Como medir o vácuo: métodos, unidades e escalas
Medir um vácuo essencialmente significa atribuir um número à ausência de algo. Mais precisamente, o que é medido é a quantidade de pressão negativa em um volume de espaço causada pela ausência de ar em relação à atmosfera. Infelizmente, não existe uma unidade universal de medição de vácuo. Dependendo do nível de vácuo necessário em uma aplicação específica, muitas vezes é necessário usar diferentes escalas, unidades e medidores.
Uma Breve História da Medição de Vácuo Um evento importante na história da tecnologia de vácuo foi um experimento realizado pelo físico italiano Andrea Torricelli em 1643. Torricelli encheu um tubo de vidro com cerca de 1 metro de comprimento com mercúrio. Em seguida, ele tampou uma extremidade do tubo e o inverteu, colocando a extremidade aberta em uma bacia de mercúrio. Ao remover a tampa, o mercúrio eventualmente pararia a cerca de 760 mm (30 polegadas) acima da superfície da bacia – independentemente da altura do mercúrio na bacia ou do ângulo do tubo. Este dispositivo mede a pressão atmosférica e pode ser usado como um barômetro (que Torricelli é creditado com a invenção). O experimento também demonstrou que o espaço deixado acima do mercúrio no tubo invertido era um vácuo. Alguns séculos depois, a mesma tecnologia seria usada na invenção do manipulador de vácuo.
Unidades e Escalas Comuns de Vácuo Milímetros ou polegadas de mercúrio ainda são usados para medir a pressão em sistemas de vácuo. Milímetros de mercúrio ou mmHg (Hg sendo mercúrio na tabela periódica dos elementos) também são a base para a unidade Torr (de Torricelli) de medição de vácuo. 1 Torr equivale a 1 mmHg e 760 Torr/mmHg equivale à pressão atmosférica (1 atm). No entanto, ao contrário do século 17, agora podemos criar vácuos que podem ser medidos em frações muito pequenas de um Torr. Unidades adicionais são usadas em diferentes partes do mundo para medir a pressão do vácuo. As mais comuns são:
- atm – pressão atmosférica padronizada, 760 mmHg
- PSI – libras por polegada quadrada, pressão absoluta (PSIA) ou de manômetro (PSIG)
- inHg – polegadas de mercúrio
- mmHg – milímetros de mercúrio
- Torr – quase, mas não exatamente igual a milímetros de mercúrio
- micron (mTorr) – um militorr é 1/1000 de um Torr
- kPa – kilopascals, força de Newton por metro quadrado
- mbar – millibares, bar (kPa x 100) x 1000
Na América do Norte, é comum usar inHg na faixa de vácuo grosso, Torr em faixas de vácuo mais altas, e microns (milésimos de um Torr) para pressões atingidas pelas bombas de apoio. Fora da América do Norte, as unidades mais comuns são o milibar negativo e/ou kPa (frequentemente ambas são usadas em medidores). Pascal (como em kilopascal/kPa) é a unidade padrão métrica para pressão e é normalmente a unidade usada em artigos científicos e técnicos. Na chamada faixa de vácuo grosso, da pressão atmosférica até 25 Torr, também é comum (e mais prático) definir o vácuo como uma porcentagem de um vácuo total. Por exemplo, um sistema de manipulação por vácuo pode operar em torno de 60% de um vácuo total. É Possível um Vácuo Perfeito? Não. Um vácuo perfeito, que também pode ser chamado de vácuo total ou vácuo absoluto, seria um volume que não contém absolutamente nenhuma matéria. O espaço exterior chega perto disso, com apenas alguns átomos de hidrogênio por metro cúbico, mas nunca atinge o zero e o mesmo é verdade até nos sistemas de vácuo mais avançados da Terra. Embora um pequeno volume possa não conter partículas por um breve momento, ainda haveria fenômenos quânticos como os fótons. No entanto, um vácuo perfeito é, ainda assim, um ponto de referência teórico inevitável que usamos, por exemplo, quando determinamos e comparamos porcentagens de vácuo. Um vácuo perfeito (100%) medido em todas as unidades, incluindo PSI, mmHg, Torr, mbar ou inHg, é 0. O Que é Considerado um Vácuo Alto? Qualquer pressão negativa significativamente abaixo da pressão atmosférica padrão (760 Torr/mmHg, 29,9 inHg ou 14,7 PSI) é considerada um vácuo. A qualidade do vácuo é então dividida em faixas que são um tanto arbitrárias, mas principalmente baseadas no equipamento necessário para alcançá-las ou medi-las. A faixa de vácuo que pode ser medida em unidades de mercúrio (Hg) é chamada de faixa de vácuo grosso. É nessa faixa que os manipuladores de vácuo e diversas outras aplicações industriais operam. Essas são as faixas de pressão de vácuo medidas em Torr (ou frações de 1 Torr):
- Pressão atmosférica: 760 Torr
- Vácuo grosso: 760 a 25 Torr
- Vácuo médio: 25 a 1×10-3 Torr
- Vácuo alto: 1×10-3 a 1×10-9 Torr
- Vácuo ultra-alto: 1×10-9 a 1×10-12 Torr
- Vácuo extremamente alto: Menos de 1×10-12 Torr
O que define um vácuo alto é que ele normalmente está situado na faixa entre 1×10-3 a 1×10-9 Torr, ou seja, de um milésimo (0.001) de um Torr (ou 1 micron) até um bilionésimo (0.000000001) de um Torr. Outro fator delimitador é que geralmente requer bombeamento de múltiplos estágios e é medido utilizando um medidor de ionização. Medidores de Vácuo Na tecnologia de manuseio por vácuo e outras aplicações que operam na faixa de vácuo grosso, o nível de vácuo é tipicamente medido utilizando medidores de leitura direta. Medidores de leitura direta podem fornecer uma medição precisa da pressão atmosférica até cerca de 1 Torr e, em alguns casos, abaixo disso. Tais tecnologias incluem manômetros em U, manômetros capacitivos e tubos Bourdon. Manômetro em U: Um dos dispositivos mais básicos para medir pressão e vácuo é o manômetro em U. Ele tem o formato de um "U" e, quando um vácuo é aplicado a uma perna, o líquido na perna sobe e desce na outra. Manômetro capacitivo: Um manômetro capacitivo é uma forma mais complexa e precisa de manômetro. Ele utiliza um diafragma tensionado, com um lado exposto ao volume a ser medido. O outro lado contém um conjunto de eletrodos com um eletrodo de referência e um eletrodo sensível à pressão. À medida que o diafragma se deflete em relação à pressão, isso causa uma mudança na capacitância, que é detectada e convertida em uma medição exata. Medidores de vácuo de tubo Bourdon: O medidor de vácuo mais comum é o medidor de tubo Bourdon. Este instrumento mecânico relativamente simples, mas preciso, está em uso desde o século 19 e ainda é amplamente utilizado. Ele é altamente útil em uma variedade de aplicações, incluindo instalação e solução de problemas em sistemas industriais de vácuo. Medindo um Sistema de Manipulação por Vácuo Um sistema de manipulação por vácuo opera na faixa de vácuo grosso, tornando relativamente fácil medir o nível de vácuo usando medidores convencionais. Dependendo do propósito da medição – como instalação, ajuste ou detecção de vazamentos – o ponto de partida é conectar um manômetro à parte aplicável do sistema. No caso dos sistemas de vácuo TAWI, sabemos a capacidade exata de nossas bombas de vácuo e medir o nível de vácuo só é necessário em circunstâncias específicas. Solução de Problemas do Sistema de Vácuo Problemas com baixa capacidade de manipulação normalmente são causados por vazamentos no sistema, que podem ser localizados medindo o nível de vácuo em diferentes partes do sistema. O método inicial de medição é colocar um manômetro conectado a uma placa de teste sobre a área dos pés de sucção. Isso simula uma carga que deve ser capaz de atingir a capacidade da bomba de vácuo. Ajustando para Cargas Porosas Quando a capacidade da bomba atinge os pés de sucção, também é possível que o vazamento seja a própria carga, que causa a perda de pressão negativa. Uma solução é aumentar a capacidade da bomba – não em termos do nível de vácuo que a bomba pode atingir, mas em termos do fluxo que a bomba é capaz de evacuar. Cargas porosas exigem bombas de maior capacidade para evacuar o ar, em comparação com cargas planas e não porosas. É por isso que