Medidor de vacio mejorado TO3

Introducción.

Ya he perdido la cuenta de cuando construí mi primer sensor de vacío basado en la resistencia de platino PT100. Creo que hará mas o menos 8 años. Desde entonces es prácticamente el medidor de vacío realizado por aficionados mas usado. En muchas paginas de Internet se nombra este medidor, en bastantes sin siquiera citar la procedencia del circuito, tal vez tratando de asignarse un merito que no les pertenece. En otras se cita someramente la procedencia. En las menos se pone un enlace al documento original a estas les doy las gracias.

Sobre este circuito se han hecho modificaciones, circuitos impresos, etc, y se ha escrito de ellas bastante en los foros. Estupendo!! ese ha sido mi propósito, dar algunas herramientas, pero dejar abierta las posibilidad de que cada uno aporte según su ingenio.

Cuando trabaje en esta sonda, mi principal objetivo, no era ni la precisión ni la exactitud, sino la facilidad de construcción y la economía. Creo que lo logré, porque de estas sondas se han fabricado muchas, y muchas de ellas han abierto la posibilidad de que muchos aficionados trabajasen con vacío.

Ahora, ocho años después muestro una sonda mas sensible y precisa, no para sustituir a la anterior, porque esta seguramente sera la primera opción cuando alguien trate de fabricar un medidor de vacío, sino para los que quieren mejorar sus posibilidades de medida. Pero sigue siendo el objetivo que la sonda sea fácil de fabricar y barata para un aficionado.

No voy a repetir aquí muchas de las cosas que ya expuse en su día en el documento de la PT100, asi que el que desconozca esta sonda lo primero que debe hacer es leerse este documento.

Primera parte: Construcción del sensor.

El sensor TO3- Platino.

En todo medidor de vacío, el elemento critico es el sensor por lo tanto si quería construir uno mejor tenia que empezar por mejorar este.

En el anterior sensor, se empleaba una resistencia de platino de película fina. Se había elegido este elemento por la resistencia del platino a la temperatura, a la corrosión y a los agentes químicos. También se eligió por se un elemento comercial de bajo precio y fácil adquisición. Siguiendo esta filosofía para el nuevo sensor se ha elegido igualmente una resistencia de platino, pero esta vez no es un elemento comercial sino un hilo de platino de 50 mm de largo y 0,0508 mm de diámetro. Si se hubiese encontrado un elemento comercial barato se hubiese empleado.

Este hilo puede conseguirse en tiendas especializadas que suministran material para laboratorio en rollitos de un metro y también en eBay y otras tiendas en linea.

Para facilitar la construcción del sensor, se emplea la capsula de un transistor TO3, de aquí el nombre del sensor. Pueden emplearse otros procedimientos, allá cada cual, pero yo solo me basaré en este sistema.

Se ha elegido el método del hilo de platino pensando en una calibración lo mas fácil posible y en una repetibilidad grande en la construcción de los sensores. En el caso del medidor PT100, si bien la resistencia de la misma era un valor bastante preciso, no lo era tanto la superficie radiante de la misma ni la inercia térmica. Tampoco era preciso el procedimiento de construcción de la sonda.

En este caso demasiado esfuerzo puede conseguirse que la longitud del filamento, y la resistencia del mismo sea de 50 mm con un posible error menor de 1 mm debido a las partes inmersas en la soldadura, con lo cual la resistencia del mismo no variara mas allá de un 2%. Esa variación va a permanecer mas o menos inalterable en cuanto a la capacidades conductiva y radiante del filamento. Por lo tanto casi todos los parámetros de este sensor serán proporcionales en función de la resistencia en condiciones de temperatura y presión del ambiente. Dicho de otra manera, la resistencia de hilo, su capacidad para calentarse debido a la corriente que lo atraviesa y enfriarse por conducción o radiación dependen únicamente de su longitud, por tanto estos valores serán proporcionales y prácticamente conociendo la resistencia del hilo a la temperatura ambiente se puede calibrar aproximadamente.

Preparación de la capsula.

Debe emplearse un transistor viejo de capsula metálica TO3 de los fabricados por extrusión, no de los que están fabricados en aluminio. Es fácil diferenciarlos, los buenos son magnéticos porque están construido en acero. Se pueden hacer también con los transistores TO3 de capsula de aluminio pero resulta mas difícil realizar el acoplamiento al vacío.

Con un dremel, cortar la parte plana, lo mas cerca de esta., repasar el corte para que quede liso sin rebabas. Con el dremel quitar los hilos de conexión de las dos patillas aisladas al chip del transistor. Seguidamente limar con el dremel la parte superior de las patillas para facilitar la soldadura. Si se quiere también con el dremel quitar el chip. A veces los transistores tienen un poco de silicona para mejorar el aislamiento en el interior del chip. Quitarlo rascando. Con el soldador calentar las dos patillas y estañarlas dejando una pequeña gotita de estaño.

Lo ideal es emplear estaño-plata al 6%, del empleado en soldadura de tubos de cobre porque tiene una temperatura de fusión de 220ºC frente a los 160 ºC de la temperatura de fusión del estaño empleado en electrónica. Adicionalmente el estaño plata no contiene nada de plomo. Si hay dificultades en realizar esto, previamente se puede realizar un estañado con soldadura de electrónica, removerlo y luego aplicar el estaño plata. Durante el funcionamiento del medidor el filamento en su parte central puede alcanzar temperaturas muy altas, dependiendo del modo de funcionamiento puede superar los 600 ºC, pero debido a la finura del hilo, las soldaduras estarán mucho mas bajas sin problema de que se suelten. Se han calentados los filamentos por encima de 1000 ºC sin que la soldadura haya manifestado síntomas de reblandecimiento. No obstante se recomienda emplear la soldadura estaño-plata.

Puede darse el caso de que haya fugas de vacío por la soldadura de la carcasa del transistor a las aletas. Si se sospechase eso sellesen con un poco de epoxi.

Preparación del filamento.

Cortar exactamente 50 mm de hilo de platino de 0,0508 mm. Arrollarlo sobre un cilindro de cualquier material que sea liso de unos 2 mm de diámetro dándole forma de filamento. Dejar rectos y lo mas alineados posible los dos extremos con una longitud de unos 8 mm.

Debido a que esta labor es muy delicada debido a la finura del filamento, conviene previamente hacer pruebas y completar el montaje con un hilo lo mas fino posible para adquirir un poco de practica. Utilizar unas pinzas muy finas para agarrar el filamento cuidando de no dañarlo. Unas pinzas malas pueden incluso cortalo. Presoldar el filamento con estaño, pero no mas de 1,5 mm. No debe de quedar gota.

Insisto practicar antes con un hilo de cobre lo mas fino posible, este se puede conseguir de un transformador viejo.

Soldadura del filamento.

Sujetar la capsula TO3 en un soporte, colocar una buena iluminación y una lupa de 4 aumentos cerca. Sujetar con las pinzas el filamento y soldar un extremo a una de las patillas del TO3. El filamento no debe mojarse en el estaño mas de 1 mm. Resulta conveniente emplear un soldador de punta muy fina.

Sujetar con las pinzas el otro extremo, y soldarlo igualmente. Con las pinzas y mucho cuidado tratar de poner el filamento centrado y a distancia uniforme.

Adaptador.

En nuestro caso deseamos dotar a la sonda de vacío con una terminación QF16. Par ello es necesario tornear un cilindro de aluminio con las dimensiones que se especifican a continuación. Evidentemente puedes variar las dimensiones a tu gusto si te resultan convenientes siempre que dejes suficiente espacio para el filamento.

La sonda propiamente dicha se fija al adaptador mediante los dos tornillos M-3 de sujeción del TO3. La estanqueidad se garantiza mediante una junta tórica de 18 x 2 mm que rodea la carcasa del TO3. Nótese que el adaptador tiene un alojamiento para que la junta entre en parte en el y no se desplace al atornillar fuertemente la sonda.

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.

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

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 micro amperímetro 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 micro amperímetro ( 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 galvanómetros 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 galvanómetro, 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.