真空的測量匯編

1、 真空測量真空測量就是真空度的測量，而真空度是指低于大 氣壓力的氣體稀薄程度。以壓力表示真空度是由于歷史 上沿用下來的，并不十分合理。壓力高意味著真空度低； 反之，壓力低與真空度高相對應。 真空測量包括全壓力測量、分壓力測量和真空計校 準三個部分。用以探測低壓空間稀薄氣體壓力所用的儀 器稱為真空計。這里所謂壓力的測量是指比大氣壓力小 得多的氣體壓力測量。 一、真空測量概念一、真空測量概念 真空技術中遇到的氣體壓力都很低，如有時要測l0-10pa 的壓力，這樣極小的壓力用直接測量單位面積所承受的 力是不可能的。因此，測量真空度的辦法通常是在待測 的氣體中制造一定的物理現(xiàn)象，然后測量這個過程中與

2、氣體壓力有關的某些物理量，再設法間接確定出真實壓 力來。 真空計種類繁多，工作原理各異，除極少數(shù)幾種是 直接測量壓力外，其它幾乎都是間接測量壓力的。 二二. 真空計的分類真空計的分類 按真空度刻度方法分類 ： 絕對真空計：絕對真空計：直接讀取氣體壓力，其壓力響應(刻度) 可通過自身幾何尺寸計算出來或由測力確定。絕對真 空計對所有氣體都是準確的且與氣體種類無關，屬于 絕對真空計的有U型鎊壓力計、壓縮式真空計和熱輻 射真空計等。 相對真空計：由一些氣體壓力有函數(shù)關系的量來確定 壓力，不能通過簡單的計算進刻度，必須進行校準才 能刻度。 按真空計測量原理分類按真空計測量原理分類 分為： 直接測量真空計

3、， 這種真空計直接測量單位面積 上的力。 間接測量真空計 壓力為10-1Pa時，作用在1cm2表 面上力只有10-5N，顯然測量這樣小的力是困難的。但 可根據低壓下與氣體壓力有關的物理量的變化來間接 測量壓力的變化。 三、真空計測量真空度范圍三、真空計測量真空度范圍 四、真空測量特點四、真空測量特點 (1)測量壓力范圍寬，105l0-14Pa。 (2)大部分真空計是間接測量，只有壓力為105l0Pa時，可直 接測單位面積所受的力。但大多數(shù)真空測量的壓力遠比上述為 小，不能直接測量，應利用低壓下氣體的某些特性(如熱傳導、 粘滯性和電離等)進行間接測量。 (3)多采用電測技術，反應迅速，靈敏度高，

4、可實現(xiàn)自動化。 (4)大部分真空計的讀數(shù)與氣體種類和成分有關。所以測量時 要特別注意被測量氣體種類和成分，否則會造成很大誤差。 (5)測量精度不高。 五、真空計選擇原則真空計選擇原則 (1)在要求的壓力區(qū)域內有要求的精度。 (2)被測氣體是否會損傷真空計；真空計可否會給被測氣體狀態(tài) 帶來影響。 (3) 靈敏度與氣體種類有關否。 (4)可否連續(xù)指示、電氣指示以及反應時間長短。 (5)穩(wěn)定性、復現(xiàn)性、可靠性和壽命如何。 (6)還要看真空計的安裝方法、操作性能、保修、管理、市場有 無銷售、購買的難易程度和規(guī)格如何。 六、 常見真空計介紹： 、U型管真空計型管真空計 2、壓縮式真中計麥氏真空計、壓縮式

5、真中計麥氏真空計(10-3Pa) 壓縮式真空計是校準其 他真空計的主要儀器。 由測量毛細管3(頂端為 封閉端)、比較毛細管4、 玻璃泡2、水銀存貯器1、 三通閥7、與被測真空系 統(tǒng)相連接的導管6和刻度 尺5等組成。 測量前將壓縮式真空計的導管與被測系統(tǒng)相連接，由 于系統(tǒng)內壓力各處相等，所以玻璃泡和測量毛細管內 的壓力與待測系統(tǒng)內的壓力p相等。測量時將水銀面 提升，當水銀面停在M-M所示的位置時，這一瞬間將 被測系統(tǒng)與玻璃泡分開，此時，玻璃泡內部壓力與被 測系統(tǒng)內壓力p相等。當繼續(xù)提升水銀時，玻璃泡內 的氣體被壓縮體積開始減小、壓力增高。 2 PghP 211 ()PVPVghP V 1 ()

6、V PghP V 1 V Pgh V P2 2 11 4 d Vh 2 112 () 4 d pgh hh V 、彈性元件真空計、彈性元件真空計 利用彈性元件在壓差作用下產生彈性變形的原理制成的真空 測量儀表稱為彈性元件真空表。在結構和外形上與工業(yè)用壓力表 類似，一般用于粗真空(102105Pa)的測量。根據變形彈性元件 分類，這類真空計通常有彈簧管式、膜盒式和膜片式。 彈性元件真空表的主要特點如下： (1)測量結果是氣體和蒸氣的全壓力，并與氣體種類、成分及其性 質無關； (2)測量過程中，儀表的吸氣和放氣很小，同時儀表內部沒有高溫 部件，不會使油蒸氣分解； (3)測量精度較高； (4)反應速

7、度較快； (5)結構牢固，選用適當材料能測量腐蝕性氣體； (6)是絕對真空計，0.5級以上的表可作為標準表。 、熱傳導真空計熱傳導真空計 熱傳導真空計是根據在低壓力下，氣體分子熱傳導與壓 力有關的原理制成的。它是在一玻璃管殼中由邊桿支撐一根 熱絲，熱絲通以電流加熱，使其溫度高于周圍氣體和管殼的 溫度，于是在熱絲和管殼之間產生熱傳導。當達到熱平衡時， 熱絲的溫度決定于氣體熱傳導，因而也就決定于氣體壓力。 如果預先進行了校準則可用熱絲的溫度或其相關量來指示氣 體的壓力。 在一玻璃管殼中由邊桿支撐一根 熱絲，熱絲通以電流加熱，使其 溫度高于周圍氣體和管殼的溫度， 于是在熱絲和管殼之間產生熱傳 導。當

8、達到熱平衡時，熱絲的溫 度決定于氣體熱傳導，因而也就 決定于氣體壓力。如果預先進行 了校準則可用熱絲的溫度或其相 關量來指示氣體的壓力。 熱傳導與氣體壓強的關系 熱傳導真空計規(guī)管熱絲的溫度T是壓力p的函數(shù)，即T = f(p)。如果 預先測出這個函數(shù)關系，便可根據熱絲的溫度T1來確定壓力p。熱 絲溫度的測量方法，有以下三種： (1)利用熱絲隨溫度變化的線膨脹性質，膨脹式膨脹式真空計 ； (2)利用熱絲電阻隨溫度變化的性質，電阻電阻真空計； (3) 利用熱電偶直接測量熱絲的溫度變化，熱偶熱偶真空計。 在電阻真空計中也有用熱敏電阻代替金屬熱絲的，此種真空計 稱熱敏電阻真空計。其靈敏度較高，但穩(wěn)定性較

9、差。 電阻真空計和熱偶真空計是目前粗真空和低真空測量中用得最 多的兩種真空計。 電阻真空計由規(guī)管和測量線路兩部分組成。其測量范因為10一 10-1Pa。常用的熱絲材料有鎢、鉑和鎳三種。熱絲表而敷一層薄 玻璃、石英或銣等，以防熱絲氧化和腐蝕。實用的電阻真空計測 量線路采用電橋。根據測量熱絲電阻變化的方法不同，可分為三 種模式： 電阻真空計電阻真空計 (1)定電壓法定電壓法：保持電橋兩端電壓不變，觀察失平衡電流與 壓力的關系； (2)定電流法定電流法：保持熱絲電流(或電橋電流) 不變、觀察失平 衡電壓與壓力的關系； (3)定電阻法定電阻法(即定溫度法)：在任何壓力下都用改變電橋電壓 的方法保持電橋

10、處于平衡狀態(tài)。電橋電壓與壓力的關系 即為校準曲線。在此方法中熱絲電阻及其溫度基本為定值。 在以上三種模式中。常用的是定電壓法和定溫度法。 定溫型電阻真空計 定溫型電阻真空計的工作原理是：先在10210-3Pa真空度 時，將電橋調于一定的電壓U0。改變電阻RV使電橋平衡，表 頭指零。當壓力增高時，熱損耗大，熱絲溫度降低，電阻變 小，電橋失去平衡，表頭有指示。此時，增高電橋輸入電壓 至U使電橋再次平衡，則熱絲溫度及電阻恢復原值，可以推算 出，氣體壓強p與電橋電壓的平方差(U2-U02)呈線性關系。即： 22 0 ()pC UU 熱偶真空計熱偶真空計 熱偶真空計是借助于熱電偶直接測量熱絲溫度的變化，

11、 熱電偶產生的熱電勢就用于表征規(guī)管內的壓強。 熱偶真空 計由熱偶規(guī)管和測量線路兩部分組成。熱偶規(guī)管主要出熱絲 和熱電偶組成，熱電偶的熱端與熱絲相連另一端作為冷端 經引線引出管外，接至毫伏表。規(guī)管上端與待測的低真空相 通，COD為由鉑絲制成的加熱燈絲，AO和OB分別為康銅和 鎳鉻絲組成的熱電偶，熱電偶的熱端O與燈絲的中部相焊接， 燈絲通過加熱電流時，熱偶的冷端A、B所處的溫度基本相 同，并由導線從管腳引出，與測量電動勢的毫伏表相聯(lián)，由 測量儀器提供穩(wěn)定的燈絲加熱電流。 DL-2熱偶真空計圖 在燈絲加熱電流保持一定 的條件下，燈絲(即熱電偶 的熱端)的熱平衡溫度取決 于規(guī)管所處的真空度，真空 度越

12、高，規(guī)管內單位體積的 氣體分子數(shù)越少，氣體導熱 性能越差，熱電偶熱端的熱 平衡溫度越高，熱電偶冷熱 兩端的溫度差越大，A、B 兩端的電勢差也就越大，這 樣由熱電偶的溫差電動勢的 大小可間接測出真空度。 、電離真空計、電離真空計 工作原理是：利用某種手段使進人規(guī)管中的部分氣體分子 發(fā)生電離，收集這些離子形成離子流；由于被測氣體分子所產 生的離子流在一定壓強范圍內與氣體的壓力呈現(xiàn)出正比關系。 則通過測量離子流的大小就可以反映出被測氣體的強，電離真 空計就是依此得名的。電離真空計可按電離方式的不同分為三 類。一類是應用最廣、依靠高溫陰極熱電子發(fā)射原理工作的熱 陰極電離真空計；另一類是沒有熱陰極而靠冷

13、發(fā)射(場致發(fā)射) 原理工作的冷陰極電離真空計；三是采用放射性同位素作為電 離源的放射性電離真空汁。 熱陰極電離真空計（熱陰極電離真空計（測量范圍為0.110-Pa） 加速極 陰極 收集極 離子流 Ie mA VAKVKC I+ -7電離真空計圖 熱陰極電離真空計規(guī)管主要包括三個電極：熱陰極電離真空計規(guī)管主要包括三個電極： (1)提供一定數(shù)量電子流Ie的燈絲F(陰極陰極)； (2)產生電子加速場并收集電子流的陽極陽極A(亦稱電子加速極)； (3)收集離子流I的離子收集極收集極C(相對陰極為負電位)。 電離規(guī)的結構如圖所示，陰極燈絲發(fā)出的電子與氣體分子碰 撞使氣體分子電離，電離產生的正離子被收集極

14、收集，形成離子 電流I，此離子流可由外電路的微安表測出。正離子電流與柵極 電流Ie及氣體壓強P成正比，即：I+=KIeP式中K是比例常數(shù)，稱為 電離真空計的靈敏度。通常使Ie保持不變，借助絕對真空計進行 校準，用I+的值指示真空度。當壓強大于0.1Pa時，I+值很大，燈 絲會被燒毀，因此，真空度必須達到0.1Pa以上才可以開啟電離真 空計。 電離真空計中正離子流與氣體壓強的線性關系僅存在于 10-110-5帕壓強范圍內，在較高的壓強下向偏小，而壓強較 低時卻向增大的方向偏離。偏離的原因（本底電流，軟X射 線，碰撞自由程，二次電子）。 B-A型真空計 貝阿德(Bayard)和阿爾珀特(A1Per

15、t)首先提出 No Image 冷陰極電離真空計潘寧規(guī)（0.1-10-4Pa） 冷陰極電離真空計是以冷陰極取代熱陰極作為電離真空計的 電子源，俗稱冷規(guī)，也稱為磁放電真空計。潘寧規(guī)放電的放電 電流I與氣體壓力p的存在如下關系：I = KPn。 分壓力真空計和參與氣體分析質譜計 隨著真空技術的不斷發(fā)展，不但要求準確測量氣體的全壓力， 而且還希望對真空容器內殘余氣體的成分進行分析以了解氣體 的純度，掌握氣體中各種組分氣體所占份額；或者直接測量真 空中混合氣體組分和相應的分壓力值。這就是殘余氣體分析或 分壓力測量技術。 按工作原理分：磁偏轉質譜計，回旋質譜計，飛行時間質譜計， 射頻質譜計，四極質譜計等。 真空質譜計的工作過程： （1）用電子碰撞的方法將氣體電離。 （2）在質量分析器中利用磁偏轉、共振、飛行時間不同等質量分 析技術，將離子按荷質比不同進行分離。 （3）將分離的離子流進行放大，在顯示裝置上依次顯示出每一荷 質比的離子流的強度。 （4）識譜