Come misurare il vuoto: metodi, unità e scale di misura

Breve storia della misurazione del vuoto

Un evento chiave nella storia della tecnologia del vuoto fu un esperimento eseguito dal fisico italiano Andrea Torricelli nel 1643. Torricelli riempì di mercurio un tubo di vetro lungo circa 1 metro. Quindi tappò un'estremità del tubo e lo capovolse, ponendo l'estremità aperta in una bacinella di mercurio.

Quando venne rimosso il tappo, il mercurio si fermava a circa 760 mm (30 pollici) sopra la superficie del bacino, indipendentemente dall'altezza del mercurio nel bacino o dall'angolo del tubo.

Questo dispositivo misura la pressione atmosferica e può essere utilizzato come barometro (che Torricelli è accreditato di aver inventato). L'esperimento dimostrò anche che lo spazio lasciato sopra il mercurio nel tubo rovesciato era un vuoto.

Qualche centinaio di anni dopo, la stessa tecnologia sarebbe stata utilizzata per l'invenzione del sollevatore a vuoto.

Unità di misura del vuoto e bilance comuni

I millimetri o i pollici di mercurio sono ancora utilizzati per misurare la pressione nei sistemi a vuoto. I millimetri di mercurio o mmHg (Hg è il mercurio nella tavola periodica degli elementi) sono anche la base dell'unità di misura del vuoto Torr (da Torricelli). 1 Torr equivale a 1 mmHg e 760 Torr/mmHg equivale alla pressione atmosferica (1 atm). A differenza del XVII secolo, però, oggi possiamo creare vuoti che possono essere misurati in frazioni molto piccole di Torr.

In diverse parti del mondo vengono utilizzate altre unità per misurare la pressione del vuoto. Le più comuni sono:

• atm - pressione atmosferica standardizzata, 760 mmHg
• PSI - libbre per pollice quadrato, assolute (PSIA) o pressione relativa (PSIG)
• inHg - pollici di mercurio
• mmHg - millimetri di mercurio
• Torr - quasi ma non esattamente uguale ai millimetri di mercurio
• Torr micron (mTorr) - un millitorre è un millesimo di un Torr
• kPa - kilopascal, forza newton per metro quadro
• mbar - millibar, bar (kPa x 100) x 1000

In Nord America si usa comunemente il valore inHg per il vuoto spinto, il Torr per il vuoto spinto e il micron (migliaia di Torr) per le pressioni raggiunte dalle pompe di sostegno.

Al di fuori del Nord America, le unità di misura più comuni sono il millibar negativo e/o il kPa (spesso entrambi sono utilizzati sui manometri). Il pascal (come kilopascal/kPa) è l'unità di misura metrica standard per la pressione ed è normalmente l'unità utilizzata nei documenti scientifici e tecnici.

Nel cosiddetto intervallo di vuoto grezzo, dalla pressione atmosferica fino a 25 Torr, è anche comune (e più pratico) definire il vuoto come una percentuale del vuoto totale. Ad esempio, un sistema di sollevamento a vuoto può funzionare a circa il 60% del vuoto totale.

Il vuoto perfetto è possibile?

No. Un vuoto perfetto, che può anche essere definito vuoto totale o vuoto assoluto, sarebbe un volume che non contiene alcuna materia. Lo spazio esterno ci si avvicina con pochi atomi di idrogeno per metro cubo, ma non raggiunge mai lo zero e lo stesso vale anche per i sistemi di vuoto tecnicamente più avanzati sulla Terra.

Anche se un piccolo volume potrebbe non contenere particelle per un brevissimo momento, ci sarebbero comunque fenomeni quantistici come i fotoni. Il vuoto perfetto è comunque un punto di riferimento teorico inevitabile che utilizziamo, ad esempio, per determinare e confrontare le percentuali di vuoto. Un vuoto perfetto (100%), misurato in tutte le unità di misura, compresi PSI, mmHg, Torr, mbar o inHg, corrisponde a 0.

Cosa si intende per vuoto spinto?

Qualsiasi pressione negativa significativamente inferiore alla pressione atmosferica standard (760 Torr/mmHg, 29,9 inHg o 14,7 PSI) è considerata un vuoto. La qualità del vuoto viene successivamente suddivisa in intervalli in qualche modo arbitrari, ma principalmente basati sulle apparecchiature necessarie per ottenerlo o misurarlo.

L'intervallo di vuoto che può essere misurato in unità di mercurio (Hg) è chiamato intervallo di vuoto grezzo. In questo campo operano le apparecchiature di sollevamento a vuoto e numerose altre applicazioni industriali.

Questi sono gli intervalli di pressione del vuoto misurati in Torr (o frazioni di 1 Torr).

• Pressione atmosferica: 760 Torr
• Vuoto spinto: da 760 a 25 Torr
• Vuoto medio: da 25 a 1×10-3 Torr
• Vuoto alto: da 1×10-3 a 1×10-9 Torr
• Ultra-alto vuoto: da 1×10-9 a 1×10-12 torr
• Vuoto estremamente elevato: meno di 1×10-12 Torr

Ciò che definisce l'alto vuoto è il fatto che normalmente si colloca nell'intervallo tra 1×10-3 e 1×10-9 Torr, pari a un millesimo (0,001) di Torr (o 1 micron) fino a un miliardesimo (0,000000001) di Torr. Un altro fattore di delimitazione è che di solito richiede un pompaggio a più stadi e viene misurato con un misuratore di ionizzazione.

Misuratori del vuoto

Nella tecnologia di manipolazione del vuoto e in altre applicazioni che operano nel campo del vuoto spinto, il livello di vuoto viene tipicamente misurato con manometri a lettura diretta. I manometri a lettura diretta possono fornire una misura accurata dalla pressione atmosferica fino a circa 1 Torr e in alcuni casi anche oltre. Tali tecnologie comprendono manometri a tubo a U, manometri a capacità e tubi di Bourdon.

Manometri a tubo a U: Uno dei dispositivi più elementari per la misurazione della pressione e del vuoto è il manometro a tubo a U. Ha la forma di una U e quando si applica il vuoto a una gamba, il liquido nel tubo sale in quella gamba e scende nell'altra.

Manometri a capacità: Il manometro capacitivo è una forma di manometro molto più complessa e precisa. Utilizza un diaframma in tensione con un lato esposto al volume da misurare. L'altro lato contiene un gruppo di elettrodi con un elettrodo di riferimento e un elettrodo di rilevamento della pressione. La deflessione del diaframma rispetto alla pressione provoca una variazione di capacità, che viene rilevata e infine convertita in una misura esatta.

Manometri a tubo di Bourdon: Il manometro di gran lunga più comune è il manometro a tubo di Bourdon. Questo strumento meccanico, relativamente semplice ma preciso, è in uso dal XIX secolo ed è ancora ampiamente utilizzato. È molto utile in un'ampia gamma di applicazioni, tra cui l'installazione e la risoluzione dei problemi dei sistemi di vuoto industriali.

Il tubo Bourdon è un tubo piegato ad arco collegato al sistema di vuoto. Si piega più o meno a causa della pressione rispetto all'atmosfera, che aziona il quadrante collegato tramite una serie di ingranaggi e molle.

Misurazione di un sistema di sollevamento a vuoto

Un sistema di sollevamento a vuoto funziona nel campo del vuoto grezzo, il che rende relativamente facile misurare il livello di vuoto utilizzando i manometri convenzionali. A seconda dello scopo della misurazione, come l'installazione, la regolazione o l'individuazione di perdite, il punto di partenza è il collegamento di un manometro alla parte del sistema interessata. Nel caso dei sistemi per vuoto TAWI, conosciamo l'esatta capacità delle nostre pompe per vuoto e la misurazione del livello di vuoto è necessaria solo in circostanze specifiche.

Risoluzione dei problemi del sistema del vuoto

I problemi di scarsa capacità di sollevamento sono normalmente causati da perdite nel sistema, che possono essere individuate misurando il livello di vuoto in diverse parti del sistema. Il metodo di misurazione iniziale consiste nel posizionare un manometro collegato a una piastra di prova sull'area dei piedi di aspirazione. In questo modo si simulerà un carico che dovrebbe essere in grado di raggiungere la capacità della pompa del vuoto.

Un sistema di sollevamento a vuoto non è mai sigillato al 100%, ma se il livello di vuoto non raggiunge il 55-60% (del vuoto assoluto teorico), questo indica una perdita. È quindi possibile misurare in diverse posizioni lungo il percorso tra i piedi di aspirazione e la pompa per identificare la posizione della perdita.

Regolazione dei carichi porosi

Quando si raggiunge la capacità della pompa ai piedi di aspirazione, è anche possibile che la perdita sia il carico stesso, che causa una perdita di pressione negativa. Una soluzione consiste nell'aumentare la capacità della pompa, non in termini di livello di vuoto che la pompa può raggiungere, ma in termini di flusso che la pompa è in grado di evacuare.

I carichi porosi richiedono pompe di maggiore capacità per evacuare l'aria rispetto ai carichi piatti e non porosi. Per questo motivo è possibile utilizzare una piccola pompa per vuoto con una portata di 4m3/h (141 ft³/h) appesa a un paranco a catena per sollevare lastre di acciaio che pesano fino a 1,5 tonnellate (3.300 libbre).

All'altro estremo della scala, potrebbe essere necessaria una pompa da 3 kW che fornisca una portata di 230 m3/h (8.133 ft3/h) quando si solleva un sacco di farina da 25 kg (55 libbre) o un foglio di compensato poroso.

In altre parole, sono molte le considerazioni da fare per scegliere il tipo di sistema di vuoto adatto a un'applicazione specifica.  Per garantire la sicurezza del sistema, la capacità di sollevamento richiesta viene moltiplicata per due.

Per saperne di più

 Ecco un'ottima introduzione alla tecnologia del vuoto

Questo articolo vi guiderà al sollevamento sicuro con la tecnologia del vuoto.

Qui potete saperne di più su come lavorare in modo efficiente con i sistemi di sollevamento a vuoto.

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