全压力测量

1.U型管真空计
    结构最简单的测量压力的仪器，它通常是用玻璃管制成，其工作液体有多种，通常为水银。管的一端与待测压力的真空容器相连，另一端是封死的或开口与大气相通，以U型管两端的液面差来指示真空度。U型管真空计的测量范围为10⁵～10Pa。它是一种绝对真空计。
    (1)开式U型管真空计：将U型管内充入适量的工作液(如水银)，一端开口接大气(即环境大气压p₀)，另一端与被测真空系统相连接(待测压力p)如图1所示。

    其压力计算公式如下
    p = p₀ - ρgh      (1)
式中     p —— 待测压力
         p₀—— 环境大气压力
         h —— 两液面高度差
         ρ—— 工作液密度
         g —— 重力加速度
    (2)闭式U型管真空计：如图2所示，

把管内预先抽至压力为10^-1Pa以下，然后将工作液(如水银)注入管内，其开口端与待测真空系统相连接。当真空系统抽气前，真空系统内的压力等于环境大气压力，则工作液充满封闭端形成最大液面差h₀；当系统抽气到某一瞬间时，两端液面处于液面静压力平衡时，则待测压力值可用下式求得(忽略封闭端内压力对液面的影响)：
         p = ρgh     (2)

2.弹性元件真空计
    利用弹性元件在压差作用下产生弹性变形的原理制成的真空测量仪表称为弹性元件真空表。在结构和外形上与工业用压力表类似，一般用于粗真空(10²～10⁵Pa)的测量。根据变形弹性元件分类，这类真空计通常有弹簧管式、膜盒式和膜片式，其结构如图3所示。

    弹性元件真空表性能稳定，其测量范围一般为10²～10⁵Pa，精度有0.5级、1.5级和2.5级数种。
    在工业生产中有些设备需要既测量正压(高于一个大气压)，也要测量负压(低于一个大气压，即真空状态)，因此制成的弹性元件压力真空表，在同一条表盘刻度上同时刻有正压力和真空度。
    弹性元件真空表的主要特点如下：
    (1)测量结果是气体和蒸气的全压力，并与气体种类、成分及其性质无关；
    (2)测量过程中，仪表的吸气和放气很小，同时仪表内部没有高温部件，不会使油蒸气分解；
    (3)测量精度较高；
    (4)反应速度较快；
    (5)结构牢固，选用适当材料能测量腐蚀性气体；
    (6)是绝对真空计，0.5级以上的表可作为标准表。

3.压缩式真空计
    压缩式真空计是对U型管真空计的重大改进，它是依据理想气体的波义耳定律制成的。由于它首先是由麦克劳提出的，故此种真空计又称为麦克劳真空计(简称麦氏计)。
    压缩式真空计是测量压力低于1Pa实用的绝对真空计，并且从1874年至今仍做为校准其它真空计的主要仪器。
    图4示出一种工作用压缩式真空计。它是用硬质玻璃吹制而成。由测量毛细管3(顶端为封闭端)、比较毛细管4、玻璃泡2、水银贮器1、三通阀7、与被测真空系统相连接的导管6和刻度尺5等组成。

    测量前将压缩式真空计的导管与被测系统相连接，由于系统内压力各处相等，所以玻璃泡和测量毛细管内的压力与待测系统内的压力p相等。测量时用任一种方法将水银面提升，当水银面停在如图5所示的位置时，停止提升，其压力计算公式为:

此式即为压缩式真空计的基本方程式。式中d为测量毛细管的内径。V和d在吹制压缩式真空计时可测得为已知数据，则：

式中    p——待测压力，Pa
        h₁、h₂——为液面差，m
        K——称为真空计常数，Pam^-2
        V——玻璃泡和测量毛细管总容积，m³
    根据测量时选定水银面的基准线位置的不同，有三种刻度方法：
    (1)无定标刻度法：即在测量时，将水银面提升到任意位置固定下来，如图5的位置，分别测出h₁和h₂值，代入基本方程式就可计算出待测的压力值p，这种方法称为无定标刻度法，此法多用于做为标准计校对其它相对真空计时。
    (2)平方刻度法：在测量时，将比较毛细管中水银面提升到与测量毛细管内顶端同一水平线(基准线)上，即此时h₂=0，则基本方程式可写成:
    p = Kh²    (5)
可见压力p与水银面高度差h的平方成正比，所以此法称为平方刻度法。
    (3)直线刻度法：在测量时，将水银面提升到测量毛细管上某一位置(此位置做为基准线)，即h₁=常数，则基本方程式写成：
    p = K·h₁h = K_lineh    (6)
式中K_line为直线刻度真空计常数，Pam^-1。所以p与水银液面高度差h成直线关系，故称为直线刻度法。
    在刻度过程中，h₁可选其等于任意值，选定一个值(一条基准线)就可有一对应的刻度尺，因此，同一台压缩式真空计可同时选定几个h₁值，就可有对应的几个不同的刻度尺。
    可凝蒸气(特别是水)是真空系统中常见的，由于其不符合玻意耳定律，故压缩式真空不能正确反应可凝蒸气的压力。通常在压缩式真空计与被测系统之间安一冷阱，用以捕集可凝性蒸气，此时压缩真空计的指示为永久气体的分压力。
    压缩真空计的特点是：
    (1)刻度与气体种类无关，这是对永久性气体而言。
    (2)测量范围较宽、精度较高。工作用压缩式真空计的测量范围为10²～lO^-3Pa，对其结构尺寸进行改进后可使量程进一步扩大。其测量精度比较高，一般相对误差在lO×10^-2左右。
    (3)不能连续测量。由于每测量一次需升降水银一次，不能连续读数，操作费时。
    (4)水银蒸气对人体有害。

4．热传导真空计
    热传导真空计是根据在低压力下(λ>>d)，气体分子热传导与压力有关的原理制成的。其原理图如图6所示。它是在一玻璃管壳中由边杆支撑一根热丝，热丝通以电流加热，使其温度高于周围气体和管壳的温度，于是在热丝和管壳之间产生热传导。当达到热平衡时，热丝的温度决定于气体热传导，因而也就决定于气体压力。如果预先进行了校准则可用热丝的温度或其相关量来指示气体的压力。
    图6所示规管中热丝热量散失，只有Q_g在低压力与压力有关，而Q_L和Q_r均与压力无关，可简写成
    Q = K₁ + K₂p    (7)
热传导量Q与压力p的关系如图7所示。

    由上式表明，当K₁<2p时，即Q_L + Q_r<g时，总的热量散失Q只与压力p有关，也即Q与Q_g有关。它表明，在一定的加热条件下，可根据低压力下气体分子热传导，即气体分子对热丝的冷却能力作为压力的指示。这就是热传导真空计的基本工作原理。
    热传导真空计规管热丝的温度T₁是压力p的函数(见图7)，即T₁ = f(p)。如果预先测出这个函数关系，便可根据热丝的温度T₁来确定压力p。热丝温度的测量方法，有以下三种；
    (1)利用热丝随温度变化的线膨胀性质；
    (2)利用热电偶直接测量热丝的温度变化；
    (3)利用热丝电阻随温度变化的性质。
    根据第一种测温方法制成的真空计称膨胀式真空计。根据第二种测温方法制成的真空计称热偶真空计。根据第三种测温方法制成的真空计称电阻真空计，在电阻真空计中也有用热敏电阻代替金属热丝的，此种真空计称热敏电阻真空计。其灵敏度较高，但稳定性较差。
    热偶真空计和电阻真空计是目前粗真空和低真空测量中用得最多的两种真空计。
    热传导真空计是相对真空计，常常在标准环境下，用绝对真空计或用校准系统进行校准。
    气体种类的影响：热传导真空计对不同气体的测量结果是不同的，这是由于不同气体分子的导热系数不同引起的。因此，在测量不同气体的压力时，可根据干燥空气(或氮气)刻度的压力读数，再乘以相应的被测气体相对灵敏度，就可得到该气体的实际压力，即
    p_real = S_rp_read
式中    p_read——以干燥空气(或氮气)刻度的压力计读数，Pa
        p_real——被测气体的实际压力，Pa
        S_r——被测气体对空气的相对灵敏度。
    通常以干燥空气(或氮气)的相对灵敏度为1，其它一些常用的气体和蒸气的相对灵敏度如表2所示。

表2 热传导规对一些气体与蒸汽的相对灵敏度

气体或蒸气	S	气体或蒸气	S
空气	1	一氧化碳	0.97
氢	0.67	二氧化碳	0.94
氮	1.12	二氧化硫	0.77
氖	1.31	甲烷	0.61
氩	1.56	乙烯	0.86
氮	2.30	乙炔	0.60

5．热阴极电离真空计

    电子在电场中飞行时从电场获得能量，若与气体分子碰撞，将使气体分子以一定几率发生电离，产生正离子和次级电子。其电离几率与电子能量有关。电子在飞行路途中产生的正离子数，正比于气体密度n,在一定温度下正比于气体的压力p。因此，可根据离子电流的大小指示真空度。这就是电离真空计工作原理。
    由灯丝加热提供电子源的电离真空计称为热阴极电离真空计，其型式繁多，各具不同特点和适用不同的压力测量范围。
    热阴极电离真空计由测量规管(或规头)和电气测量电路(真空计控制单元和指示单元)组成。规管功能是把非电量的气体压力转换成电量——离子电流。热阴极电离真空计规管的基本结构主要包括三个电极：
    (1)提供一定数量电子流I_e的灯丝F(阴极)；
    (2)产生电子加速场并收集电子流的阳极A(亦称电子加速极)；
    (3)收集离子流I，的离子收集极C(相对阴极为负电位)。
    离子流I_i与压力p可用下式表示：
    I_i=KI_ep        (9)
    式中I_e——发射电子流
        K——规管系数，单位为Pa^-1
    在一定压力范围内K为一常数，若保持发射电子流I，为一恒量时，则离子流I_i与压力p呈线性关系
    当压力高到某一值时，K值会随压力p而变化，这就达到了压力线性测量上限p_max，它由电极的几何结构、电极间电位分布以及发射电流大小所决定。
    规管系数K在气体压力p很低时仍可保持为常数，但离子流I_i随压力p降低而减小到一定限度后，将会埋没在电离计工作中不可避免地存在着的其它与压力p无关的本底电流之中，因而达到其压力测量下限p_min。这种本底电流包括X射线光电流等。
    按线性压力范围的不同，热阴极电离真空计主要分三类：
    (1)普通型电离真空计(1×10^-1～lO^-5Pa)；
    (2)超高真空电离真空计(1×10^-1～lO^-8Pa，有的下限为10^-10Pa)；
    (3)高压力电离真空计(10²～10^-3Pa)。
    图8示出DL一2型普通型热阴极电离规结构，其I_e=5mA，K=0．15Pa^-1，线性压力测量范围是l×10^-1～10^-5Pa。

    由于不同气体电离截面不同，所以电离规管系数K与气体种类有关，引入相对灵敏度S，概念，Sr=K／K_N2。
    由于电离真空计是以N₂校准的，若被测气体非为N₂，则电离真空计的读数p_read是被测气体离子流所对应的等效氮压力，非为真实压力p_real。若知道被测气体相对灵敏度S_r时，其真实压力为
    p_real=p_read/S_r        (10)
    表3列出了普通型电离规的S_r值。
                表3 传统型电离规相对灵敏度

    用改变规管电极结构及各电极的电参数，用抗氧化材料制做阴极(如铱丝涂氧化钇)，可提高线性测量上限。制成高压力电离真空计，压力测量上限p_max可达lOOPa以上。图9示出DL一5规电极结构；图10示出DL一8规电极结构。
    栅状阳极受电子轰击产生X射线，离子收集极接收此射线会产生光电子发射，形成与压力无关的光电本底电流I_x。减少I_x就可以降低线性压力测量下限p_min,可采取如下四种措施：
    (1)从电板的几何结构上减少离子收集极被软X射照射的面积，这就是B-A型电离计的设计思想；
    (2)在离子收集极附近，安置一相对于离子收集极为负电位的电极(抑制极)．可以使离子收集极表面发射的光电子被电场折回，以消除本底电流，这种方法称为光电子抑制法，如抑制电离规；
    (3)这是一种在离子收集极电流中扣除本底光电流的方法，称为离子流调制法，如调制B—A电离规；
    (4)本底光电流I_x对应的本底压力指示p_x与规系数K成反比，所以提高规系数K能够降低测量压力下限p_min如弹道规和热阴极磁控管电离规。
        6．冷阴极电离真空计
    是一种相对真空计。它由规管和测量电路两部分组成。图17示出冷阴极电离真空计的示意图。

    冷阴极电离真空计与热阴极电离真空计一样，是利用低压力下气体分子的电离电流与压力有关的特性，用放电电流做为真空度的测量，由电流表CB(做为真空度指示仪表，一般用量程为o～100μA)指示出来。所不同的在于电离源。热阴极电离真空计是由热阴极发射电子，而冷阴极电离真空计是靠冷发射(场致发射、光电发射、气体被宇宙射线电离等)所产生的少量初始自由电子，它们在电场的作用下向阳极运动，但由于正交磁场的存在，也将施力于运动的电子，从而改变电子的运动轨迹。在电、磁场的共同作用下，电子沿螺旋形轨道迂回地飞向阳极(这种运动轨迹实际上是一个在阳极面上具有摆线投影的曲线)，这样就大大延长了电子达到阳极的路程，使碰撞气体分子的机会增多；同时又因阳极是一个中空的环，在其中轴线附近运动的电子还可能穿过阳极环凭原有动能继续前进，而后又被带负电位的阴极排斥而折回，这样飞行中的电子可能在两阴极间往返振荡直到最后被阳极吸收为止，使电子到达阳极的实际路程远大于两极间的几何尺寸，故碰撞几率大大增加。电子碰撞气体分子时，有一部分为电离碰撞，电离后形成的正离子在阴极上打出的二次电子，也受电场和磁场的共同作用而参与这种运动，使电离过程连锁的进行，在很短时间内雪崩式地产生大量的电子和离子，这样就形成了自持气体放电(一般称为潘宁放电)，此放电电流与压力有如下关系：
    I=Kpⁿ        (11)
    式中 I--放电电流
        K——常数
        n——常数，一般在1～2之间，与规管结构有关。
    图17示出的是普通型冷阴极电离真空计，其压力测量范围1～10^-5Pa。冷阴极电离真空计没有与压力无关的本底光电流。限制其下限延伸是其场致发射；测量上限主要受限流电阻及在高压力时，电子与离子复合几率增加等限制。
    延伸下限制成倒置磁控管与磁控管式规管如图18、图19所示，其p_inm=10^-11Pa。

    冷阴极电离真空规，没有热阴极，不怕大气冲击，但其测量误差较大。
7．电容式薄膜真空计

    根据弹性薄膜在压差作用下产生应变而引起电容变化的原理制成的真空计称为电容式薄膜真空计，它由电容式薄膜规管(又称为电容式压力传感器)和测量仪器两部分组成。根据测量电容的不同方法，仪器结构有偏位法和零位法两种。零位法是一种补偿法，具有较高的测量精度。目前在计量部门作为低真空副标准真空计的就是采用零位法结构。

    图20示出了零位法电容式薄膜真空计的结构原理图。它由电容式薄膜规管、测量电桥电路、直流补偿电源、低频振荡器、低频放大器、相敏检波器和指示仪表等组成。

    电容式薄膜规管的中间装着一张金属弹性膜片，在膜片的一侧装有一个固定电极，当膜片两侧的压差为零时，固定电极与膜片形成一个静态电容C₀，它与电容C₁串联后作为测量电桥的一条桥臂，电容C₂、C₃和C₄与C₅的串联电容组成其它三条桥臂。

    金属弹性膜片将薄膜真空规管隔离成两个室，分别为接被测真空系统的测量室和接高真空系统(p_b<10^-3Pa)的参考压力室。在这两个室的连通管道上设置一个高真空阀门7。测量时，先将阀门7打开，用高真空抽气系统将规管内膜片两侧的空间抽至参考压力p_b。同时调节测量电桥电路，使之平衡，即指示仪表指零。然后，关闭阀门7，测量室接通被测真空系统。当被测压力P_l>P_b时，由于规管中的压力差p₁-p_b，膜片发生应变引起电容C₀改变，破坏了测量电桥电路的平衡，指示仪表上亦有相应的指示。调节直流补偿电源电压对电容C₀充电，使其静电力与压差相等，此时，电桥电路重新达到平衡，指示仪表又重新指零。根据补偿电压的大小，就能得出被测压力p₁，故有

    p₁-p_b=KU²          (12)

    式中p₁——被测压力

         p_b——参考压力

         U——补偿电压

         K——规管常数，其值K=Co/d₀,Co和d₀分别为固定电极与膜片在平衡状态下的静态电容和间距。

    当p₁》p₀时，测量结果就是绝对压力，即

    p₁=KU²          (13)

    电容式薄膜真空计测量范围为10^-1～10¹Pa，其规管常数K可通过校准得到。

    近年来，电容式薄膜真空计取得了重大进展，新型的双电容式薄膜真空计的问世，提高了该类真空计的精度，扩展了测量范围，使其测量下限可达10^-3Pa。

    单侧双电容薄膜真空计具有灵敏度高、气体的介电常数不变、压力读数完全不受气体成分影响、反应速度快等特点。如将其规管参考室内加置消气剂并抽至≤10^-5Pa，就可测量≥10^-3pa的绝对压力。

    8．放射性电离真空计

    利用放射性同位素辐射出来的α粒子或α粒子对气体分子的电离作用制成的真空计称为放射性电离真空计，其结构如图21所示。

    放射性电离真空计由放射性电离规管和测量仪器两部分组成。放射性电离规管主要由放射性同位素源B、圆筒形阳极A和离子收集极c组成。测量仪器主要由离子流测量放大器F、输出表G和阳极电源E组成。

    当放射性同位素辐射出来的高能α或β粒子在规管内与气体分子碰撞时，使气体分子电离，在一定压力范围内，电离所产生的离子流与气体压力有如下关系：

    I_i=Sp          (14)

    式中I_i——离子流

    p——被测压力

    S——规管灵敏度，其值与气体种类及规管结构有关，可以通过校准得到。所以，当规管结构确定之后，由离子流的大小就能得知被测压力p。

    这种真空计所使用的放射性同位素的强度较弱，对人体为安全剂量。

    其压力测量范围为0.1～10⁴Pa。它的读数与气体种类有关。

    9．磁悬浮转子真空计

    根据磁悬浮转子转速的衰减与其周围气体分子的外摩擦有关的原理制成的真空测量仪表称为磁悬浮转子真空计。

    由图22可见，除了用于磁悬浮转子的螺旋线圈2外，在真空室下边还设置一敏感线圈5，通过伺服电路控制螺旋线圈2的电流，使转子悬浮在预定高度。在真空室两侧的一对驱动线圈3产生旋转磁场，驱动转子以每秒200～400转的速度自转。虽然转子在给定的垂直位置会自动地趋向磁场最强处(一般在垂直对称轴上)，但若受外界扰动，转子将围绕轴作水平振动。图中紧临真空室下方的阻尼钢针6可使这种振动衰减。

    这种真空计是基于气体分子对自由旋转钢球的减速作用而工作的。当钢球被驱动线圈的磁场从静止加速到每秒400转速之后，停止驱动场，由于气体分子摩擦的积分作用引起钢球自转速度衰减，其转速衰减与气体压力p有着严格的对应关系。

    磁悬浮转子真空计是标准真空计，量程宽(10^-1～10^-5Pa)，用它作互校传递标准时，累积误差小，可靠性重复性好。