第六讲：真空测量(2)
刘玉岱
(东北大学)

二、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:
    (3)
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：
    (4)
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

（未完待续）