Ir a página principal SONDA PIRANI PT-100 PARA MEDICIÓN DE VACÍO
El primer paso para fabricar un sistema de vacío, aparte de disponer de las bombas adecuadas, es tener un sitio estanco donde crearlo, pero el segundo es sin duda poder medirlo de forma lo suficiente precisa, y para ello no valen los vacuómetros normales utilizados en instalaciones de aire acondicionado, cuya precisión raramente supera los 5 milímetros de mercurio en una escala de 0 a 760 y por tanto no permiten apreciar los valores más bajos de presión, que en alto vacío pueden llegar más allá de la millonésima de milímetro de mercurio. Para esta función es necesario utilizar dispositivos adecuados cuyas versiones comerciales son caras y no demasiado fáciles de conseguir para un aficionado... Los sistemas manométricos puramente mecánicos ya no tiene precisión alguna para estos valores. Como excepción existe el llamado vacuómetro McLeod, que se basa en la compresibilidad de los gases y permite llegar a 10^-6 mmHg, pero más que un medidor de campo es un instrumento de laboratorio que necesita de un operador entrenado y un proceso de cálculo posterior, y que por tanto no permite una lectura rápida, directa y constante de los valores. Vacuómetro mecánico de compresión de gases enrarecidos McLeod del tipo oscilante y gráfico de su funcionamiento
Medidor de vacío de ionización por cátodo caliente Bayard-Alpert
 Existe otra opción más primitiva que ya era usada en el último cuarto del siglo XIX en los gabinetes de física y en las bombas de vacío que utilizaba Edison para fabricar sus bombillas. Se trata de un simple tubo de Geissler conectado al sistema de vacío mediante un conducto en forma de T. La lectura, que no tiene la precisión de los sistemas anteriores, se efectúa por la forma que adquieren las descargas luminosas entre los dos electrodos terminales conectados a una fuente de alta tensión. El problema es que para construirlo se ha de dominar la técnica del vidrio soplado y de los contactos de paso a través del mismo. Tubo de Geissler utilizado como medidor de vacío por la forma que adoptan las descargas interiores
 La sonda Pirani Para nosotros, el sensor más interesante por precio y facilidad de construcción va a ser una variación de la llamada sonda Pirani, inventada en 1906 por el investigador Marcello Stefano Pirani, que pese tener nombre y apellidos italianos, había nacido en Alemania y trabajaba en los laboratorios de la empresa de radio Siemens & Halske. Esta sonda mide la presión de forma indirecta, utilizando la propiedad que tienen los gases de enfriar por convección un objeto caliente, que originalmente era un delgado hilo de platino que se mantenía a una temperatura relativamente alta mediante el paso de una corriente eléctrica. A este respecto, hay que hacer notar la similitud de este sensor con el denominado "termocouple", que combina una resistencia de calefacción y un termopar para medir la temperatura de la misma. El sensor Pirani une de forma ingeniosa los dos dispositivos en uno solo, ya que el platino actúa como elemento calefactor y también como termistancia PTC, es decir como una resistencia que crece de forma notable con la temperatura que genera ella misma. Para poder calentarla y medirla a la vez se asocia al circuito de un puente de Weatstone, que además suministrar la tensión necesaria para el caldeo, permite saber por comparación con la otra rama, los valores instantáneos en ohmios del hilo de platino. El vacuómetro Pirani original comparaba en realidad entre dos sensores iguales, uno de ellos contenido en una ampolla sellada a alto vacío (cámara de referencia), y la otra en una ampolla abierta al vacío a medir. Los cuales formaban una configuración simétrica en el puente de Weatstone, y el punto de equilibrio se podía encontrar variando la tensión del punto medio de la otra rama mediante un potenciómetro o un resistencia variable. Sin embargo, si no se necesita tanta precisión podemos prescindir de la cámara de referencia y sustituirla por una resistencia fija. En una configuración que llamaremos asimétrica, de esta manera el montaje será mucho más fácil, aunque tendremos un error adicional a causa de la temperatura ambiente.
Para empezar, he buscado información sobre estos medidores en Internet, y dejando de lado las versiones comerciales, que por el elevado precio vamos a descartar, sólo he encontrado una buena descripción en la página de Cientificosaficionados, en la que su autor, el genial profesor Frantz, muestra con detalle la construcción de una sonda de este tipo. El elemento sensor va a ser en este caso una PT-100, una termistancia tipo PTC (coeficiente positivo) que se utiliza en equipos electrónicos para medir la temperatura o controlar las corrientes de polarización de las etapas finales en amplificadores. Está fabricada mediante la deposición de una delgada capa de platino sobre una plaquita de alúmina, un material cerámico muy duro y estable de óxido de aluminio. Las PT-100 pueden encontrarse en tiendas de electrónica, en diversos formatos y con tamaños que van desde cuadraditos de los 2X2,3 mm. hasta los rectangulares de 2X10. Su resistencia, como indica su propia denominación, es de 100 Ohmios a cero grados y la pendiente de subida de alrededor de 0,4 Ohmios por grado centígrado. En mi caso, las PT-100 las he comprado en RS-Amidata, con las siguientes referencias y precios: - 3629840 Sensor PT-100 de película fina 2X2,3 mm. 3,58€
- 3629834 Sensor PT-100 de película fina 2X2,3 mm. 5,11€ - 6117801 Sensor PT-100 de película fina 2X5 mm. 5,43€ Vista ampliada cinco veces del sensor PT-100 con un tamaño real de la zona activa de 2x5 mm.
Obsérvese la metalización gris-claro del platino sobre el substrato cerámico  Hay sin duda otros sensores que también podrían servir, como las termistancias PTC o NTC de óxidos metálicos o de semiconductor, pero la PT-100 tiene la ventaja de ser estable, de respuesta muy rápida y lineal, y al estar hecha con platino, bastante inmune a las posibles agresiones del ambiente. Sistema de temperatura constante Por otra parte, observamos que hay distintas maneras de conectar la sonda. En la normal, forma parte del puente de Weatstone, en configuración asimétrica que se equilibra con el potenciómetro a temperatura ambiente o en el vacío (según cómo queramos las lecturas), y el cambio de disipación -y por tanto de resistencia- que experimenta al variar la presión de aire, se refleja en el instrumento indicador. En este caso, está claro que la temperatura de la propia sonda cambiará dependiendo de la mayor o menor disipación. Existe también una segunda solución más sensible que consiste en realizar un circuito que mantenga constante la temperatura de la PT-100, siendo en este caso la señal de salida la variación de la tensión de caldeo necesaria para conseguir la estabilidad, tensión que sube en presencia de aire y va bajando de forma sensible al aumentar el vacío. Propuesta de sonda Pirani de temperatura constante
 Si observamos la esquina inferior-izquierda del diagrama anterior, veremos que el puente de Weatstone está formado en una rama por un resistencia de 100 ohms en serie con la PT-100, y en la otra por una resistencia de 500 ohms en serie con una de 1k. Como el equilibrio se obtendrá cuando la relación entre resistencias de una rama y de la otra sea la misma, está claro que esto será en el momento que se cumpla la expresión (100/rPT)=(500/1.000), lo cual, operando nos da un valor de 200 ohmios para nuestra PT-100. A la vez, sabiendo por la hoja de características que este componente tiene una pendiente de 0,4 0hmios por grado centígrado, y que su valor es de 100 a 0 Cº, podemos también calcular: (200-100)/0,4 = 250 Cº. Es decir, que el equilibrio se conseguirá con una temperatura de sonda de 250 Cº. Ahora bien, dicha temperatura está causada por el paso de corriente, el cual depende de la tensión de alimentación presente en el emisor del transistor BD135, el cual está a su vez pilotado por la salida del amplificador operacional LM741. En esta disposición, cuando la temperatura del sensor baja, aumenta la tensión de caldeo, con lo que dicha temperatura vuelve a subir, manteniéndose siempre estable. Repitiendo de otra manera lo ya dicho: cuando mayores sean las pérdidas de temperatura por convección, más tensión correctiva sacará el circuito de compensación, en una relación directa a dichas pérdidas. Entonces, si nosotros tomamos como señal de salida la tensión en bornes de la PT-100, ésta será más alta cuando más calor pierda el sensor, que en nuestro caso corresponderá al nivel de presión atmosférica. Este circuito es sencillo, está probado y funciona bien. Sin embargo, fiel a mi inquietud por probar evoluciones, he pensado en una modificación del mismo que puede dar más margen dinámico de salida, con mayores variaciones de señal al cambiar la presión. Si observamos el circuito que viene a continuación, veremos como la relación del conjunto de resistencias que forma el puente ha cambiado sensiblemente. Si antes el cociente de valores era 1/2, ahora puede variar entre 1/2 y 1/20, y la toma de señal ya no se efectúa en el extremo de la PT-100, sino en la salida del operacional. Mi propuesta de sonda Pirani de temperatura constante, ganancia variable y tres escalas de funcionamiento
 El circuito original que había encontrado utilizaba un transistor tipo 2N2222 y un operacional LMC662, los cuales y especialmente el último no son fáciles de localizar en las pequeñas tiendas de recambios. Algunos compañeros han tenido problemas utilizando otros componentes de menos margen dinámico, como los operacionales del tipo 714 y la cosa no había funcionado hasta no aumentarle la tensión de alimentación. Sin embargo, con este nuevo circuito esto quedó solucionado, permitiendo más variedad de componentes estándar y también con la posibilidad de elegir un cierto margen de caldeo para la PT-100. El circuito se complementa con tres escalas de sensibilidad creciente, que más o menos van a corresponder: - Escala 1 - de 760 a 1 mmHg.
- Escala 2 - de 1 a 0,1 mmHg. - Escala 3 - de 0,1 a 0,001 mmHg. En referencia a la temperatura de caldeo de la PT-100, conseguiremos mejor sensibilidad en los extremos altos del margen, pero hay dos límites que debemos tener en cuenta: los 500 cº del máximo especificado por el fabricante, y si utilizamos una bomba de difusión de aceite, la temperatura de descomposición del mismo, ya que en este caso será inevitable que minúsculas gotas de aceite se nos introduzcan en el sistema, y si este se descompone, los productos resultantes nos pueden contaminar tanto el sensor como el resto del circuito de vacío, impidiéndonos alcanzar el nivel que precisamos y obligando a una limpieza que no siempre es fácil.
Temperaturas medias de descomposición de aceites de bomba difusora dependiendo de su naturaleza:
- Aceites de hidrocarburos 200 Cº
- Aceites de silicona 300 - Fluidos de polifenil eter 300 Cº Las primeras pruebas las he efectuado con un circuito impreso improvisado y la PT-100 conectada a dos electrodos de mi minicampana de vacío, con la que he realizado algunas experiencias termoiónicas.
En dichas pruebas, también pude observar con el osciloscopio bastante "ruido" en la alimentación de la PT-100, provocado por realimentaciones del operacional, incluyendo a veces dientes de sierra de hasta 6 o 7 voltios, que llegaban afectar a las lecturas de mayor sensibilidad. Por este motivo incorporé una serie de filtros a base de condensadores, que eliminaron el problema. Otra cosa que me encontré fue la excesiva sensibilidad del potenciómetro de ajuste de cero, y que dicho ajuste variaba a cada escala de sensibilidad. Por este motivo, dispuse de tres ajustes de cero internos que cambian al cambiar de escala, y que permiten eliminar las diferencias y elegir los topes superiores e inferiores de las propias escalas. El problema de encontrar un indicador de 50 microamperios lo solucioné utilizando uno de 500 microamperios y disminuyendo la impedancia del sistema de ajuste de cero mediante el segundo operacional tipo 714 que viene encapsulado en el LM741. Coloqué además una salida analógica de señal por si necesitaba en algún momento monitorizar esta medida a través de un sistema de adquisición de datos hacia el ordenador Circuito definitivo de mi sonda Pirani de medición de medio vacío
 El montaje del circuito se llevó a cabo sin problemas sobre una placa de fibra de vidrio perforada, disponiendo los componentes tal como se ve en la fotografía, aunque la siguiente foto corresponde a la primera versión, con el ajuste de cero no compensado por cambio de escalas, y por este motivo, faltan tres potenciómetros de ajuste que sí están en el circuito finalmente montado. Primera versión del circuito impreso de la sonda de vacío
 En cuanto a la construcción mecánica, utilicé una cajita estándar de plástico ABS, realizando las perforaciones para el instrumento indicador, el potenciómetro, el conmutador de escalas, un led indicador de encendido, y en la tapa superior, dos para conectores pentapolares DIN y el de alimentación 230 Vca. Mecanización de la caja y disposición de los componentes principales
 El frontal, con el instrumento indicador de 500 microamperios
 Montaje del circuito impreso y del transformador de alimentación
 Conectores de alimentación de 230 y los dos pentapolares DIN, el de la izquierda para el sensor Pirani,
y el central como salida de señal externa.  Construcción del sensor Pirani propiamente dicho Una vez el circuito montado y probado en su caja, procedí a construir el sensor Pirani que pudiera acoplarse a una conducción de vacío. La idea es fabricarlo en cristal y metal, limitando en los posible las superficies de plásticos y pegamentos, siempre malos para el problema de la desgasificación que acaba contaminando los vacío de cierta entidad. Los pasos para fabricarlo han sido los siguientes: 1) Para cumplir con estas condiciones tomé un tubo de cristal pirex de 16 mm de diámetro y 20 cm de longitud. Con un soplete de gas butano de llama media fuí calentando su parte central, mientras giraba el tubo lentamente para que el calentamiento fuera uniforme. 2) Una vez consideré que el cristal ya estaba suficientemente caliente, acerqué más el tubo a la llama sin dejar de girarlo, y cuando el color de dicha llama cambió a amarillo, lo cual es indicativo de que el cristal se aproxima a su punto de fusión, comencé a tirar de ambos extremos hasta que el tubo quedó dividido en dos mitades acabadas en punta. 3) En estas puntas, y por efectos del estiramiento anterior, el cristal es muy delgado. Tomé el el Dremel equipado con un disco de diamante y corté a 1/2 cm. de la punta, dejando un agujero de 5 ó 6 mm. Después calenté de nuevo esta zona para que el cristal fuera contrayéndose y redondeando mientras aumentaba de nuevo su grosor. 4) El siguiente paso fue calentar el tubo de cristal con llama de mayor diámetro e introducirlo en un recipiente con tapa relleno de lana mineral, con lo que el enfriamiento será suficientemente lento para reducir las tensiones mecánicas que se han provocado en el cristal a causa del calentamiento y fundido anterior. Naturalmente, mejor hubiera sido dejarlo en un horno de recocido a 450 Cº durante al menos veinte minutos, pero a falta de ello y siempre que se trate de vidrio pyrex, en primer procedimiento va a funcionar. Al final, obtuve la forma que muestro en la siguiente fotografía: Tubo de cristal pyrex de 16 mm. de diámetro semicerrado en un extremo
 5) Ahora ya tenía el tubo semicerrado por el extremo en que colocaré la sonda PT-100. Aproveché además el disponer en el paso 2 de dos medios tubos, para cortar uno a 5 cm y el otro a 4 cm., siempre utilizando el Dremel equipado con disco de diamante, ya que a causa del grosor de pared y de la tenacidad de este tipo de vidrio, no conseguí cortarlo con procedimiento del aro incandescente de micron. 6) En vacío, para conectar las diferentes partes con un mínimo de fugas, existen los llamados acoplos KF, pero como no dispongo de ellos ni puedo encontrarlos en mi pequeña isla, de momento he de utilizar componentes y piezas de equipos de aire acondicionado. Y en esta gama existen los tapones de latón que normalmente acompañan a las válvulas tipo obús, cuyo diámetro externo es de unos 17 mm, lo cual nos permite con un torno o un taladro y una pequeña lima ir rebajándolo para que pueda encajar sin problemas en el interior del tubo de cristal. Tapón de válvula tipo "obús", utilizada en equipos de aire acondicionado. Este tapón ha sido cortado ya
para que pueda servir como terminal de acoplo de nuestro sensor PT-100 al circuito de vacío  7) Después de limpiar muy bien con alcohol y acetona tanto el cristal como el tapón metálico, utilizaremos Araldit de alta temperatura para el pegado, ya que como demostró nuestro compañero Sergi en un excelente trabajo sobre el desgaseado de pegamentos epoxi al vacío, es el de uso general que presenta mejores características. Procurando que no nos quede mucho pegamento en el interior, hacemos fijo el tapón de latón, cuya rosca interna permitirá el acoplo y el sellado mediante una junta tórica y grasa de silicona para vacío. 8) en el extremo contrario, y utilizando unas pinzas para situarlo desde el interior, vamos a colocar la sonda PT-100. Sus dos hilos de conexión son muy cortos y realmente convendría prolongarlos para que las pérdidas por trasmisión térmica queden reducids al mínimo, pero realmente es un problema, ya que si soldamos las prolongaciones con estaño, corremos el peligro de que se fundan al funcionar la sonda, y lo hilitos son tan delgados y buenos conductoes, que no hay manera de hacer la prolongación mediante microsoldadura por puntos. Por este motivo, preferí utilizar la longitud original al máximo y que la soldadura a dos delgados hilos de cobre se encontrara ya en la parte de pegamento que sella el pequeño agujero de este extremo. 9) Una vez fijo el sensor PT-100, utilicé un casquillo de tubo fluorescente de 8 wats como terminal. Los dos hilos de cobre fueron soldados interiormente a las puntas y el casquillo sujeto al cristal con una cantidad adicional de Araldit. De esta manera conseguimos un buen sellado y una exposición mínima de superficie de epoxi a la zona de vacío. El sensor Pirani acabado, con rosca de 1/8 en un extremo y un conector de 2 pins en el otro
 10) Tras el paso anterior, sólo falta confeccionar el cable de señal (que debe ser del tipo blindado para evitar interferencias externas) y fabricar una base que se acople al conector de salida. El equipo Pirani medidor de vacío con PT-100, ya acabado y totalmente operativo
 La prueba final de funcionamiento ha sido totalmente satisfactoria. El sistema responde bien en toda la gama y en las tres escalas, especialmente con una elevadísima resolución entre 1 Torr (1 mm.Hg) y 0,1 Torr, y en el extremo bajo se puede apreciar perfectamente el efecto de desgaseado de los elementos internos y las oscilaciones en los límites de mi bomba rotatoria de paletas Telstar, que según las especificaciones del fabricante alcanza un vacío de 25 microTorrs (0,025 mmHg.). Para la calibración precisa será necesario si duda un vacuómetro fiable, a ser posible industrial, pero las medidas de referencia bastan muchas veces para el uso que vamos a darle. Un efecto que he observado es que la lectura cambia si el sensor está en posición vertical u orizontal, cuando prácticamente no lo hace al girarlo 360º sobre su eje transversal. El primer caso es sin duda debido a la distinta convección por el "espacio libre" que tiene el sensor por encima y por debajo para la recirculación del "gas" refrigerante, hasta llegar a las paredes del contenedor. Esto me hace suponer que cada sensor debería ser calibrado por separado, puesto que las diferencias entre uno y otro pueden ser realmente importantes. Naturalmente, al tener los gases distintas características térmicas, también precisan de calibraciones diferentes, aunque en el caso de utilizar sólo aire, no será necesaria tal precisión. Ir a página principal
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