真空測量

真空測量是在低於一個標準大氣壓時，對氣體或蒸氣全壓的測量。真空計是測量低於一個標準大氣壓的氣體或蒸氣壓力的儀器。它由測量儀表、連線導線和感測器組成。

測最101325~133.32Pa（760~1Torr）範圍的壓強可用壓差真空計，而低於133Pa（1Torr）的則需利用氣體的其他物理特性的真空計來測量。

基本介紹

• 中文名：真空測量
• 外文名：vacuum measurement
• 含義：低於標準大氣壓時對氣體全壓測量
• 分類：液位式、彈性變形、熱傳導、電離

真空測量簡介及分類

真空測量就是真空度的測量，而真空度是指低於大氣壓力的氣體稀薄程度。以壓力表示真空度是由於歷史上沿用下來的，並不十分合理。壓力高意味著真空度低；反之，壓力低意味著真空度高。

用以探測低壓空間稀薄氣體壓力所用的儀器稱為真空計。本書所述壓力的測量是指比大氣壓力小得多的氣體壓力測量。

壓力是一個力學量，為單位面積所承受的力。大氣壓力為101325Pa，直接測量這樣大的壓力是容易的，但在真空技術中，測量這樣大的壓力是比較少的。真空技術中遇到的氣

體壓力都很低，如有時要測10^-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氣體中造成一定的物理現象，然後測量這個過程中與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。例如先將被測氣體壓縮，使其壓力增高，測出增高后的壓力，再根據壓縮比計算出原來的壓力值，這就是所謂的壓縮式真空計。也可以用一根熱絲，測量氣體熱傳導造成的某些結果，如熱絲溫度、電阻變化等，這就構成熱傳導真空計。還可以利用電子碰撞氣體分子使之電離，用測得的離子流反應壓力，這就是電離真空計。

真空計種類繁多、工作原理各異，除極少數幾種是直接測量壓力外，其他幾乎都是間接測量壓力的。

被測氣體除少數情況外，多為混合氣體。上述壓力測量是指混合氣體全壓力測量。在近代真空測量技術中，分壓力測量越來越重要。這裡所說的分壓力測量是指全面地測出混合氣體各組成成分的分壓力。這樣，混合氣體的全壓力就等於其各組成成分的分壓力之和。

現代分壓力真空計都屬於電離類，即先將氣體電離，然後將所得的各成分離子加速，再把離子引進分析器，將離子分開，分別測出各成分離子流強度，便可知氣體的成分和數量，分析器有磁的、電的、電磁結合的和其他方式的。有時只需知曉被測系統殘餘氣體成分和相對含量，並不要求測出分壓力值，這種儀器稱為殘餘氣體分析儀。

U型管真空計

人類最早對於氣體壓力的測量，是從托里拆利（Torricelli）實驗開始的。U型管真空計是使用歷史最長、結構最簡單的測量壓力的儀器，它通常是用玻璃管制成，其工作液體有多種，通常為水銀。管的一端與待測壓力的真空容器相連，另一端是封死的或開口與大氣相通，以U型管兩端的液面差來指示真空度。U型管真空計的測量範圍為10⁵~10Pa，它是一種絕對真空計。

由於U型管一端接至待測真空系統上，另一端開口接通大氣或是封閉的，所以分為兩種形式。

開式U型管真空計

開式U形真空計

將U型管內充入適量的工作液（如水銀），一端開口接大氣（即環境大氣壓力p₀），另一端與被測真空系統相連線（待測壓力聲），如上圖所示。在開始抽氣前，U型管兩端均為大氣壓力，兩端液面處於同一高度。當真空系統抽氣後，隨著壓力p的降低，兩端液面的高度差隨之增大，在某一瞬間兩端處於液體靜壓力平衡狀態時，有：

式中：p-待測壓力；

p₀-環境大氣壓力；

h-兩液面高度差；

ρ-工作液密度；

g-重力加速度。

可以看出，開式U型管真空計的壓力指示與環境大氣壓力p₀有關。如果測量時的環境大氣壓力已知（要用測壓計讀出），那么當測出液面差h後就可用上式計算出待測真空系統的壓力值p。

閉式U型管真空計

閉式U型管真空計

如上圖所示，把管內預先抽至壓力為10^-1Pa以下，然後將工作液（如水銀）注入管內，其開口端與待測真空系統相連線。真空系統抽氣前，真空系統內的壓力等於環境大氣壓力，則工作液充滿封閉端形成最大液面差h₀；當系統抽氣到某一瞬間，兩端液面處於液面靜壓力平衡時，待測壓力值可用下式求得（忽略封閉端內壓力對液面的影響），即：

式中，h為液面高度差。

閉式U型管真空計與開式U型管真空計相比較，使用起來更方便，而且在測量壓力時無需從大數值開始，U型管可做得短些。為了防止待測系統內突然進入大氣時，封閉端被工作液衝破，可以把U型管轉彎處做成狹細的毛細管，用來緩和工作液的移動速度。

彈性變形真空計

彈性變形式真空計是利用彈性元件在壓差作用下產生彈性變形的原理製成的。它主要有彈性式真空表和電容式薄膜真空計兩類。彈性式真空表只適用於粗真空的測量。

電容式薄膜真空計屬於靜態變形式真空計，它是利用彈性薄膜在壓力差作用下產生變形，從而引起電容變化，通過測量電路檢測電容的變化來測量壓差。電容式薄膜真空計由電容式薄膜規管（又稱電容式壓力感測器）和測量儀器兩部分組成。根據測量電容方法的不同，儀器結構有偏位法和零位法兩種。零位法利用補償原理，具有較高的測量準確度。

下圖為電容式薄膜真空計的工作原理圖。它由規管、膜片以及低頻振盪器、低頻放器、相敏檢波器等部分組成。規管中間，裝置一張金屬彈性膜片，膜片的一邊裝有一個固定電極。當膜片兩邊壓強差為零時，固定電極與膜片形成一個靜態電容C₀，它與電容C₁串聯後（下圖），作為測量電橋的一個橋臂。電容C₂、C₃以及電容C₄和C₅的串聯組成其他三個橋臂。薄膜規管的膜片兩邊空間在密封之後，又各有一條管道引出。圖中膜片左邊為測量室，接被測真空系統，右邊為參考壓強室，接高真空，這兩條管道之間用一個高真空閥門連線。

電容式薄膜真空計原理圖

測量時，先將高真空閥門打開，將規管膜片抽至高真空，作為參考壓強p₀。同時，將測量電橋調平衡，使指示儀表指零。然後關閉閥門，並將被測真空系統與規管的測量室接通。當被測壓強p₁>p₀時，膜片在壓強差的作用下產生變形，引起電容的改變，使測量電橋的平衡遭到破壞。調節直流補償電源對規管的電容進行充電，使它的靜電力與壓強差引起的應變力相等，使測量電橋電路重新達到平衡。根據補償電壓大小，就能得出被測壓強值。

薄膜真空計測量結果為全壓強，具有反映時間快，線性好，便於遠距離測量，耐大氣衝擊，耐腐蝕，耐烘烤等特點。但也有受環境溫度影響嚴重，零點漂移大等缺點。

電容薄膜真空計測量範圍為10^-5~10^-1Pa。