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    真空計分類及工作原理

    真空計分類及工作原理

    真空計(Vacuum Gauge),又稱規,是測量真空度或氣壓的儀器。一般是利用不同氣壓下氣體的某種物理效應的變化進行氣壓的測量。在科研和工業生產中廣泛使用。按照真空計測量原理所利用的不同的物理機制,可將主要的真空計分為三大類,分別是利用力學性能、利用氣體動力學效應和利用帶電粒子效應的真空計。利用力學性能的真空計典型的有波爾登規(Bourdon)和薄膜電容規;利用氣體動力學效應的典型真空計有皮拉尼(Pirani)電阻規和熱電偶規;利用帶電粒子效應的典型真空計有熱陰極電離規和冷陰極電離規。

    波爾登規(Bourdon)  

    如下圖所示,細的銅管受氣體壓力不同會有舒展現象,會帶動杠桿和齒輪旋轉,使得指針指示在不同刻度上,即可讀出相應的氣壓值。

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    這種規的測量范圍一般在100Pa至1atm。

    如右圖所示,在不同壓力下金屬膜片受力不同會有不同尺度的變形,使得金屬膜片和電極之間的電容變化,通過測量電容的變化量,即可知道金屬膜片上氣壓的變化。這種規的測量范圍一般橫跨4個量級,比如可能是0.01Pa至100Pa、0.1Pa至1000Pa等。

     

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    這種規的優點是靈敏度很高。缺點是必須在高于環境溫度的恒溫條件下使用,以消除溫度不同對膜片力學性能的影響,使用前一般需要預熱數小時。

    由于不同氣壓下氣體分子熱傳導能力不同,當給熱絲加恒定的電流時,由于氣壓不同通過氣體傳導走的熱量不同,熱絲所保持的溫度就不同,這導致熱絲電阻大小不同,通過測量熱絲電阻大小就可以推算氣壓大小。

    如果配合電橋測量熱絲電阻的變化,將有效提高測量的準確度。這種規的測量范圍一般在0.1Pa至1000Pa。由于不同氣體在相同氣壓時導熱性不同,所以這種規需要在不同的使用氣體下標定。

     

    熱電偶規與皮拉尼電阻規基本原理一致,只是它不用測量熱絲電阻的變化,而是用熱電偶直接測量熱比的溫度變化。測量范圍一般與在0.1Pa至1000Pa,與皮拉尼電阻規一樣,這種規也需要在不同的使用氣體下標定

    如下圖所示,熱陰極電離規中,由熱陰極即燈絲發射電子,電離真空中的氣體分子,產生離子,由收集極收集產生的離子,形成離子電流,通過測量離子電流的大小即可推算出真空中氣體分子的密度,進而得到氣壓大小。  

     

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    這種規的測量范圍一般為1.0E-05Pa至0.1Pa。經改進后的熱陰極電離規,Bayard-Alpert規,可以將測量下限降低至1.0E-09Pa。 由于不同氣體在相同氣壓下的電離率不同,這種規在使用時也需要在不同氣體下進行標定。

    冷陰極電離規也是通過電離氣體分子收集離子電流的方法進行氣壓測量,但與熱陰極電離規不同的是,它是利用磁控放電電離氣體分子產生離子。       

    這種規的測量范圍一般為1.0E-07Pa至0.1Pa。與熱陰極電離規同樣的原因,這種規在使用時需要在不同氣體下標定。


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