(1965) sentó las bases teóricas del tubo de Boudon.

El manómetro de diafragma utiliza una placa de metal delgada y redonda (generalmente) como elemento sensible a la presión; para evitar la deformación por pandeo durante la presión, la placa de metal puede adoptar una estructura plana o una estructura corrugada (abajo). En el caso del mismo diámetro y grosor, las placas planas son más sensibles que las placas corrugadas.

En un medidor sin líquido, dos diafragmas herméticas con bordes interconectados se colocan dentro de un conjunto denominado “cartucho de membrana”. La caja de membrana se sella después de aspirar a un estado de baja presión (como referencia) y se coloca en una cavidad para que pueda detectar la presión a medir. La deformación (deflexión) de la caja de membrana se amplifica mediante un dispositivo mecánico. Al apilar múltiples cartuchos de membrana, se puede obtener una mayor salida de deformación. Si se utilizan sensores eléctricos capacitivos o inductivos, el rango de presión de medición del manómetro de diafragma se puede reducir considerablemente.

5. Medición de presión

Todos estamos muy familiarizados con las múltiples formas en que la presión aplica fuerza y cómo esta fuerza se traduce en movimiento mecánico. Tomemos un ejemplo simple: soplando en el globo, el globo se expandirá constantemente hasta que alcance su forma completamente estirada; esto no es sorprendente. Del mismo modo, si soplamos suavemente el fondo de una pajita colocada verticalmente (la mitad de la cual está llena de agua), a medida que aumenta la presión, la superficie del agua dentro del tubo se elevará gradualmente.

6. Manómetro de hoja de membrana de aislamiento

Para muchas industrias, incluida la industria nuclear, es importante garantizar que los componentes de detección del medidor no entren en contacto directo con el medio bajo prueba. Esto puede deberse a que el fluido medido en sí tiene algunas propiedades especiales, o puede deberse a que la presión involucrada es demasiado alta, lo que puede causar daños al instrumento sensible a la precisión. En este escenario de aplicación, el método para lograr este efecto de aislamiento puede describirse como exquisito y simple.

Un diafragma flexible se coloca entre dos placas fijas: un lado del diafragma está en contacto con el fluido a medir y el otro lado está conectado al instrumento de medición de presión (abajo). Por lo general, especialmente para los escenarios de aplicación que discutimos aquí, podemos suponer que el líquido es incompresible. Por lo tanto, a medida que la presión en la tubería continúa aumentando, el diafragma se deformará (doblará) en diversos grados; esta deformación transmite efectivamente el cambio de presión al lado “limpio” del diafragma, que luego es capturado por el instrumento. Y muestra el valor de fluctuación de presión correspondiente. Si bien lo que mostré en la imagen es un manómetro de tubo Bourden, en realidad hay otros tipos de medidores para elegir.

Por ejemplo, uno de estos dispositivos aprovecha la tecnología que ya hemos analizado, pero modifica su aplicación de manera ingeniosa y completamente distinta. Es posible que recuerde que las galgas extensiométricas pueden fabricarse incrustando una película metálica en una delgada oblea de silicio. Cuando la oblea de silicio se curva, el valor de resistencia de la película delgada varía en consecuencia y es detectado por el instrumento. En la aplicación que discutimos aquí, una pieza de silicio similar se adhiere al lado “limpio” del diafragma (es decir, el lado no comprimido);Además, su principio de funcionamiento es exactamente el mismo que el de la técnica anterior. Cuando el diafragma se deforma, la resistencia eléctrica de la película también varía; en este caso, dicha variación se convierte en una lectura precisa de presión. La membrana interna de este tipo de manómetros suele estar fabricada con diversos tipos de plásticos o cauchos. Siempre que el fluido a medir sea químicamente compatible con el material del diafragma y que las presiones involucradas no sean excesivamente elevadas, el uso de este tipo de materiales es plenamente viable. Sin embargo, si se trata de materiales radiactivos o se encuentra en un entorno de trabajo de alta presión y alta temperatura, la industria nuclear generalmente utiliza separadores metálicos, como acero inoxidable, Hastelloy y otros materiales. Las placas de presión para sujetar el diafragma pueden estar unidas entre sí mediante soldadura, como se muestra en el ejemplo, o pueden estar unidas por bridas y complementadas por pernos.

7. Manómetro

Los manómetros instalados en varios equipos mecánicos se dividen principalmente en dos categorías: mecánicos y eléctricos. El principio de funcionamiento del manómetro de Bourdon (manómetro de Bourdon) como se muestra en la figura siguiente se basa en la característica de que cuando la presión del fluido actúa sobre el interior de la tubería curva, la tubería tiende a enderezarse. Específicamente, como se muestra, la presión del fluido actúa de manera uniforme sobre cada pulgada cuadrada de área dentro de la tubería (como se muestra en la zona 1 de la figura). Dado que el área de superficie S1 en el lado exterior de la curva es mayor que el área de superficie S2 en el lado interior de la curva (es decir, el lado de radio corto), el empuje del fluido que actúa sobre S1 será mayor que el empuje que actúa sobre S2.Cuando se aplica la presión del fluido, la tubería se endereza gradualmente hasta que la diferencia de empuje debido a la diferencia de área esté equilibrada por la resistencia elástica del material de la tubería. Este tipo de tubería generalmente se dobla en forma de arco circular y su sección transversal es elíptica; debido a esto, es más probable que se enderece y deforme cuando se somete a la presión del fluido. El mecanismo de trabajo de la tubería utiliza esencialmente el principio de “diferencia de área”, es decir, el área de presión que se expande hacia afuera es mayor que el área de presión que se contrae hacia adentro. El extremo abierto de la tubería pasa a través del asiento de la junta 2(Socket 2); el asiento de la junta se procesa internamente con una rosca para girar todo el manómetro en la interfaz reservada del sistema hidráulico.El extremo cerrado del cuerpo de tubo 9 está conectado a un engranaje de sector pivotable 3 que se acopla a un piñón 4 con un puntero 5 adjunto al piñón. Hay un dial 6 debajo del puntero que lee en libras/pulgada cuadrada. El medidor está calibrado con presiones conocidas para garantizar que las lecturas sean precisas. Bajo presión, el tubo tiende a enderezarse y el engranaje en forma de abanico gira alrededor de su pivote 8, lo que hace girar el engranaje y el puntero. El conjunto de puntero generalmente se presiona contra el eje para que pueda desmontarse y reconfigurarse cuando se realiza la calibración con un manómetro estándar. La indicación electrónica de la presión se puede obtener a través de un sensor piezoeléctrico que convierte la fuerza generada por la presión en una carga eléctrica, que luego se convierte a través de un acoplador en un voltaje proporcional a la presión. El elemento efectivo del sensor piezoeléctrico es un material piezoeléctrico. La estructura de este cristal es tal que genera cargas eléctricas opuestas en sus superficies superior e inferior cuando se somete a fuerzas de compresión perpendiculares a sus superficies superior e inferior.

8. Manómetro elástico

El manómetro elástico es un medidor que mide la presión al equilibrar la presión del fluido con la deformación del sólido elástico. El tubo de Bourne (inventado por Eugene Bourdon, 1808-1884) (Fig. a) y el diafragma (Fig. b) son elementos elásticos ampliamente utilizados en este tipo de manómetros.

Entre ellos, el manómetro de tubo Boden (denominado medidor Boden) (Figura 3.10) es el más utilizado en el campo industrial. Consiste en un tubo de metal curvado (es decir, un tubo de Boden) con una sección transversal elíptica; un extremo del tubo está cerrado y se puede mover libremente, y el otro extremo se fija rígidamente en el marco del medidor. Cuando la presión medida se introduce desde el extremo fijo, la sección transversal del tubo tiende a ser circular, lo que hace que el extremo libre se mueva hacia afuera. Al amplificar este desplazamiento, se puede leer el valor de presión correspondiente. Cuando la presión medida es menor que la presión atmosférica (es decir, en el estado de vacío), el extremo libre se moverá hacia adentro; por lo tanto, el medidor también se puede usar como un medidor de vacío. El manómetro de diafragma que se muestra en la figura b adopta una estructura de diafragma para aislar el tubo de Boden del fluido medido. El tubo de Boden está lleno de un medio líquido que es responsable de transmitir la presión del fluido medido. El manómetro de diafragma es adecuado para medir la presión de líquidos corrosivos y fluidos de alta viscosidad, ya que estos fluidos pueden solidificarse si ingresan directamente al interior del tubo de Boden.

9. Diagnóstico de vacío: Equipos de análisis de gases

Las cámaras de crecimiento y las cámaras de preparación suelen estar equipadas con manómetros de vacío de ionización tipo Bayard-Alpert. Estos manómetros emplean un colector de iones de área reducida, diseñado para minimizar las corrientes iónicas espurias generadas por efectos de rayos X. Por lo general, los manómetros de ionización utilizados en los sistemas de MBE (Epitaxia de Haces Moleculares) presentan un límite de medición de baja presión de aproximadamente 10⁻¹¹ mbar; no obstante, actualmente se encuentran disponibles en el mercado instrumentos con un límite de rayos X tan bajo como el rango de 10⁻¹³ mbar. Los manómetros de ionización Penning con disparo [176] también resultan adecuados para medir presiones de hasta 1 × 10⁻¹¹ mbar, si bien rara vez se utilizan en los sistemas de MBE. Este tipo de manómetro emplea el principio de descarga fría para ionizar los gases residuales. Cuando resulta difícil mantener la descarga en un entorno de baja presión, puede utilizarse un pequeño filamento alojado en el interior del manómetro para iniciar dicha descarga. Dado que el filamento calentado no es necesario durante el funcionamiento normal, los manómetros Penning suelen ofrecer un grado de limpieza significativamente superior en comparación con los manómetros Bayard-Alpert. De hecho, las bombas iónicas comúnmente utilizadas en los sistemas de MBE son, en esencia, manómetros Penning; por consiguiente, la corriente de la bomba puede utilizarse directamente para la medición de la presión. Sin embargo, cuando la presión desciende por debajo de aproximadamente 1 × 10⁻⁸ mbar, la estabilidad de la descarga de la bomba iónica tiende a ser relativamente deficiente. Los manómetros Bayard-Alpert, caracterizados por su estructura sencilla y su funcionamiento fiable, se emplean ampliamente en todas las tareas rutinarias de medición de presión, tales como las comprobaciones de seguridad realizadas antes de abrir las válvulas de enclavamiento de una cámara o de conectar una cámara con otra. Además, las lecturas de presión mostradas por estos tubos manométricos sirven como un “indicador de rendimiento” crucial para el monitoreo diario de la integridad de un sistema de vacío. Los manómetros situados dentro de la cámara de crecimiento también pueden utilizarse para monitorear el exceso de presión de elementos altamente volátiles (como el As₄ en los sistemas MBE de los grupos III-V), proporcionando así advertencias oportunas en caso de que las condiciones cambien durante el proceso de deposición (por ejemplo, debido al agotamiento del material fuente dentro de la celda de efusión). Dado que el funcionamiento en entornos de alta presión (superiores a 1 × 10⁻³ mbar) conlleva un bombardeo excesivo del colector de iones y una posible oxidación del filamento, los manómetros de ionización no pueden utilizarse dentro de este rango de presión; en consecuencia, se suelen instalar manómetros auxiliares de Bourdon y manómetros Pirani en las líneas de prevacío y/o de bombeo primario para cubrir el amplio rango de medición de presión que abarca desde la presión atmosférica hasta 10⁻³ mbar. Por lo general, además de los manómetros de ionización, la cámara de crecimiento también está equipada con un analizador de gases residuales (RGA) sencillo; concretamente, un analizador de masas de cuadrupolo (QMA). El QMA permite realizar un análisis semicuantitativo del espectro de gases residuales (RGS). El monitoreo rutinario del espectro de gases residuales constituye un método altamente eficaz para la detección oportuna de fugas minúsculas, así como de otros cambios potencialmente perjudiciales dentro del entorno de ultra alto vacío (UHV) (por ejemplo, la contaminación por hidrocarburos de bajo nivel introducida por componentes recién instalados). Asimismo, el QMA es un equipo indispensable para la realización de pruebas de fugas con helio dentro del rango de presión del UHV. Los QMA compactos, que suelen instalarse en la mayoría de los sistemas de MBE (Epitaxia de Haces Moleculares), poseen la sensibilidad suficiente para monitorear la desorción de óxidos del GaAs[168] y de ciertos otros sustratos durante el proceso de limpieza térmica. A diferencia del RHEED (Difracción de Electrones de Alta Energía por Reflexión), esta técnica de monitoreo de la desorción de óxidos no requiere exponer el sustrato a un haz de electrones.

10. Medición de presión

Las propiedades de un fluido generalmente se pueden inferir midiendo el flujo o la presión. El sensor de flujo o transmisor debe conectarse a la tubería en serie a través de la tubería, y el transmisor de presión puede instalarse de manera no intrusiva en la pared lateral de la tubería como un puerto de toma de presión lateral. Por lo tanto, ya sea un sistema neumático o un sistema hidráulico, la herramienta de diagnóstico de fallas más básica es un medidor de presión. Estos manómetros suelen ser de estructura simple y pueden detectarse en varias partes del sistema de acceso a través de un tubo de conexión flexible. Estos manómetros de prueba generalmente usan el manómetro de tubo Bourden simple que se muestra en la figura siguiente para medir la presión del manómetro. El dispositivo consiste en un tubo plano en forma de C con un extremo fijo (como se muestra en la figura a). Cuando el tubo está sujeto a presión, tiende a enderezarse, lo que lo impulsa hacia arriba y hacia la derecha. Para el rango de medición de baja presión, generalmente se usa un tubo en espiral para mejorar la sensibilidad.

Este desplazamiento se convierte en el movimiento de rotación de un puntero mediante un mecanismo mecánico compuesto por un sector dentado y un tren de engranajes. Si se requiere una señal de salida eléctrica para facilitar la visualización remota, el puntero puede sustituirse por un potenciómetro (tal como se muestra en la Figura b anterior). Los sistemas hidráulicos y neumáticos suelen generar picos de presión severos durante la aceleración o desaceleración de la carga. Estos picos de presión no solo resultan distractivos para los observadores o propician interpretaciones erróneas, sino que, en casos extremos, pueden incluso dañar la instrumentación de indicación de presión. Al incorporar un dispositivo de amortiguación por estrangulamiento en el sensor de presión (tal como se muestra en la Figura c anterior), se pueden suprimir eficazmente las oscilaciones en la respuesta. Los sensores basados ​​en el principio del tubo de Bourdon suelen presentar una construcción robusta y duradera, aunque su precisión es relativamente modesta (típicamente ±2%). Dado que el límite inherente de resolución visual del ojo humano respecto a la posición de un puntero rara vez supera el ±2%, la gran durabilidad de estos sensores los convierte en una opción ideal para aplicaciones de monitorización en entornos industriales.

11.Sensores De Presión De Equilibrio De Fuerza

Para aquellas aplicaciones que requieren mediciones de presión más precisas, se suelen seleccionar sensores basados ​​en el «principio de equilibrio de fuerzas», ilustrado en la figura siguiente. Este dispositivo es, en esencia, un sensor de presión diferencial: su puerto de entrada de baja presión (LP) permanece abierto a la atmósfera, mientras que su puerto de entrada de alta presión (HP) se conecta al sistema objeto de medición. En consecuencia, la señal de salida resultante (HP − LP) representa la presión manométrica de dicho sistema.

Cuando aumenta la presión dentro del sistema, el diafragma sensible a la presión se desvía hacia la izquierda. Este desplazamiento es detectado por un sensor de desplazamiento y procesado por un servoamplificador, lo que resulta en un aumento correspondiente de la corriente que fluye a través de la bobina de equilibrio. Dado que la fuerza electromagnética generada por la bobina de equilibrio contrarresta con precisión el empuje producido por la diferencia de presión entre los puertos de baja y alta presión, la magnitud de la corriente que fluye a través del sensor es directamente proporcional a este valor de presión diferencial. Los sensores destinados a la visualización remota suelen utilizar la configuración de cableado que se muestra en la figura siguiente: se alimentan mediante una fuente de alimentación remota, con instrumentos indicadores y/o registradores conectados en serie dentro del mismo bucle para formar un sistema de dos hilos. Se suele emplear un rango de señal de 4 a 20 mA; el nivel de punto cero de 4 mA sirve tanto para alimentar el servoamplificador del sensor como para indicar la continuidad del circuito (donde 0 mA indica una condición de circuito abierto).