Sensor de vacío mejorado.


Segunda parte: Electrónica.



Alimentación a corriente constante.

Siguiendo con el sensor, la resistencia de un hilo de platino de 0,0508 mm de diámetro y 50 mm de longitud a la temperatura ambiente es aproximadamente de 2,5 ohmios. Teniendo en cuenta que esta resistencia se incrementa en un 0,4% por cada grado centigrado, si aplicamos a este hilo un generador de corriente constante de 100 mA se calienta 30ºC por encima de la temperatura ambiente cuando esta rodeado de aire y disipa una potencia de 260 mW, mientras que si esta en alto vacío (a una presión de décimas de microbares) al carecer del enfriamiento producido por el gas circundante, su resistencia se eleva a aproximadamente 7.5 ohmios debido al incremento de temperatura y la potencia total disipada a 750 mW mas del doble. Observesé que al alimentarse por una fuente de corriente se produce un efecto de realimentación positiva en la temperatura del sensor. A mas vacío mas resistencia, a mas resistencia mas energía se disipa en el y mas se calienta.

Si despreciamos el efecto de enfriamiento en el hilo próximo a la soldadura se da el efecto de que para una temperatura dada la capacidad radiativa del hilo y la potencia que recibe por efecto Joule son proporcionales a la longitud, luego si conseguimos realizar filamento de una longitud muy parecida el comportamiento de los mismos debe de ser muy parecido frente a variaciones de presión del aire.


Como corroboración de esto se presentan los datos de construcción de tres sensores diferentes.



Presión en

microbares

Resistencia aparente Filamento 1

Resistencia aparente Filamento 2

Resistencia aparente Filamento 3

0

7,46

7,38

6,81

4

7,43

7,34

6,78

10

7,36

7,28

6,71

20

7,29

7,17

6,62

40

7,09

6,97

6,4

60

7

6,77

6,29

100

6,54

6,23

5,84

200

5,56

4,94

4,62

400

4,19

4,05

3,74

600

3,56

3,47

3,34

1000

3,24

3,15

3,04

2000

3,04

3,01

2,85

4000

2,95

2,91

2,77

6000

2,92

2,89

2,75

10000

2,9

2,87

2,73

20000

2,89

2,82

2,72

At.

2,87

2,85

2,7

R. Real

2,65

2,6

2,45

Coef Rt/R0

2,81

2,84

2,78



En esta tabla se recogen los datos de tres sensores diferentes. Alimentando el sensor con una corriente constante de 100 mA, se observan los voltajes en la sonda en función del vacío.

R. Real es la resistencia real, que debe medirse con una corriente muy baja para evitar el calentamiento y por tanto la variación por temperatura del filamento.

Este parámetro es importante y conviene hacerlo después de la construcción de una sonda. Puede hacerse conectando una fuente de alimentación de 10.0 voltios en serie con una resistencia de 1K, lo cual podremos considerar que es se comporta como una fuente de corriente de 10 mA. Debe comprobarse que la resistencia es efectivamente de 1 K con una precisión de al menos un 1% ya que en otro caso deberemos corregir con el valor real.

De esta manera, el voltaje en la sonda en milivoltios dividido por diez nos da con bastante aproximación la resistencia de la sonda. La medición directa de la resistencia con un polímetro no da suficiente precisión.


Por la tabla podemos ver que la resistencia en vacío cuando se hace pasar una corriente de 100 mA es aproximadamente 2,80 veces mas alta, esto supone que la sonda alcanza una temperatura en vacío de 450 +- 10 grados. Partiendo de la resistencia Real, y multiplicando por 2,8 nos dara con bastante aproximación la resistencia a pleno vacío.

Esta sonda por tanto va a funcionar a una temperatura mucho mas alta que la del PT100, lo cual minimizara el efecto de la temperatura ambiente.


Circuito Practico de utilización.

Este circuito es el mas simple que se puede emplear pero no por ello no es suficientemente útil. Se parte de una tension regulada de 5 V mediante un típico 7805 en formato TO220 , una resistencia bobinada de 47 ohmios / 5 W , un par de resistencias y una resistencia ajustable para conseguir el cero.





Este circuito se comporta como el comentado con alimentación con corriente constante con bastante aproximación. La corriente que pasa por la sonda esta determinada por el voltaje del regulador y la suma de resistencias de la sonda ( 2,5 cuando fria) mas la resistencia en serie de 47 ohmios. O sea muy aproximadamente 100 mA. A pleno vacío la corriente sera de 96 mA. Ese error de 4 mA, no es muy significativo, pero hay que tenerlo en cuenta.

El circuito es tan simple que no se ha realizado circuito impreso. Pero si conviene hacer algunas recomendaciones. La resistencia R1 se recomienda que sea bobinada 47 (seleccionar el valor mas exacto) ohmios de al menos 4 W. Aunque solo se disipa 500 mW, es conveniente que no se eleve mucho su temperatura para evitar variaciones por calentamiento. Si se dispone de un alimentador de 5 voltios regulados puede suprimirse la parte rectificadora y reguladora, pero siempre que estén bien estabilizados los 5 V. Si la sonda se coloca mediante cables largos, conviene que estos sean de suficiente sección para que no induzcan errores por su resistencia.


Respuesta del circuito.

Empleando una sonda con una resistencia en frío de 2,60 ohmios, los valores obtenidos son los siguientes. Como podemos ver la relación entre



Presión en microbares

Voltaje en la sonda mV

Incremento

Voltaje (-)

Valor normalizado

Resist. aparente

Temperatura

0

652

0

0,000

6,52

397

2

650

2

0,005

6,5

395

4

648

4

0,010

6,48

393

6

646

6

0,016

6,46

391

10

643

9

0,025

6,43

390

20

634

18

0,050

6,34

380

40

618

34

0,090

6,18

365

60

600

48

0,130

6

345

100

566

82

0,220

5,66

310

200

472

180

0,490

4,72

224

400

400

252

0,690

4

155

600

345

307

0,840

3,45

100

1000

316

336

0,920

3,16

74

2000

297

355

0,970

2,97

55

4000

289

363

0,994

2,89

48

Atm.

287

365

1,000

2,87

45


De estos datos se observa que la temperatura de funcionamiento máxima de la sonda ronda los 400ºC. Debido a que la temperatura en el rango de 0 a 1000 microbares es casi de 400 ºC las posibles variaciones de temperatura externas no afectan en gran medida siempre s que se mantengas entre 20 y 40ºC. Por supuesto que queda la posibilidad de compensar en temperatura la sonda mediante una resistencia del mismo coeficiente.

Basta una observación somera para determinar que el rango de utilización de esta sonda esta entre 1000 microbares y 0 microbares. Para presiones mayores que 1000 microbares la sonda con el circuito presentado no tiene resolución, sin embargo para aplicaciones de vacío medias que es en las que se realizan evaporaciones, descargas en gases, sputering y similares esta sonda tiene una resolución adecuada y similar a las sondas comerciales de termopar.

Para los que desean un medidor de escala mas amplia, se recomienda la utilización de un circuito electrónico que mantiene la temperatura de la sonda constante y que se describirá en la tercera parte de este desarrollo. Mediante esta técnica se puede medir la presión desde 1 microbar a 1000 milibares aunque a costa de perder un poco la resolución y de una electrónica mas complicada similar a la empleada con la PT100.



Utilización de la sonda.

La forma mas sencilla aunque no las mas practica es emplear un polímetro digital que mida o ya sea el voltaje en extremos de la sonda o entre los puntos señalados previamente para equilibrar para máximo vacío y transformar mediante una tabla los valores obtenidos en presiones. Sin embargo es mucho mas práctico el empleo de un medidor basado en un galvanometro. Puede emplearse cualquier galvanometro (miliamperimetro) con una sensibilidad mejor que un 250 microamperios pero es conveniente que tenga el cuadro lo mas grande posible

Para un microamperimetro de 50 mA fondo de escala con una resistencia interna de 2 K, puesto que el voltaje que nos da la sonda es de 365 mV, la resistencia total deberá ser de R= V/I = 365 . 10-3 / 50 .10-6 = 7300 ohmios totales. Restando la resistencia interna del microamperimetro ( 2K) y la resistencia equivalente del circuito de equilibrio ( 1K) deberemos conectarle en serie una resistencia teórica de 4300 ohmios. Mejor una fija de 3K3 y una resistencia ajustable de 2K5 que nos servirá para ajustarle el fondo de escala. Es posible el empleo de galvanometros de menos sensibilidad reduciendo proporcionalmente los valores de la rama ajustable del puente de equilibrio.


Si dibujásemos los valores de la presión sobre una linea recta quedarían así. Los valores presentados son en microbares, por supuesto si se desea en militorrs ( o micras de mercurio) solo es necesario escalar los valores correspondientes teniendo en cuenta que 1 microbar es aproximadamente 0,76 militor



Calibración.

Si empleamos un galvanometro, conviene conectar la sonda a una bomba de vacío difusora o equivalente esperar a conseguir el máximo vacío y unos 15 minutos para que se equilibren las temperaturas, ajustar entonces el cero y después cortar en vacío y ajustar el fondo de escala o presión atmosférica. Si solo disponemos de una rotatoria, pero sabemos cual es el mayor vacío que alcanza, conectar la sonda directamente a la bomba, esperar un tiempo prudencial para que la bomba consiga el vacío máximo ( que suele ser de unas 30 microbares) ajustar ese punto y después el fondo escala.

Si no disponemos de ninguna de esas fuentes , podemos realizar un ajuste aproximado. Para ello medir la resistencia de la sonda con la mayor precisión posible, si la resistencia de la sonda es 2,6 ohmios mediante el potenciometro de 2k5 ajustar el voltaje en R10 a 652 mV y después ajustar el fondo de escala. Si el valor es diferente (Rm), calcular V= Rm x 652/ 2,6 y ajusta a la tensión calculada.

Estos ajustes son aproximados, en cuanto tengamos la posibilidad conviene contrastarlos con un equipo calibrado.


PD: si deseas obtener el hilo de platino, ponte en contacto con el PFDC



Tercera parte: Electrónica a temperatura constante.

Volver a inicio.

Volver a científicos aficionados.