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David Herranz Fernández

Noviembre 2014

1. Introducción

CENTRO ESPAÑOL DE METROLOGÍA

MINISTERIO DE INDUSTRIA, ENERGÍA Y TURISMO

ÁREA DE MASA

INFORME FINAL DEL PROYECTO DE I+D+i

“Ampliación, mejora y diseminación de las capacidades de medida y

calibración del laboratorio de presión del CEM”

Acrónimo: ALABPRE

Desde la definición del patrón nacional de presión a finales de 1999, el laboratorio de presión del Centro

Español de Metrología, CEM ha desarrollado dos patrones primarios, un manobarómetro de mercurio por

interferometría láser y un Sistema de Expansión Estática, SEE (ver Figura 1).

Figura 1. Manobarómetro de mercurio con interferometria láser y sistema de expansión estática del CEM

El desarrollo del manobarómetro de mercurio por interferometría láser está basado en los experimentos de

Torricelli y Pascal, y empezó en el año 2000 con el apoyo institucional a través de los proyectos:

• Plan Nacional de I+D+I (2000‐2003). “Desarrollo del patrón primario de presión como futuro patrón

nacional”.

• FIT‐020100‐2002‐48. “Patrón de presión absoluta: manobarómetro de mercurio de altura

por interferometría láser”.

El Sistema de Expansión Estática del CEM comenzó a construirse en el año 2006. Consta de cinco volúmenes

o cámaras, dos de 100 L, dos de 1 L y una de 0,5 L de capacidad nominal, conectadas entre sí a través de un

conducto común.

Este patrón primario se basa en la Ley de Boyle (o Boyle‐Mariotte), donde un gas conocido “encerrado" en un

pequeño volumen a una determinada presión es expandido a un volumen mayor. El resultado es una

reducción de la presión que depende de la relación entre el volumen inicial y el volumen final. Esta relación

se conoce como razón de expansión y su inversa como razón de volumen.

2 CENTRO ESPAÑOL DE METROLOGÍA


Debido al desarrollo de estos dos nuevos patrones primarios nuestro esquema de trazabilidad se ve alterado

sustancialmente. Se produce un cambio desde el viejo esquema, con trazabilidad externa en su origen a

laboratorios nacionales de otros países, a uno nuevo, con trazabilidad directa principalmente a los

laboratorios de masa y longitud, dotándole de independencia a nivel internacional. Este nuevo esquema

permitirá una nueva definición del Patrón Nacional de Presión. (Ver Figura 2 y Figura 3).

10-6 Pa 109 Pa

A.C

.M

étod

oP

atró

nR

ango

10-1 Pa 104 Pa 108 Pa

Ultra alto y alto vacío

Vacío medio y grueso Presión

Sistema de expansión dinámico

SED

Medidores capacitivos

CDG’s

Balanzas de presión con conjuntos pistón- cilindro

Medida dimensional y estudios

de simulación

Calibración externa

(otros NMI’s)

Medida dimensional o calibración con columna

de otros NMI’s + diseminación

Comparaciones internacionales

A. P

resi

ónM

ultip

licad

or

10-6 Pa 109 Pa

A.C

.M

étod

oP

atró

nR

ango

10-1 Pa 104 Pa 108 Pa

Ultra alto y alto vacío

Vacío medio y grueso Presión

Sistema de expansión dinámico

SED

Medidores capacitivos

CDG’s

Balanzas de presión con conjuntos pistón- cilindro

Medida dimensional y estudios

de simulación

Calibración externa

(otros NMI’s)

Medida dimensional o calibración con columna

de otros NMI’s + diseminación

Comparaciones internacionales

A. P

resi

ónM

ultip

licad

or

Figura 2.Esquema actual de trazabilidad de la magnitud presión



Figura 3. Nuevo esquema de trazabilidad propuesto

A modo de resumen se enumeran los tres objetivos básicos de este proyecto:

• Obtención de trazabilidad propia a los nuevos patrones primarios de presión.



• Mejora en la caracterización dimensional de conjunto pistones – cilindro.

• Ampliación del rango de medida a Ultra Alto Vacío (UHV).

Y como consecuencia de los anteriores los tres objetivos que también se pretenden obtener:

• Transferencia de resultados a sectores tecnológicos e industriales interesados.

• Obtención de nuevas Capacidades de Medida y Calibración.

• Redefinición del Patrón Nacional de Presión.

2. Descripción del trabajo realizado y resultados obtenidos

2.1.‐ Tareas previstas

A continuación se muestran las distintas fases y tareas que se habían previsto realizar en el presente

proyecto, indicándose en cada caso, la finalización y/o estado de las mismas. Dichas tareas aparecen

descritas en la memoria del proyecto nº 21 dentro del marco de investigación llevado a cabo por el Centro

Español de Metrología “Proyectos CEM de I+D+i (2011‐2014)” [1] y su duración estimada se ofrecía en el

cronograma presente en la memoria. Las principales tareas del proyecto son:

FASE 1. Diseminación de la unidad desde los nuevos patrones primarios.

TAREA 1.1. Estudio y recopilación de información sobre la columna de mercurio y las balanzas de presión.

TAREA 1.2. Caracterización de los conjuntos pistón cilindro de área > 300 mm² con la columna de mercurio.

En modos absoluto y relativo, según el caso.

TAREA 1.3. Medida dimensional de los conjuntos pistón cilindro de 980 mm².

TAREA 1.4. Estudio y diseño de modelos matemáticos para la caracterización de conjunto pistones cilindro a

partir de medidas dimensionales. Realización de procedimientos.

TAREA 1.5. Diseminación de la unidad de presión desde los conjuntos pistón ‐ cilindro caracterizados

dimensionalmente a los conjuntos pistón ‐ cilindro neumáticos de menor área.

TAREA 1.6. Comparación de los resultados obtenidos con los valores históricos. (Análisis inicial/final).



TAREA 1.7. Diseminación de la unidad de presión desde los conjuntos pistón cilindro neumáticos a los

conjuntos pistón cilindro hidráulicos.

TAREA 1.8. Diseminación de la unidad de presión desde los conjuntos pistón ‐ cilindro hidráulicos al

multiplicador de presión.

TAREA 1.9. Análisis de las nuevas capacidades de medida y calibración, en el rango bajo estudio.

FASE 2. Ampliación del rango de medida a UHV.

TAREA 2.1. Estudio y recopilación de información sobre la tecnología de vacío existente.

TAREA 2.2. Estudio de los modelos de gases enrarecidos.

TAREA 2.3. Ampliación del rango de medida del Sistema de Expansión Dinámica (SED) a ultra alto vacío (UHV).

TAREA 2.4. Modificación del Medidor de flujo del SED para la utilización como sistema generador de

presiones parciales y de calibración de fugas.

TAREA 2.5. Implementación del sistema de calibración de fugas y presiones parciales. Realización de ensayos.

Realización de procedimientos e inclusión en el Sistema de calidad del CEM.

TAREA 2.6. Determinación de las Capacidades de medida y calibración, en el rango bajo estudio.

FASE 3. Realización de comparaciones con otros Institutos Nacionales de Metrología.

FASE 4. Solicitud de las nuevas Capacidades de medida y calibración ante el BIPM.

FASE 5. Redefinición del patrón nacional de presión.

FASE 6. Difusión de resultados.

2.2.‐ Descripción del trabajo realizado

A continuación se desarrolla el trabajo realizado en el proyecto ALABPRE desde noviembre de 2010 hasta

noviembre de 2014.



FASE 1. Diseminación de la unidad desde los nuevos patrones primarios

Tarea 1.1. Estudio y recopilación de información sobre la columna de mercurio y las balanzas de presión.

(Fase 1)

Durante los tres primeros meses del proyecto, se recopiló información nacional e internacional sobre las

balanzas de presión existentes en el mercado y las columnas de mercurio existentes en los distintos Institutos

Nacionales de Metrología. La columna de mercurio del CEM se basa en el prototipo del Nacional Physical

Laboratory (NPL), siendo una de sus principales características la medida de la diferencia de alturas,

realizándose mediante interferometría láser contra flotadores y el control de la temperatura. Sin embargo

existen diferencias notables entre ambos modelos, destacando:

• La estructura del modelo del CEM es de granito, frente a la del NPL que es de acero

• La corrección del índice de refracción se realiza mediante compensadores de longitud de onda

• Los flotadores de la columna del CEM poseen retrorreflectores, frente a ojos de gato en la del NPL

El manobarómetro de mercurio por interferometría láser del CEM se ha diseñado para trabajar desde 1 kPa

hasta 120 kPa (en modos absoluto, relativo y diferencia) con presiones de línea de hasta 380 kPa.

Toda la documentación consultada de interés para este proyecto se ha recopilado y guardado para su

consulta en la unidad de red del CEM “E:\MASA\LABORATORIOS\Presión\DOCUMENTACIÓN\” a la que se

accede a través de la red interna del CEM.

Tarea 1.2. Caracterización de los conjuntos pistón cilindro de área > 300 mm² con la columna de mercurio.

En modos absoluto y relativo, según el caso. (Fase 1)

La caracterización de los conjuntos pistón cilindro de área > 300 mm2 con la columna de mercurio se ha

llevado a cabo una vez finalizada la tarea anterior, obteniendo buenos resultados en el caso de presiones

relativas y diferenciales, no así en el caso de presiones absolutas, dónde la falta de repetibilidad ha sido una

constante. Debido a ello se ha elaborado una propuesta a EURAMET (European Association of National

Metrology Institutes) en la que participarían los laboratorios nacionales del PTB (Physikalisch‐Technische

Bundesanstalt) y del CENAM (Centro Nacional de Metrología de México), junto con el CEM, para el estudio,



análisis y cambio de experiencias basadas en los flotadores que marcan la posición de las diferentes alturas

que alcanza el mercurio. Dicha propuesta ya ha sido aceptada por el Comité Técnico de Masa de EURAMET

con el título “Primary mercury columns using floats ‐ exchange of experiences” y con la referencia 1215.

A continuación se muestran los resultados obtenidos en la calibración de conjuntos pistón cilindro, en modo

relativo, utilizando como patrón la columna de mercurio, y en el rango de 800 hPa a 1100 hPa que es donde

se consiguen resultados con incertidumbres óptimas:

Tabla 1: Identificación de conjuntos pistón cilindro calibrados

Figura 4. Calibración de conjuntos pistón cilindro con columna de mercurio (Izquierda ‐ balanza de presión Desgranges et Huot; centro – balanza de presión DH Instruments y derecha –

balanza de presión Ruska)



Tarea 1.3. Medida dimensional de los conjuntos pistón‐cilindro de 980 mm². (Fase 1)

El laboratorio de longitud del CEM ha realizado una primera medida dimensional de conjuntos pistón cilindro

de 35 mm con una incertidumbre de: 0,18 μm en la medida de diámetros; 0,04 μm en la medida de los

defectos de redondez y de 0,09 μm en la medida de los defectos de cilindricidad, todas ellas para k = 2.

Actualmente, y debido a la adquisición de una nueva máquina de una coordenada horizontal, el laboratorio

dimensional del CEM está intentando bajar dicha incertidumbre estando a la espera de la obtención de los

nuevos resultados de las medidas de los diámetros y de los defectos de cilindricidad y redondez.

La siguiente Figura 5 muestra las medidas dimensionales nominales de un conjunto pistón cilindro de 980

mm2

Figura 5. Conjunto pistón cilindro de 980 mm2

Los resultados obtenidos en la medida dimensional para el conjunto pistón cilindro DH 6040 se muestran en

la Tabla 1 y la Tabla 2.



A partir de los resultados dimensionales se obtiene el área efectiva de los distintos conjuntos pistón cilindro.

La Tabla 3 muestra el área efectiva y la incertidumbre obtenida para el conjunto P/C DH 6040 y para el

conjunto P/C DHi 801.

Tabla 3: Resultados de la calibración dimensional de los P/C por el CEM

Tarea 1.4 Estudio y diseño de modelos matemáticos para la caracterización de conjunto pistones cilindro a

partir de medidas dimensionales. Realización de procedimientos. (Fase 1)

La mejora de la caracterización dimensional junto con la generación de modelos matemáticos que a partir de

las medidas de los diámetros y defectos de forma del pistón y el cilindro, nos permitirá caracterizar el valor

del área efectiva. Así mismo, se pretende mejorar el conocimiento del comportamiento del flujo de gas entre

el pistón y el cilindro y, mediante técnicas de elementos finitos, desarrollar modelos matemáticos que nos

permitan dicha caracterización. En el mes de diciembre de 2011 se ha asistido a un curso introductorio de

“Análisis de elementos finitos mediante el programa ANSYS” que partía como un posible software para su

implementación, aunque al final no se ha realizado dicha tarea.

Tarea 1.5 Diseminación de la unidad de presión desde los conjuntos pistón‐cilindro caracterizados

dimensionalmente a los conjuntos pistón‐cilindro neumáticos de menor área. (Fase 1)

Esta tarea debía realizarse después de caracterizar los conjuntos pistón cilindro en el laboratorio de longitud

del CEM. Se realizó una primera caracterización, estando pendiente la realización de una segunda con una

nueva máquina de una coordenada horizontal que trabaja mediante interferometría láser.



Finalmente, debido a que la incertidumbre final que se consigue con la columna de mercurio es mejor que la

que se consigue con las medidas dimensionales realizadas, se han calibrado los conjuntos pistón‐cilindro

neumáticos mediante la columna de mercurio. Los certificados se encuentran en la base de datos del CEM.

Tarea 1.6 Comparación de los resultados obtenidos con los valores históricos.

Conjunto pistón cilindro de Desgranges et Huot nº 4656

Se ha realizado la comparación entre los resultados obtenidos mediante la columna de mercurio y los

resultados históricos disponibles en el laboratorio de presión del CEM. La Figura 6 muestra los resultados

obtenidos para el conjunto pistón cilindro de Desgranges et Huot nº 4656. La última parte de la notación del

eje de abscisas indica el tipo de calibración, donde: “D” es dimensional, “F” es flotación cruzada, “C Hg” es

calibración con columna de mercurio y “F y C Hg” es calibración con columna y con flotación.

P/C Desgranges et Huot, modelo 0,01 MPa/kg y nº de serie: 4656

980,499

980,485 980,486

980,493

980,480

980,450

980,460

980,470

980,480

980,490

980,500

980,510

1990 ‐ D

H ‐ F

1990 ‐ LNE ‐ D

2001 ‐ LNE ‐ F

2002 ‐ CEM

‐ F

2010 ‐ CEM

‐ C Hg

Área efectiva

(mm²)

Figura 6. Histórico del conjunto pistón cilindro nº 4656



Aunque a simple vista se observa que los resultados obtenidos son compatibles con los valores históricos, se

usa el índice C, para cuantificar su grado de compatibilidad. Un valor menor que uno indica que los resultados

son compatibles para un intervalo de confianza de aproximadamente el 95,45 %.

Así mismo, se muestran los resultados obtenidos en forma de tabla (ver Tabla 4), dónde se ha marcado en

amarillo los que se consideran más relevantes, ya que su fuente de trazabilidad es otro INM con trazabilidad

primaria o el laboratorio de longitud del CEM.

Tabla 4: Comparación de resultados de la calibración del P/C nº 4656

Año/ A (0,to) U (A (0,to)) W (A (0,to)) COrganismo/ k = 2 k = 2

Tipo mm mm x 10-6

1990 - DH - F 980,499 0 0,039 2 40 0,481990 - LNE - D 980,485 0 0,008 3 9 0,432001 - LNE - F 980,486 1 0,007 2 7 0,542002 - CEM - F 980,492 6 0,014 7 15 0,74

2010 - CEM - C Hg 980,479 5 0,009 8 10 --

Conjunto pistón cilindro de Desgranges et Huot nº 6040

En la siguiente Figura 7 se muestran los resultados obtenidos para el conjunto pistón cilindro de Desgranges

et Huot nº 6040. La última parte de la notación del eje de abscisas indica el tipo de calibración, donde: “D” es

dimensional, “F” es flotación cruzada, “C Hg” es calibración con columna de mercurio y “F y C Hg” es

calibración con columna y con flotación.



Figura 7. Histórico del conjunto pistón cilindro nº 6040

Se observa que los resultados obtenidos son compatibles con los valores históricos, además se usa el índice

C, para cuantificar su grado de compatibilidad. Un valor menor que uno indica que los resultados son

compatibles para un intervalo de confianza de aproximadamente el 95,45 %.

Así mismo, se muestran los resultados obtenidos en forma de tabla (ver Tabla 5), dónde se ha marcado en

amarillo los que se consideran más relevantes, ya que su fuente de trazabilidad es otro INM con trazabilidad

primaria o el laboratorio de longitud del CEM.



Tabla 5: Comparación de resultados de la calibración del P/C nº 6040

Tarea 2.1 Estudio y recopilación de información sobre la tecnología de vacío existente. (Fase 2)

Al igual que la tarea 1.1 de la Fase1 se ha analizado y recopilado información más relevante para el proyecto

y se ha almacenado, para su consulta y visualización, en la unidad de red del CEM

“E:\MASA\LABORATORIOS\Presión\DOCUMENTACIÓN\” a la que se accede a través de la red interna del

CEM.

El vacío, según el diccionario de la Real Academia Española de la Lengua, es un espacio carente de materia.

Desde un punto de vista más práctico, se define el vacío como toda presión por debajo de la presión

atmosférica. Se identifica con una densidad muy baja de moléculas. Se divide en rangos o intervalos en

función de las leyes físicas involucradas y las técnicas de medida. La

Tabla 6 muestra los intervalos y sus nombres convencionales así como una indicación orientativa de la

densidad molecular en cada región.



Tabla 6: Distribución de la región de vacío

Rango de presiones (Pa) Densidad molecular (cm‐3) Región de Vacío

105 ‐ 102 1019 ‐ 1016Vacío grueso o bajo vacío

102 – 10‐1 1016 ‐ 1013Vacío medio

10‐1 – 10‐5 1013 – 109Alto vacío

< 10‐5 < 109Ultra alto vacío

Debido a la participación del CEM en el proyecto europeo JRP14i “Vacuum metrology for production

environments” conocido de manera abreviada como “Vacuum metrology” dentro del Programa de

Investigación en Metrología Europea, EMRP, que se lleva a cabo por los países participantes en la Asociación

Europea de Institutos Nacionales de Metrología (EURAMET) y que está apoyado por la Comisión Europea, se

ha recopilado más documentación relacionada directamente con esta investigación. Dicha documentación se

ha almacenado en la unidad interna del CEM “E:\MASA\LABORATORIOS\Vacío\EMRP IN12

VACUUM\Documentos”.

Tarea 2.3 Ampliación del rango de medida del Sistema de Expansión Dinámica (SED) a ultra alto vacío

(UHV). (Fase 2)

El sistema de expansión dinámica SED (ver Figura 8), también conocido como patrón de orificio de flujo, es un

patrón primario en alto y medio vacío. Se compone de dos cámaras de acero inoxidable unidas por medio de

un orificio de conductancia conocida, un sistema de bombeo y un generador de flujo (flow‐meter).



Figura 8. Cámara de calibración del SED

El sistema de vacío genera una presión de referencia trabajando en modo dinámico. En la cámara de vacío

existe gas en movimiento, que realiza su entrada por el extremo superior (ver Figura 9) y sale por el extremo

inferior, desde la zona de inyección hasta la zona de bombeo.

Cuando un caudal Q de gas atraviesa el sistema entre la cámara superior e inferior se establece una

diferencia de presión dada por (1):

CQpp downup =− (1)



Figura 9. Esquema de generación de flujo continuo en el SED

La presión final en las cámaras de calibración (2), (3) es función de la conductancia del orificio, la relación de

presión entre las cámaras (o la velocidad de bombeo) y el flujo de entrada de gas.

CQ

RRpup 1−

= (2)

CQ

Rpdown 1

1−

= (3)

donde pup es la presión en la cámara superior, pdown es la presión en la cámara inferior, R es la relación de

presión entre las cámaras, Q es el caudal y C es la conductancia del orificio.



La calibración de Espectrómetros Cuadrupolares de Masas QMS con el SED, implica el uso de diferentes

gases, pero la conductancia del orificio y la relación de presión entre las cámaras tienen una dependencia

directa de la especie de gas. Esta es la razón por la que tiene que ser determinada para cada gas.

Después de configurar el nuevo sistema de bombeo del SED, se calcula la relación de presión R entre la

cámara superior y la inferior para distintos gases (4), y la conductancia del orificio que separa ambas

cámaras. Este cálculo ya se había realizado en el informe anterior pero de manera aproximada.

down

up

pp

R = (4)

La primera actuación que debía hacerse en el SED para ampliar el rango de medida era la de modificar el

sistema de bombeo. La nueva configuración del sistema del sistema de bombeo está formada por (ver Figura

10):

• Una bomba primaria, de tipo rotatoria de la marca PFEIFFER modelo 65 M con separador de aceite

vaporizado de 19 L/s para el N2

• Una bomba turbomolecular de la marca PFEIFFER modelo HiPace 2300 de 1900 L/s para el N2

• Una bomba criogénica de agua, conocida coloquialmente como trampa fría, de la marca RICOR

Figura 10. Sistema de bombeo del SED del CEM



Una vez montado el nuevo sistema de bombeo se realizan las primeras pruebas. Los primeros resultados

obtenidos fueron los siguientes:

• Cámara superior, 2,26 x 10‐6 mbar

• Cámara inferior, 1x10‐8 mbar

A la vista de los resultados obtenidos se monta el RGA HIDEN en la cámara inferior del SED y se comprueba la

estanquidad de todas las conexiones e instrumentos conectados al sistema inyectando He desde el exterior

detectándose un fallo en el medidor de ionización IG de la cámara superior. Una vez detectadas y subsanadas

las fugas en el sistema, los resultados fueron los siguientes:

• Cámara inferior, 1x10‐9 mbar

Se realizan las primeras pruebas de cálculo de la razón de presión ente la cámara superior y la inferior y los

resultados obtenidos han sido, cuando menos, esperanzadores. Dicha relación R, constituye un parámetro

esencial en el funcionamiento del Sistema de Expansión Dinámica SED. Se ha calculado para varios gases,

obteniendo un valor aproximado de:

• R = 80 para el Nitrógeno

• R = 50 para el Helio

• R = 35 para el Argón

La Tabla 7 muestra los resultados finales obtenidos para la relación de presiones expresada como función de

la presión en la cámara superior R = R0(1+λpup) para diferentes gases .

Tabla 7: Rutas de generación de flujo en función de la presión final

Gas

R0 λ R0

Pa‐1U (R) k = 2

W(R) k = 2

He 57,884 ‐0,187 1,2 0,020 N2 85,937 ‐0,098 1,4 0,017 Ar 90,769 ‐0,093 1,4 0,015

Con esta modificación del sistema de bombeo la presión de base que se alcanza sin hornear se sitúa ahora,

entorno a 9 x 10‐8 Pa, si bien la presión de trabajo más baja que se consigue en la cámara inferior es de



3 x 10‐6 Pa. Esta presión está condicionada por la desgasificación presente en racor flexible que sirve de

conexión entre la cámara de calibración y el generador de flujo. Con el tiempo y con horneados sucesivos se

estima que esta presión disminuya considerablemente (ver Figura 11).

Con objeto de mejorar el vacío final que se puede alcanzar en el SED, se han realizado pruebas utilizando la

válvula inferior de conexión de las cámaras con el flow‐meter.

Aunque el sistema de expansión dinámica posee dos válvulas por donde inyectar el flujo de gas procedente

del flow‐meter (ver Figura 12), las pruebas realizadas utilizando la válvula inferior no han sido satisfactorias.

Al utilizar la válvula inferior no se crea una diferencia de presión apreciable entre la cámara superior e

inferior, es decir, la presión se homogeniza dentro de la cámara por lo que el sistema deja de funcionar como

un sistema de orifico conocido y flujo controlado.

Figura 11. Horneado del racor flexible de conexión entre la cámara de calibración y el flow‐meter.



Figura 12. Válvulas de conexión entre la cámara de calibración y el flow‐meter. Debido al condicionamiento en la presión de trabajo se ha planteado la modificación de la conexión existente

entre el flow‐meter y la cámara de calibración, estando a la espera de la decisión final.

Con la modificación del sistema de bombeo se alcanza una presión de base que se sitúa en el rango del Ultra

Alto Vacío (UHV), más baja que hasta ahora y, lo que es muy importante, el tiempo necesario para alcanzar

esa presión se ha disminuido considerablemente.

Tarea 2.4. Modificación del medidor de flujo del SED para la utilización como sistema generador de

presiones parciales y de calibración de fugas.

La generación de presión en el SED está asociada a un sistema de generación de flujo gaseoso o flow‐meter.

Este sistema genera flujo de gas a partir de distintos gases de referencia.



Un medidor de flujo o un sistema de generación de flujo conocido normalmente como “flow‐meter”consiste

en un volumen conocido V, en cuyo interior tenemos gas a una presión p y a una temperatura T. Este

volumen está conectado al sistema de vacío por medio de una válvula de fuga o de una conductancia que

permite el paso de gas a una velocidad muy lenta. De manera simplificada, en el caso de volumen constante y

presión variable, podemos obtener el flujo de gas como:

tpVQ

ΔΔ

−= (5)

El volumen V del generador de flujo se denomina “volumen de inyección”, y su valor depende de la

configuración utilizada en cada momento en un sistema generador de flujo. La Figura 13 representa un

esquema de un sistema generador de flujo.

Figura 13.Esquema general del flow‐meter

La Figura 14 muestra el flow‐meter del sistema de expansión dinámica SED del CEM hasta mediados del año

2012.



Figura 14.Flow‐meter del Sistema de Expansión Dinámica del CEM

Antes de definir el diseño final del flow‐meter del CEM se analizaron diferentes prototipos basándose en

sistemas generadores de flujo de otros Institutos Nacionales de Metrología, y tras la realización de diferentes

borradores, se optó por un generador de flujo con tres posibles líneas de generación de flujo de manera

independiente.

La construcción del flow‐meter se llevó a cabo sobre una estructura de acero que servía de soporte al antiguo

generador. Se utilizó racorería de ultra alto vacío, así como distintas válvulas todo metal horneables hasta

una temperatura de 180oC (ver Figura 15).



Figura 15. Proceso constructivo del generador de flujo

El nuevo flow‐meter dispone de tres rutas o caminos independientes por donde generar flujo de gas. Cada

una de estas rutas está caracterizada por un volumen y un medidor capacitivo diferente. Las rutas del flow‐

meter son las siguientes:

1) La Ruta 1 está compuesta por un volumen de 5 L de capacidad nominal y un medidor capacitivo de

100 Torr.

2) La Ruta 2 está compuesta por un volumen variable a través de un tornillo micrométrico controlado

mediante un motor paso a paso de 0,2 L de capacidad nominal y un medidor capacitivo diferencial de 1 Torr.

3) La Ruta 3 está compuesta por un volumen de 0,5 L de capacidad nominal y un medidor capacitivo de

10 Torr.

Además, el sistema consta de un medidor de ionización y de un medidor de conductividad térmica tipo Pirani

que permiten controlar la presión de base en el flow‐meter. Para vaciar el sistema de generación de flujo se

dispone de un sistema de bombeo compuesto de bomba rotatoria y una turbomolecular de 150 L/min y de

diferentes válvulas para seleccionar la configuración más adecuada para cada método y valor de flujo a

utilizar. (Ver Figura 16)



Figura 16.Nuevo flow‐meter del Sistema de Expansión Dinámica del CEM

Los distintos volúmenes se han protegido con una espuma de polietileno para aislamiento térmico cuyo

coeficiente de conductividad térmica es de 0,034 W/mK (ver Figura 17).

Figura 17: Sistema de generación de flujo con los volúmenes aislados



Este sistema de generación de flujo permite la utilización de hasta tres tipos de gas de manera independiente

y simultánea (ver Figura 18), así como la utilización de mezclas de gases. Para poder evaluar la

homogeneidad térmica del sistema se han dispuesto sondas termométricas de platino del tipo Pt100

distribuidas en los diferentes puntos del flow‐meter.

Figura 18: Esquema con las diferentes rutas del flow‐meter

En función de la presión final que se quiera alcanzar en el SED se debe seleccionar una ruta diferente. La

Tabla 8 muestra una recomendación de la ruta a utilizar en función de la presión final requerida en la cámara

inferior.


Rango de presión Pa

Ruta recomendada

De 1x 10‐4 a 1 x 10‐3 1 De 1 x 10‐6 a 1 x 10‐5 2 De 1 10‐5 a 1 10‐4 3

Los sistemas generadores de flujo pueden trabajar de dos formas o a volumen constante y presión variable o

a volumen variable y presión constante. En el caso de trabajar a volumen constante y presión variable la

ecuación) se reduce a:



⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

+∂∂

−=tT

Tp

tpVQV (6)

donde el subíndice V indica que es flujo generado a volumen constante. De la ecuación (6) se deduce que es

necesario conocer el volumen del sistema generador de flujo para poder calcular el valor del flujo de gas.

La determinación de los volúmenes se puede hacer, básicamente por dos métodos; el método gravimétrico

[8] o el método de expansión [5].

El método gravimétrico debe aplicarse antes de montar el generador de flujo. El segundo método, consiste,

básicamente, en medir la presión antes y después de cada expansión. Este segundo método es el elegido

para determinar los distintos volúmenes de los distintos caminos o rutas de que consta el flow‐meter.

Para determinar el volumen habiendo determinado la relación de expansión sólo hay que conocer la

capacidad de uno de los volúmenes. El método consiste en realizar expansiones utilizando un volumen

calibrado y uno o dos patrones de presión calibrados. Los patrones de presión suelen ser una balanza de

presión para medir la presión inicial en el volumen pequeño y un manómetro calibrado, aunque para

determinación de volúmenes de flow‐meter es suficiente con un manómetro de alta exactitud. El modelo

matemático para la determinación de la relación de expansión queda definido por (7).

ff

f

TT

pp

VVVf

,2

0,1

,1

,2

21

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

= (7)

donde los subíndices “1” y “2” identifican a los volúmenes y los subíndices “f” y “0” indican situación inicial y

final. Una vez obtenida la “razón de expansión” se obtiene el valor del volumen mediante:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= 11

12 fVV (8)



Para la calibración de medidores de presión parcial y para la calibración de fugas se debe modificar el actual

generador de flujo o flow‐meter. El nuevo generador dispone de tres rutas o caminos independientes con

diferentes configuraciones de volúmenes de modo que en función del flujo que se pretende generar se utilice

uno u otro camino

Como ya se ha comentado anteriormente, para calcular el flujo de gas que se genera en el flow‐meter, se

debe determinar el volumen de cada ruta utilizada.

Para determinar el volumen de la ruta 1 del flow‐meter se ha utilizado un manómetro digital de la marca

Ruska modelo 6200 de 1300 mbar de fondo de escala y un volumen calibrado de 1 L de capacidad nominal.

A continuación se describe el procedimiento llevado a cabo.

Inicialmente, se conecta el volumen calibrado con el manómetro digital al flow‐meter (ver Figura 19).

Figura 19.Volumen calibrado de 1 L conectado a la ruta 1 del flow‐meter



Una vez conectados los equipos se procede a evacuar el gas del sistema de modo que el cuando el sistema

alcanza una presión inferior a 1 Pa, se aísla el volumen patrón del flow‐meter mediante la válvula dispuesta

para tal fin. En ese momento se espera a que el flow‐meter alcance la presión de base, al menos 0,01 Pa, ya

que este valor es suficiente para que no tenga influencia en la incertidumbre final, y se aísla el flow‐meter del

sistema de generación y bombeo.

A continuación se genera una presión del orden de 100 000 Pa en el volumen calibrado y el volumen añadido

por el patrón de presión y la racorería. Se abre la válvula y se realiza la expansión. Para evaluar la

repetibilidad de las medidas este proceso se repite diez veces.

A partir de la ecuación (9) se obtiene el volumen del flow‐meter:

tubemanLflow VVVf

V −+⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= )(11

1 (9)

donde V1L es el volumen calibrado, Vman es el volumen de la racorería del manómetro digital, Vtube es el

volumen del racor auxiliar de conexión con el flow‐meter y f es la razón de expansión dada por (7).

Previo al cálculo del volumen del flow‐meter se han calculado los volúmenes Vman y Vtube.

El método utilizado para calcular el volumen Vman es el mismo de expansión descrito anteriormente. Para ello

se han utilizado dos manómetros digitales de la marca Ruska modelo 6200 de 1300 mbar de fondo de escala

y un volumen calibrado de 1 L de capacidad nominal (ver Figura 20).

Se conecta el volumen calibrado a dos manómetros digitales de las mismas características utilizando racores

del mismo tamaño. Con esto se consigue copiar el incremento de volumen aportado por la racorería.



Figura 20. Volumen calibrado conectado a dos manómetros digitales

En este caso, para evaluar la repetibilidad de las medidas este proceso se repite dos veces.

A partir de la ecuación (7) se obtiene el volumen de la racorería del manómetro digital (10):

Lman

manman V

ffV 121

1⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−= (10)

Para conectar el volumen calibrado al flow‐meter es suficiente con un tubo de acero, que conforma un

volumen cilíndrico por lo que la determinación del volumen se hace dimensionalmente, midiendo con un

calibre la longitud del tubo y el diámetro interior. Este volumen es el representado por Vtube. El cálculo del

volumen responde a (11).

2rlVtube π= (11)

Para determinar el volumen parcial de la ruta 3 se procede de la misma manera que en el caso anterior.



La Figura 21 muestra la conexión del volumen calibrado de 1 L para la determinación del volumen parcial de

la ruta 3.

Figura 21: Conexión del volumen calibrado de 1 L a la ruta 3 del flow‐meter. La Figura 22 muestra la conexión realizada para determinar el volumen calibrado de la racorería del

manómetro digital

La Tabla 9 muestra los volúmenes parciales de las rutas determinados hasta la fecha, estando pendiente el

cálculo del volumen de la ruta 2.



Figura 22: Conexión del volumen calibrado de 1 L para determinar el volumen de la racorería.


Flow‐meter Volumen L

U (V) k= 2

W(V) Ruta k = 2 1 5,120 0,030 0,005 9 3 0,575 3 0,009 0 0,015

Una vez configurado el nuevo flow‐meter se procede al montaje de tres QMS para realizar las primeras

pruebas de medida de presiones parciales. (Ver Figura 23)



Figura 23. QMS montados en la cámara inferior del SED del CEM

La Tabla 10 muestra los QMS de que dispone actualmente el CEM.

Tabla 10: Fabricantes y modelos de QMS disponibles en el laboratorio de presión del CEM Manufacturer Model Ion Source Detector Filament

PFEIFFER Prisma Open, 2 Filaments C‐SEM/Faraday Thoriated iridium HIDEN Analytical HALO 100 Open, 2 Filaments Faraday Tungsten

MKS Microvison plus Open, 2 Filaments Faraday Tungsten

Para la realización de esta tarea y la Tarea 2.4 se realizan las primeras pruebas de funcionamiento de los

QMS.

El espectrómetro de masas de Pfeiffer, modelo Prisma, pertenece al laboratorio de gases con lo que se

desconoce el uso, conservación y tiempo de vida del instrumento. Después de realizar las primeras pruebas

se obtienen la siguiente conclusión:

1) Al modificar la resolución de masa Δm se comprueba que el instrumento no responde bien. Los

resultados obtenidos no se corresponden con los que debieran. En el caso de este modelo (Prisma) la Δm se



varía cambiando la resolución que varía desde 0 a 255. En principio una resolución de 50 debería

corresponderse con un Δm de 1 pero no es así, los valores que se obtienen son del orden de 2.

A continuación se muestran los resultados obtenidos con diferentes resoluciones (250, 50 y 1) y la misma

presión (1,15 E‐5 mbar) (ver Figura 24, Figura 25 y Figura 26).

Figura 24.Resolución = 250 y presión = 1,13 E‐5 mbar



A la vista de los resultados obtenidos y debido a la imposibilidad de fijar los valores de Δm = 0.8, 1 y 1.2 y tras

la consulta de los mismos con el Doctor Janez Setina (Institute of Metals and Technology, Ljubljana, Slovenia)

se llega a la conclusión de que el filamento está deteriorado o que necesita una puesta a punto (tuning).

Debido a los anteriores inconvenientes, se decide utilizar el espectrómetro de masas HALO 100 de HIDEN

Analytical. Este modelo no dispone del software necesario para modificar los distintos parámetros necesarios

para su calibración. Por este motivo, se contacta con el fabricante y se envía al Reino Unido para su ajuste y

actualización. Este modelo posee dos filamentos y detector Faraday. Los valores recomendados por el

fabricante son los siguientes (ver Figura 27).

Figura 27. Modo por defecto para el Hiden Analytical HALO 100

En este espectrómetro para variar la Δm es necesario modificar tanto la resolución del instrumento (que

varía desde ‐100% a 100%), como el delta‐m (que varía desde ‐100% a 100%).

De las pruebas realizadas con el espectrómetro de masas HALO 100 de HIDEN Analytical respecto a la

variación del Δm, se han obtenido las siguientes conclusiones:

1) Al aumentar la resolución del instrumento (valores admitidos de ‐100 % a 100 %) disminuye la

sensibilidad (picos más bajos) y la resolución de masa (Δm).



2) Al disminuir la resolución aumenta la sensibilidad (picos más altos) pero peor definidos (más anchos y

aparecen varios picos) y aumenta la resolución de masa (Δm).

3) Al aumentar la delta‐m disminuye la sensibilidad y la resolución de masa (Δm).

4) Al disminuir la delta‐m aumenta la resolución de masa (Δm) y disminuye la resolución

La Tabla 11 muestra los resultados obtenidos para el QMS Hiden Analytical HALO 100.

Tabla 11. Variación del Δm con el delta‐m y la resolución para el gas Ar

Case Gas Pressure /mbar Delta‐m /% Resolution /% Δm 1 Ar 2,7E‐6 30 0 0,71 2 Ar 2,7E‐6 20 0 0,77 3 Ar 2,7E‐6 ‐20 0 1,13 4 Ar 2,7E‐6 ‐20 ‐100 1,32 5 Ar 2,7E‐6 ‐20 100 0,77 6 Ar 2,7E‐6 ‐10 10 1,00 7 Ar 2,7E‐6 ‐20 20 1,06 8 Ar 2,7E‐6 ‐20 30 0,98 9 Ar 2,7E‐6 ‐25 20 1,13 10 Ar 2,4E‐6 0 ‐100 1,63 11 Ar 2,4E‐6 0 100 0,88 12 Ar 2,4E‐6 0 0 0,8

A continuación se muestran algunos de los resultados obtenidos mostrados en la Tabla 11 para una presión

de 2,4 E‐6 mbar (ver Figura 28 y Figura 29)



Figura 28.Resolución = 0 y Δm = 0



Figura 29:.Resolución = ‐100 y Δm = 0



En cuanto a la calibración de fugas, se ha recopilado información y se ha almacenado, para su consulta y

visualización, en la unidad de red del CEM “E:\MASA\LABORATORIOS\Presión\DOCUMENTACIÓN\” a la que

se accede a través de la red interna del CEM.

Actualmente existen varios métodos para la calibración de fugas, que dependen del rango del valor de la

fuga, aplicación, clase de gas utilizado e incertidumbre de las medidas. Estos métodos incluyen

principalmente: comparación con fugas estándar, medida del aumento de presión en un volumen bien

definido o comparación con caudalímetros. Se han planteado varios métodos de calibración de fugas, por un

lado, el basado en el aumento de presión producido por la fuga a calibrar en un volumen bien definido (ver

Figura 30), y, por otro, conectando en paralelo una fuga (ver Figura 31), denominada comúnmente de tipo

capilar, al generador de flujo. En ambos casos se debe utilizar un espectrómetro de masas.

La temperatura juega un papel fundamental en la calibración de fugas, por lo que se debe tener muy en

cuenta. Se debe evaluar la posibilidad de utilizar un baño a una temperatura constante o un sistema de

control que permita caracterizar con la mayor precisión posible su variación.

Se han realizado los primeros esquemas de configuración de calibración de fugas, aunque el desarrollo

experimental no se ha llevado a cabo debido a la falta de presupuesto, estando a la espera de tomar una

decisión final.



Figura 30: Conexión de la fuga a calibrar a la cámara inferior del SED.



Figura 31: Conexión de la fuga a calibrar en el flow‐meter.

Tarea 2.5. Implementación del sistema de calibración de fugas y presiones parciales. Realización de

ensayos. Realización de procedimientos e inclusión en el Sistema de calidad del CEM.

El CEM junto con otros laboratorios nacionales de metrología participa en el proyecto europeo EMRP IND 12

“Vacuum metrology for production environments” (Metrología de vacío para ambientes de producción).

Dicho proyecto se estructura en diferentes líneas de investigación: medida de presiones dinámicas en la

región de vacío; fugas; medida de presiones parciales y tasa de desgasificación, siendo en la medida de

presiones parciales donde está involucrado el laboratorio de presión del CEM.

En muchas aplicaciones de vacío, conocer las presiones parciales de ciertas especies de gases, es más

importante que la determinación de la presión total. Los espectrómetros de masas se utilizan hoy en día, no

sólo para la detección de fugas y el análisis de gas residual en sistemas de vacío, sino también como un

instrumento para proporcionar un análisis cuantitativo de distintos procesos, como la deposición de vapor

física y química, los procesos de grabado, etc.



El desarrollo de un método de calibración de espectrómetros de masas cuadrupolares (QMS); el estudio de

los parámetros operacionales de influencia; la determinación de las características metrológicas y el estudio

de la estabilidad en el tiempo de los QMS, son los objetivos del proyecto para la medida de las presiones

parciales.

La Norma ISO 14291 [7] define las principales características y tipos de medidores de presión parcial,

conocidos comúnmente como analizadores de presión parcial (PPA) o analizadores de gases residuales (RGA).

Su principio operativo consiste en someter a los iones existentes en un volumen a un campo

electromagnético de manera que sigan diferentes trayectorias de acuerdo a sus diferentes relaciones masa‐

carga (m/e). Para separar los diferentes iones y poder detectarlos se utiliza un filtro de masas, siendo el más

común el de tipo cuadrupolar. Desde un punto de vista práctico, el funcionamiento de un analizador de gases

cuadrupolar QMS consiste en ionizar las partículas del gas, separarlas y por último detectarlas. La Figura 32

muestra el esquema típico de un medidor de presiones parciales de masa cuadrupolar del tipo Faraday.

Figura 32: Esquema típico de un analizador de gases cuadrupolar

La Tabla 12 muestra los resultados obtenidos para la relación de presiones expresada como función de la

presión en la cámara superior, pup como R = R0(1+λpup) para diferentes gases y para una mezcla de dichos

gases con una composición del 33,14 % de Argón, el 33,88 % de Nitrógeno y el 32,98 % de Helio.

La proporción de los distintos gases se ha calculado utilizando la ecuación del Virial.

Tabla 12: Relación de presión entre la cámara superior e inferior



λ(R0) Pa‐1

U (R) k = 2

W(R) Gas

R0

k = 2 He 57,884 ‐0,187 1,2 0,020 N2 85,937 ‐0,098 1,4 0,017 Ar 90,769 ‐0,093 1,4 0,015 CO2 92,297 ‐0,129 1,3 0,015

Mezcla 78,197 ‐0,126 1,3 0,017

La mezcla de gases de Ar, N2 y He, ha sido preparada en el Laboratorio de Gases del CEM. El procedimiento

de llenado ha sido el siguiente:

Inicialmente se hizo vacío en la botella (ver Figura 33). En un segundo paso, se llenó la botella con diferentes

gases. Para ello utilizando la ecuación del Virial, se calculó la proporción de cada uno de los gases en función

de su presión parcial (ver Figura 34,Figura 35 y Figura 36). Una vez llenada la botella con los diferentes gases,

se pone en rotación durante 18 horas para homogeneizar la mezcla (ver Figura 37).

Figura 33. Sistema de vacío del Laboratorio de Gases del CEM



Figura 34. Llenado de la botella con Argón

Figura 35. Llenado de la botella con Helio



Figura 36. Llenado de la botella con Nitrógeno

Figura 37. Rotación de botella con la mezcla

La Tabla 13 muestra los resultados obtenidos para la conductancia del orificio de separación de ambas

cámaras C para diferentes gases y para la misma mezcla de gases utilizada en el cálculo de la R.



Tabla 13: Conductancia del orificio del SED para diferentes gases

Gas C U (C)

k = 2 (L/s)

He 24,041 0,024

N2 9,0875 0,006 2

Ar 7,6099 0,005 2

7,250 2 0,005 0 CO2

Mezcla 13,580 0,012

En este caso, los resultados indican que la conductancia del orificio C disminuye a medida que aumenta el

peso molecular de las especies.

1. PROCEDIMIENTO PARA LA CALIBRACIÓN DE ESPECTRÓMETROS DE MASA CUADRUPOLAR

Dentro del programa europeo “European Metrology Research Programme”, EMRP, el laboratorio de presión

del CEM participa en el proyecto “Vacuum metrology for production environments. JRP14i” mediante la

aportación de resultados de las tareas “Study of stability over time of QMS sensitivity and other properties” y

“Study of the influence of operational parameters of QMS on the sensitivity and cracking patterns for

different gasses”.

Los medidores de presión parcial (PPA) o más concretamente, los espectrómetros de masas de tipo

cuadrupolar (QMS), son dispositivos muy complejos cuyo rendimiento depende, en gran medida, de su

diseño, de los distintos parámetros operacionales de que dispone y de sus condiciones de uso, que incluyen

las especies y las presiones parciales de los distintos gases presentes en el sistema. Por este motivo es

esencial conocer y cuantificar como la modificación de estos parámetros puede afectar a la medida y a su

incertidumbre. Un QMS bien diseñado, ajustado y calibrado adecuadamente y operando en ambientes

cuidadosamente controlados, puede medir con incertidumbres del orden del 10 % al 20 % en el mejor de los

casos.



La calibración de un analizador de gas residual (RGA) implica el uso de instalaciones y de patrones durante un

largo periodo de tiempo, con el consiguiente gasto económico que ello supone. Sin embargo, sí es plausible

calibrar un RGA en un corto periodo de tiempo si se fijan a priori los distintos parámetros operaciones de que

dispone. Otro factor importante a tener en cuenta es la elección del gas o los gases, para los que se quiere

calibrar.

Para determinar un procedimiento óptimo de calibración se han llevado a cabo los siguientes estudios:

• Influencia de los parámetros operacionales sobre QMS

• Estudio de la estabilidad en el tiempo de QMS

• Comportamiento de QMS frente a gases puros y frente a mezclas de gases

Para la realización de estos estudios se ha utilizado un espectrómetro de masas de tipo cuadrupolar de la

marca HIDEN ANALYTICAL con detector tipo Faraday. La Tabla 14 muestra los valores máximo, mínimo y los

prefijados por el fabricante característicos del QMS utilizado para esta investigación.

Tabla 14: Espectrómetro de masas de tipo cuadrupolar. HIDEN ANALYTICAL mod: HALO 100 Nombre Valor posible Defecto Unidad

Detector multiplier 0 2000 0 V Filtro focus ‐2000 0 ‐90 V

delta‐m ‐100 100 0 % Cuadrupolo

Resolution ‐100 100 0 % Cage 0 10 3 V

Electron‐energy 4 150 70 V Fuente emission 20 5000 1000 μA mass 0,4 100 5,5 uma

Otros Mode‐change‐delay 0 2147483647 1000 ms

1.1 Influencia de los parámetros operacionales sobre un QMS

Algunos parámetros de funcionamiento de los espectrómetros de masas de tipo cuadrupolar QMS pueden

ser ajustados por el usuario. La modificación de estos parámetros puede influir en los valores calibrados del



instrumento, pudiendo necesitar en tal caso, una recalibración. Los parámetros más comunes que pueden

ser modificados por el usuario son:

• Corriente de emisión de los electrones

• Energía de los electrones en el ionizador

• Resolución

Y las principales propiedades sobre las que se puede influir son:

• Sensibilidad

• Linealidad

1.1.1 Corriente de emisión de los electrones

La corriente de emisión de los electrones en la fuente de iones es uno de los parámetros que puede ser

modificado por el usuario. Lo normal es que la sensibilidad de un QMS, para un gas dado, sea proporcional a

la corriente de emisión de los electrones. Sin embargo, la densidad de iones producidos a una presión del gas

determinada, depende de dicha corriente con lo que se puede afectar a la linealidad del instrumento.

La mayoría de los fabricantes de QMS venden sus equipos con un software propio que permite la utilización,

de una manera relativamente sencilla, de estos instrumentos. La corriente de emisión de los electrones más

óptima para cada tipo de QMS viene prefijada por defecto. Este valor se denomina como corriente nominal

de emisión de los electrones Ie,n.

Para evaluar la linealidad de un QMS o lo que es lo mismo, la sensibilidad del instrumento como función de la

presión del gas, se han realizado diferentes medidas en las siguientes condiciones:

• Gases: N2, Ar

• Tipo de detector: Faraday

• Rango de presiones: desde 1x10−6 Pa a 1x10−2 Pa

• Corriente de emisión de los electrones:

• Corriente de emisión nominal, Ie,n

• 20 % de Ie,n

• 5 % de Ie,n

A continuación se muestran algunos resultados obtenidos.



Gas Nitrógeno

La Tabla 15 muestra los resultados obtenidos para la sensibilidad del N2 frente a la presión para distintas

corrientes de emisión de los electrones. Se ha calculado la sensibilidad tanto del nitrógeno atómico como

molecular.

Tabla 15: Sensibilidad vs Presión para distintas corrientes de emisión de los electrones

Corriente de emisión 1x10−3A Corriente de emisión 2x10−4A Corriente de emisión 5x10−5A

Presión Sensibilidad Presión Sensibilidad Presión Sensibilidad

uma 14 uma 28 uma 14 uma 28 uma 14 uma 28

Pa S (A/Pa) S (A/Pa) Pa S (A/Pa) S (A/Pa) Pa S (A/Pa) S (A/Pa)

2,95 x 10‐6 3,17 x10‐8 7,17 x 10‐7 3,09 x 10‐6 5,99 x 10‐9 1,51 x 10‐7 1,92 x 10‐6 2,26 x10‐10 7,09 x 10‐9

6,62 x 10‐6 2,34 x10‐8 4,94 x 10‐7 5,74 x 10‐6 6,76 x 10‐9 1,58 x 10‐7 6,59 x 10‐6 3,62 x 10‐10 4,18 x 10‐9

8,94 x 10‐6 2,16 x10‐8 4,49 x 10‐7 8,51 x 10‐6 5,41 x 10‐9 1,37 x 10‐7 1,04 x 10‐5 2,46 x 10‐10 3,86 x 10‐9

3,33 x 10‐5 1,96 x10‐8 3,96 x 10‐7 2,78 x 10‐5 2,32 x 10‐9 4,56 x 10‐8 2,76 x 10‐5 2,85 x 10‐10 3,45 x 10‐9

6,56 x 10‐5 1,90 x 10‐8 3,81 x 10‐7 6,08 x 10‐5 2,22 x 10‐9 4,28 x 10‐8 5,87 x 10‐5 3,07 x 10‐10 3,44 x 10‐9

9,65 x 10‐5 2,02 x10‐8 3,74 x 10‐7 9,06 x 10‐5 2,27 x 10‐9 4,28 x 10‐8 9,26 x 10‐5 3,16 x 10‐10 3,41 x 10‐9

3,04 x 10‐4 1,65 x 10‐8 3,14 x 10‐7 2,81 x 10‐4 4,04 x 10‐9 9,87 x 10‐8 3,04 x 10‐4 3,00 x 10‐10 3,37 x 10‐9

6,28 x 10‐4 2,13 x 10‐8 3,71 x 10‐7 5,91 x 10‐4 4,27 x 10‐9 9,18 x 10‐8 5,96 x 10‐4 3,08 x 10‐10 3,29 x 10‐9

9,46 x 10‐4 2,29 x10‐8 3,74 x 10‐7 8,99 x 10‐4 4,05 x 10‐9 8,06 x 10‐8 9,06 x 10‐4 3,09 x 10‐10 3,18 x 10‐9

9,34 x 10‐4 2,66 x 10‐8 4,29 x 10‐7 9,97 x 10‐4 3,87 x 10‐9 7,75 x 10‐8 1,01 x 10‐3 3,20 x 10‐10 3,20 x 10‐9

2,00 x 10‐3 2,82 x10‐8 4,75 x 10‐7 1,98 x 10‐3 3,44 x 10‐9 6,55 x 10‐8 2,08 x 10‐3 3,06 x 10‐10 2,96 x 10‐9

4,04 x 10‐3 3,19 x10‐8 5,06 x 10‐7 4,12 x 10‐3 2,84 x 10‐9 4,59 x 10‐8 4,03 x 10‐3 2,97 x 10‐10 2,80 x 10‐9

6,34 x 10‐3 2,67 x 0‐8 3,97 x 10‐7 6,28 x 10‐3 2,38 x 10‐9 3,39 x 10‐8 6,27 x 10‐3 2,95 x 10‐10 2,71 x 10‐9

8,41 x 10‐3 2,26 x10‐8 3,19 x 10‐7 8,22 x 10‐3 2,14 x 10‐9 2,65 x 10‐8 8,15 x 10‐3 2,89 x 10‐10 2,58 x 10‐9

1,12 x 10‐2 1,87 x10‐8 2,49 x 10‐7 1,09 x 10‐2 1,96 x 10‐9 2,21 x 10‐8 1,08 x 10‐2 2,95 x 10‐10 2,46 x 10‐9

La Figura 38, la Figura 39 y la Figura 40 muestran los resultados obtenidos para la sensibilidad del N2 frente a

la presión para distintas corrientes de emisión de los electrones. Se ha calculado la sensibilidad tanto del

nitrógeno atómico como molecular.



Figura 38: Sensibilidad vs presión para diferentes intensidades de emisión. Gas N2.

Figura 39: Sensibilidad vs presión ara diferentes intensidades de emisión. Gas N2, uma 28.



Figura 40: Sensibilidad vs presión para diferentes intensidades de emisión. Gas N2, uma 14.

1.1.2 Energía de los electrones en el ionizador

La energía de los electrones en el ionizador es la energía proporcionada por el voltaje entre el cátodo y el

ánodo Vc. Tiene una gran influencia sobre la probabilidad de ionización y sobre la fragmentación de patrones

de las moléculas del gas.

En este caso se ha evaluado la sensibilidad del QMS como función de Vc para el pico principal del espectro,

con estos condicionantes:

• Gases: N2, Ar


• Rango de presiones: desde 5 x 10−4 Pa

• Corriente de emisión de los electrones: Ie = 200 μA

• Energia de los electrones:



• Nominal, Vc,n

• 0,8 x Vc,n

• 1,2 x Vc,n

A continuación se muestran algunos resultados obtenidos

Gas Nitrógeno

La Figura 41 muestra los resultados obtenidos para la sensibilidad del N2 frente a la energía de los electrones

para una corriente de emisión de los electrones de 0,2 mA. Se ha calculado la sensibilidad tanto del nitrógeno

atómico como molecular.

Figura 41: Sensibilidad vs Vc para una corriente de emisión de los electrones de 0,2 mA. Gas N2.

Gas Argón



La Figura 42 muestra los resultados obtenidos para la sensibilidad del N2 frente a la energía de los electrones

para una corriente de emisión de los electrones de 0,2 mA. Se ha calculado la sensibilidad tanto del nitrógeno

atómico como molecular.

Figura 42: Sensibilidad vs Vc para una corriente de emisión de los electrones de 0,2 mA. Gas Ar.

1.1.3 Resolución o ancho de pico

Los ajustes sobre la resolución o ancho de pico pueden tener una influencia significativa sobre la probabilidad

de transmisión a través del filtro de tipo cuadrupolar. Diferentes probabilidades de transmisión pueden

afectar a la sensibilidad y a la fragmentación de los diferentes iones.

Inicialmente, la resolución del QMS se ha fijado en tres valores distintos para el pico principal del Ar:

• Δm = 0,8

• Δm = 1,0

• Δm = 1,2



una vez fijada esa resolución para el pico del Ar, se ha medido la resolución para los diferentes picos de los

diferentes gases .

De nuevo, se ha evaluado la sensibilidad del QMS para el pico principal a tres resoluciones diferentes bajo

estas condiciones:

• Gases: CO2, He


• Rango de presiones: desde 5 x 10−4 Pa

• Corriente de emisión de los electrones: Ie = 200 μA

A continuación se muestran algunos resultados obtenidos.

Gas CO2

La Figura 43 muestra los resultados obtenidos para la sensibilidad del CO2 frente a la resolución para una

corriente de emisión de los electrones de 200 μA.

Figura 43: Sensibilidad vs resolución para una intensidad de emisión de 200 μA. Gas CO2, uma 44.



Gas He

La Figura 44 muestra los resultados obtenidos para la sensibilidad del He frente a la resolución para una

corriente de emisión de los electrones de 200 μA.

Figura 44: Sensibilidad vs resolución para una intensidad de emisión de 200 μA. Gas He, uma 4.

1.2 Estudio de la estabilidad en el tiempo de QMS

Con objeto de tener un mayor conocimiento sobre el método de calibración y sobre los factores que afectan

a las características metrológicas de los analizadores de gases residuales, se ha llevado a cabo un estudio

sobre la estabilidad en el tiempo de un QMS a partir de la evaluación de los siguientes parámetros:

• Posición del pico de intensidad

• Resolución o ancho de pico



• Sensibilidad

• La presión parcial mínima detectable (MDPP)

Aunque inicialmente estaba previsto repetir las medidas un total de ocho veces, al final, debido a que el

filamento utilizado se fundió, se repitieron un total de siete veces con un intervalo de tiempo entre medidas

de tres meses. El espectrómetro utilizado dispone de dos filamentos, con lo que se podrían haber realizado

más mediciones, pero se perdería el histórico con lo que las nuevas mediciones no podrían compararse con

las realizadas. Los gases utilizados para este estudio han sido el He y el N2.

La medida de la sensibilidad del QMS se ha realizado a tres presiones nominales de calibración 5 x 10‐6 Pa,

5 x 10‐5 Pa y 5 x 10‐4 Pa. Estos valores han sido seleccionados teniendo en cuenta que la presión más alta se

sitúa dentro del rango lineal de estos instrumentos y que a la presión más baja el ruido de la medida de la

corriente de emisión del pico principal para un detector tipo Faraday es muy bajo.

1.2.1 Procedimiento de medida

Previo a la realización de las medidas se debe conectar el QMS y dejar midiendo, al menos durante doce

horas, con la corriente de emisión seleccionada para el estudio. De este modo se garantiza el tiempo de

calentamiento (warm up) necesario que necesita la fuente de iones. Una vez calentado el equipo, se procedió

de la siguiente manera:

1. Para obtener el nivel de ruido de las medidas y poder determinar la presión parcial mínima

detectable (MDPP), se realizó un scan continuo de cien medidas con la corriente del ión prefijada al valor m/e

= 5. El tiempo de integración (dwell) se fijó en 1 lectura/s. La MDPP o nivel de ruido se puede determinar a

partir de la desviación estándar de las cien medidas sucesivas realizadas.

2. Se obtuvo el espectro del gas residual a la presión de base del sistema. Para ello se realizaron

dos medidas sobre el rango de masas m/e desde 1 hasta 50. La velocidad de scan se fijó en 1s/uma.

3. En función del gas utilizado se fijó el rango de scan según la Tabla 16.



Tabla 16: Rango de scan

He N2

m/e 1 ‐ 6 10 ‐ 30

4. Se determinó la señal de cero. Para ello se registró un scan a la presión de base. La presión en

la cámara se registró mediante un medidor de ionización.

5. Se fijó la presión de calibración en la cámara del SED mediante un medidor de ionización.

1.2.1.1 Medida del ruido y espectro residual

El nivel de ruido de las medidas determina la presión parcial mínima detectable de nuestro QMS. La Figura 45

muestra los resultados obtenidos para una presión en la cámara del SED de 1,34 x 10‐7 Pa. La desviación típica

para las cien medidas con la corriente del ión prefijada al valor m/e = 5 fue de 1,18 x 10‐15.

El espectro del gas residual a la presión de base del sistema, 1; 33 x 10‐7 Pa se muestra en la Figura 46 . El pico

más alto se corresponde con la presión del vapor de agua presente en la cámara.

Figura 45: Medida del ruido inicial en la cámara del SED a la presión 1; 34 x 10‐7 Pa



Figura 46: Espectro residual en la cámara del SED a la presión 1; 34 x 10‐7 Pa

1.2.1.2 Posición del pico

La Figura 47 muestran la variación de la posición del pico m(i) ‐ m(1) del He (uma 4) y los picos del N2 (uma 14

y uma 28) a lo largo del estudio respecto a la posición del pico inicial m(1) medidos a una presión de

5 x 10‐5 Pa.



Figura 47: Posición del pico del He y del N2 a la presión 5,0 x 10‐5 Pa

1.2.1.3 Resolución o ancho de pico

La Figura 48 muestra la variación de la resolución o ancho de pico medido al 50% de la intensidad del pico de

He (uma 4) y de los picos del N2 (uma 14 y uma 28) a lo largo del estudio respecto a la resolución inicial m(1)

medidos a una presión de 5 x 10‐5 Pa.



Figura 48: Variación de la resolución del He y del N2 al 50% de la altura del pico principal

1.2.1.4 Sensibilidad del N2

La Figura 49 muestran la variación de la sensibilidad del pico del N2 (uma 28) a lo largo del estudio respecto a

la sensibilidad inicial S(1) medida a tres valores diferentes de presión parcial 5,0 x 10‐6 Pa, 5,0 x 10‐5 Pa y

5,0 x 10‐4 Pa.



Figura 49: Sensibilidad relativa del N2 uma 28 a diferente presión parcial

1.2.1.5 Sensibilidad del He

Debido a que el Helio es un gas extremadamente ligero, la desgasificación del tubo de conexión entre la

cámara de calibración del SED y el flow‐meter condiciona la presión parcial mínima de He que se puede

detectar en el sistema. Por este motivo se ha obtenido la sensibilidad del pico del He para las presiones

parciales de 5,0 x 10‐5 Pa y 5,0 x 10‐4 Pa.

La Figura 50 muestran la variación de la sensibilidad del pico del He a lo largo del estudio respecto a su

sensibilidad inicial S(1) medida a dos valores diferentes de presión parcial.



Figura 50: Sensibilidad relativa del He a diferente presión parcial

2. CALIBRACIÓN DEL ESPECTRÓMETRO DE MASA CUADRUPOLAR HIDEN ANALYTICAL mod: HALO 100

La calibración de QMS con el SED se realiza en la cámara inferior (ver Figura 51) por ser dónde se alcanzan

valores de presión más bajos. Se ha comprobado la homogeneidad de la presión mediante la utilización de

tres medidores de ionización colocados en distintas posiciones.



Figura 51: Sistema de expansión estática y QMS montados en la cámara inferior

Un aspecto importante es la configuración del QMS, ya que tiene una influencia significativa en la señal

medida y en su incertidumbre.

Con el fin de caracterizar varios valores de relación de masas se utilizan tres tipos diferentes de gases, en

nuestro caso He, N2 y Ar. Además, se han comparado los valores obtenidos en la calibración con gases puros

con los obtenidos cuando se utilizan una mezcla de dichos gases con una composición aproximada del 33%

de cada uno de ellos, preparada según [8]. El rango de calibración establecido fue desde 5 x 10‐5 Pa a

1 x 10‐3 Pa.

En el caso de mezclas de gases, el flujo de entrada se calculó utilizando (12) obtenido a partir de la ley de

Dalton de las presiones parciales [9], donde [gas] se refiere a la concentración de cada gas utilizada en la

mezcla para la calibración de QMS.

[gas]tpVQgas Δ

Δ−= (12)

La presión parcial de cada gas se calculó a partir de (13)



gas

gas

gasdown C

Q1R

1p−

= (13)

donde el subíndice “gas” hace referencia al parámetro R y C del gas utilizado (Tabla 12 y Tabla 13).

A continuación se muestran los resultados obtenidos con diferentes medidas de presión parcial del He, N2.y

Ar utilizados de manera independiente (ver Figura 52, Figura 53 y Figura 54).

Figura 52: p(QMS)/p(SED) vs presión para diferentes puntos de calibración. Gas He



Figura 53: p(QMS)/p(SED) vs presión para diferentes puntos de calibración. Gas N2

Figura 54: p(QMS)/p(SED) vs presión para diferentes puntos de calibración. Gas Ar.



La Figura 55 muestra los resultados obtenidos en la calibración con gases puros con los obtenidos cuando se

utilizan una mezcla de dichos gases con una composición aproximada del 33% de cada uno de ellos.

Figura 55: p(QMS)/p(SED) vs presión para diferentes puntos de calibración. Gases puros vs mezcla.

Hasta la fecha se ha realizado una calibración de un QMS utilizando como patrón el sistema de expansión

dinámica del CEM con resultados aceptables.

FASE 3. Realización de comparaciones con otros Institutos Nacionales de Metrología.

Durante el año 2014 se prestó un medidor de presiones parciales de la marca MKS modelo Microvison plus al

Laboratorio de Metrología de Alemania, PTB para la realización de medidas de sensibilidad y resolución. A

fecha de hoy se ha recibido el medidor, estando a la espera de recibir los resultados. En un breve periodo de

tiempo, se espera poder comparar sus resultados con los realizados en nuestro sistema de expansión

dinámica SED del CEM.



FASE 4. Solicitud de las nuevas Capacidades de medida y calibración ante el BIPM.

La realización de esta tarea está pendiente de realizar.

FASE 5. Redefinición del patrón nacional de presión.

Aunque el sistema de expansión estática del CEM entró en funcionamiento a finales del 2010, a lo largo de

este periodo se ha optimizado. De los cinco volúmenes o cámaras de que disponía, dos de 100 L, dos de 1 L y

una de 0,5 L de capacidad nominal, se ha reducido a tres, los dos volúmenes de 100 L más un solo volumen

central que los une. Además se han cambiado las dos válvulas de fuga que unían el sistema central con los

volúmenes de 100 L. La Figura 56, Figura 57 y Figura 58 muestra la evolución del sistema central del SEE.

Figura 56: Primer modelo del sistema central. Tres volúmenes más volumen central.



Figura 57: Segundo modelo del sistema central. Tres volúmenes más volumen central más CDG.

Figura 58:Modelo definitivo.Un solo volumen central.

De igual modo se ha mejorado la distribución de los sensores de temperatura pt100, redistribuyendo su

disposición a lo largo de los volúmenes de 100 L. La Figura 59 muestra la distribución de temperatura antes

de la nueva distribución. La variación entre la temperatura mínima y máxima de los algunos sensores excedía

de 10 C.



Figura 59: Temperaturas del SEE con la distribución antigua de sensores.

La Figura 60 muestra las temperaturas con la nueva distribución de sensores. En este caso, la variación entre

la temperatura mínima y máxima de los sensores se sitúa en torno a 0,70 C



Figura 60: Temperaturas del SEE con la nueva distribución de sensores.

FASE 6. Difusión de resultados.

A continuación se citan la difusión de resultados relacionados directamente con el proyecto ALABPRE

realizado en el laboratorio de presión del CEM:

En el mes de mayo de 2011 se presentaron en Berlín los dos nuevos patrones que han modificado nuestro

esquema de trazabilidad en el “5th CCM international conference on pressure metrology in conjunction with

the 4th international conference IMEKO TC16” Berlin, GERMANY, 2011, May 02‐05.

En el mes de abril de 2012 se presentó en Bled la propuesta de calibración de medidores de presión parcial

mediante la presentación “RGA calibrations using a CEM Dynamic Expansion System” Bled, ESLOVENIA, 2012,

April 10‐13.



En el mes de junio de 2013, coincidiendo con el 5º Congreso español de metrología, se presentó en Madrid la

ponencia “Calibración de medidores de presión parcial”, 5º Congreso español de metrología, Madrid 12‐14

Junio 2013.

En el mes de junio de 2014 se publica en la revista Española de Metrología e‐medida nº 6, el artículo

“Calibración de medidores de presión parcial mediante un sistema de expansión dinámica”.

5. Conclusiones

Como conclusión más relevante, se puede decir que a lo largo del presente proyecto se ha mejorado la parte

destinada a la medida de vacío del laboratorio de presión del CEM. Se ha mejorado el sistema de expansión

estática, SEE y también el sistema de expansión dinámica, SED.

Por un lado, se ha modificado el SEE, dotándolo ahora de un solo volumen central, sin medidor capacitivo y

con válvulas de fuga nuevas. Además se ha modificado la distribución de los sensores de temperatura pt100

con lo que se mejora la caracterización de la temperatura en los volúmenes de 100 L. Esta nueva disposición

permite que la Capacidad de Medida y Calibración (CMCs) del Laboratorio de Presión del CEM se vea

mejorada en el rango de utilización del SEE, es decir, entre 1 x 10‐4 Pa y 1000 Pa, con lo que se mejora las

CMCs reconocidas hasta la fecha.

Por otro lado, se ha modificado el SED, dotándolo de un nuevo sistema de bombeo y de un nuevo generador

de flujo o “flow‐meter”. De este modo se mejora en la generación de presión y se reduce el tiempo necesario

para la realización de medidas.

Además, se ha desarrollado un método de calibración de espectrómetros de masas con filtro de tipo

cuadrupolar mediante la utilización del sistema de expansión dinámica, SED del laboratorio de vacío del CEM.

Hasta la fecha no existe un laboratorio de calibración nacional que preste estos servicios, con lo que se abre

un camino en el conocimiento y calibración de estos instrumentos.



A continuación se enumeran los resultados y las conclusiones más destacadas que se derivan de este

proyecto:

1. Con el desarrollo del manobarómetro de mercurio por interferometría láser y la mejora y

optimización del sistema de expansión estática, SEE, se ha conseguido tener trazabilidad directa a los

laboratorios de masa y longitud.

2. Se ha conseguido eliminar la dependencia externa en la cadena de trazabilidad que existía con los

laboratorios europeos de metrología y calibración, por lo que se puede afirmar que el laboratorio de presión

y vacío del CEM es autosuficiente.

3. Se ha mejorado en la caracterización dimensional de conjunto pistones – cilindro.

4. Se he mejorado el sistema de expansión estática:

• Sólo dos rutas de generación de presión

• Mejor estabilidad en la medida de la presión

• Mejor distribución de sensores de temperatura pt100

• Rango de medida de entre 1 x 10‐4 Pa y 1000 Pa

• Sin medidor capacitivo en el volumen central

5. Se ha mejorado el sistema de expansión dinámica ampliando su rango de utilización y reduciendo el

tiempo inicial de puesta en funcionamiento, lo que permitirá mejorar las capacidades de medida y calibración

del laboratorio de vacío del CEM publicadas en la base de datos del BIPM (Las capacidades de medida y

calibración (CMCs) de los institutos nacionales de metrología están disponibles a través de la base de datos

del BIPM, que se publica a través de su página web: http://kcdb.bipm.org/appendixC/.

• Se ha modificado su sistema de bombeo lo que permite alcanzar una presión de base menor que se

sitúa en el rango del ultra alto vacío UHV y se ha reducido el tiempo necesario para alcanzar dicha

presión.

• Se han caracterizado los volúmenes parciales del sistema de generación de flujo o flow‐meter

mediante el método de expansión sin acumulación.

• El sistema de generación de flujo permite la utilización de hasta tres tipos de gases de manera

independiente y simultánea, así como la utilización de mezclas de gases.



• El diseño del flow‐meter, con tres rutas de generación de flujo independientes, permite calcular la

presión en el sistema de expansión dinámica de una manera más rápida reduciendo

considerablemente el tiempo de calibración.

6. La cámara inferior del sistema de expansión dinámica es válida para la calibración de medidores de

presión parcial (PPA) siempre que la distribución de la presión sea lo suficientemente homogénea.

7. La conductancia del orificio de separación de las cámaras del sistema de expansión dinámica y la

relación de presión entre cámaras tienen una dependencia directa con la especie de gas. Tanto la

conductancia como la relación de presión se ha caracterizado para los gases He, N2, Ar y CO2, así como para

una mezcla de los tres primeros.

8. La configuración de un espectrómetro con filtro de masas de tipo cuadrupolar, QMS, influye de

manera directa en la señal medida y en su incertidumbre, por lo que previo a su calibración se deben definir

sus parámetros operacionales disponibles

9. La calibración de un analizador de gas residual, RGA implica el uso de instalaciones y de patrones

durante un largo periodo de tiempo, con el consiguiente gasto económico que ello supone. Por este motivo,

es muy importante definir el procedimiento de calibración a seguir en función del uso o utilización que se le

va a dar. Otro factor importante a tener en cuenta es la elección del gas o los gases, para los que se quiere

calibrar.

10. Se considera necesario realizar más mediciones con espectrómetros de masas de diferentes

fabricantes, con el fin de cuantificar la influencia de los distintos parámetros operacionales de un QMS sobre

su sensibilidad para diferentes gases y de las condiciones del entorno, y avanzar en la creación de un método

válido de calibración.

6. Desarrollos futuros

Con el fin de mejorar en el estudio del comportamiento de los medidores de presión parcial las líneas de

investigación futuras podrían ser:

• Las diferencias observadas en el caso del He al comparar los resultados obtenidos en la calibración,

indican que pueda ser mejor la elección de gas puro frente a la mezcla, aunque debido a la ligereza del

gas, sería conveniente realizar más pruebas.



• Se deben realizar más mediciones con espectrómetros de masas de diferentes fabricantes, con el fin

de seguir cuantificando la influencia de los distintos parámetros operacionales de un QMS sobre su

sensibilidad para diferentes gases y de las condiciones del entorno, y seguir avanzando en la creación

de un método válido de calibración.

• Se deben realizar más ensayos con diferentes gases incluso gases inflamables e hidrocarburos con el

fin de corroborar el comportamiento de los espectrómetros de masas frente a este tipo de gases.

A nivel europeo, dentro del proyecto EMRP IND12 se ha trabajado sobre la caracterización de fugas de

diferentes gases y sobre la necesidad de desarrollar métodos de medición de la tasa de desgasificación

mediante la comparación con muestras de referencia. Es en esta tarea, en la que de momento no participa el

CEM, donde el laboratorio de vacío debe seguir creciendo y desarrollándose para seguir estando a la altura

de los institutos nacionales de metrología europeos.

Actualmente existen varios métodos para la calibración de fugas, que dependen del rango del valor de la

fuga, aplicación, clase de gas utilizado e incertidumbre de las medidas. Estos métodos incluyen

principalmente la comparación con fugas estándar, la medida del aumento de presión en un volumen bien

definido o la comparación con caudalímetros. Desde el laboratorio de vacío del Centro Español de Metrología

se han planteado varios métodos de calibración de fugas y se han realizado los primeros esquemas de

configuración. Por un lado el basado en el aumento de presión producido por la fuga a calibrar en un

volumen bien definido, y por otro, la conexión en paralelo de una fuga, denominada comúnmente de tipo

capilar, al generador de flujo. En ambos casos se debe utilizar un espectrómetro de masas. La temperatura

juega un papel fundamental en la calibración de fugas por lo que se debe evaluar la posibilidad de utilizar un

baño a una temperatura constante o un sistema de control que permita caracterizar, con la mayor precisión

posible, su variación.

7. Bibliografía

[1] Proyecto CEM de I+D+i (2011‐2014) nº21 “Ampliación, mejora y diseminación de las capacidades de

medida y calibración del laboratorio de presión del CEM”.



[2] 1er INFORME DE SEGUIMIENTO DEL PROYECTO DE I+D+i “Ampliación, mejora y diseminación de las

capacidades de medida y calibración del laboratorio de presión del CEM”.

[3] 2º INFORME DE SEGUIMIENTO DEL PROYECTO DE I+D+i “Ampliación, mejora y diseminación de las


[4] 3º INFORME DE SEGUIMIENTO DEL PROYECTO DE I+D+i “Ampliación, mejora y diseminación de las


[5] “Volume ratio determination in static expansion systems by means of a spinning rotor gauge” K. Jousten,

P. Röhl, V. Aranda Contreras . Vacuum 52 (1999) 491‐499. Octubre

[6] EMRP IND12. “Vacuum metrology for production environments” http://www.ptb.de/emrp/ind12‐

home.html

[7] ISO 14291:2012 Vacuum gauges. Definitions and specifications for quadrupole mass spectrometers.

[8] ISO 6142:2001 "Preparation of calibration gas mixtures ‐‐ Gravimetric method.

[9] J. Dalton. “A new system of chemical philosophy” Part I. Manchester, 1808.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece al personal del Área de Longitud y del Área de Temperatura (Laboratorio de Gases)

por su colaboración, que ha sido indispensable para la consecución de este proyecto.



8. Anexos

8.1 Incertidumbres sobre la presión generada en la cámara inferior

Debido a que la calibración de medidores de presión parcial (PPA) se debe realizar en la cámara inferior del

sistema de expansión dinámica, SED a continuación se muestra la incertidumbre sobre la presión en la

cámara inferior.

Teniendo en cuenta las contribuciones a la incertidumbre de la relación de presión, el flujo de entrada y la

conductancia del orificio, la incertidumbre expandida en la medición de la presión en la cámara inferior es

0,04 x p para p > 5x10‐6 Pa.

La Tabla 17 muestra un resumen del cálculo de incertidumbres para un determinado valor de la presión en la

cámara inferior.

Tabla 17: Balance de incertidumbres sobre la presión en la cámara inferior para p = 5,71 x 10‐5 Pa.

Magnitud

Xi

Estimación

xiUnidad

Incertidumbre típica

u(xi)

Distribución de

probabilidad

Coeficiente de

sensibilidad

Ci

Contribución a la incertidumbre

ui(y)

R 82,70 Pa/Pa 0,71 Normal ‐7,0 × 10‐7 ‐5,0 × 10‐7

4,239 × 10‐02 Pa L/s 7,8 × 10‐4 Normal 1,4 × 10‐3 1,1 × 10‐6Q

C 9,0875 L/s 3,1 × 10‐3 Normal ‐6,3 × 10‐6 2,0 × 10‐8

u(pdown) 1,2 × 10‐6 Pa

U(pdown) 2,3 × 10‐6 Pa

w(pdown) 2,0 × 10‐2 Pa/Pa

4,1 × 10‐2 Pa/Pa W(pdown)



8.2 Diagrama de Gant

A continuación se muestra el Diagrama de Gant correspondiente al proyecto “Ampliación, mejora y

diseminación de las capacidades de medida y calibración del laboratorio de presión del CEM”. Las marcas

verdes indican que la actividad se ha terminado, las marcas naranjas que se ha iniciado y sin marca indica que

la actividad está pendiente.

Tabla 18: Diagrama de Gant de la FASE 1

Tabla 19: Diagrama de Gant de la FASE 2



Tabla 20: Diagrama de Gant de la FASE 3, FASE 4, FASE 5 y FASE 6.



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