真空如何測量

真空獲得又稱為抽真空，是指通過機械、物理或化學等手段在特定容器中獲得真空的專門技術。用以產生、改善和維持真空的裝置稱為真空泵。目前使用真空泵獲得真空的技術方法有兩種：傳輸式真空泵和捕獲式真空泵。

根據真空度的不同，又可將真空泵分為：低真空（粗真空）泵、中真空泵、高真空泵、超高真空泵。真空環(huán)境是許多精密設備運轉的前提條件，因此真空獲得技術對于提高設備性能和產品質量具有重要意義。

但是，只聊真空獲得不聊真空測量是不完整的。

在真空技術的應用中，真空獲得和真空測量通常是相互依賴的，需要先通過真空獲得技術達到所需的真空度，然后再通過真空測量技術來確認、驗證及監(jiān)測真空度的穩(wěn)定性和準確性?；仡櫷晟掀凇墩婵杖绾潍@得？》的梗概，本期將為大家介紹真空領域的另一核心內容：真空測量。

01.什么是真空測量

真空測量就是真空度的測量，而真空度是指低于大氣壓力^注釋的氣體稀薄程度的物理量。通常，將用以探測低壓空間稀薄氣體壓力所用的儀器稱為真空計。

注釋：

大氣壓力：通常指一個標準大氣壓，壓強的單位之一。當溫度為0℃（273.15 K）時，在重力加速度為980.655 cm/s2處（即在地球緯度為45°的海平面上），使用水銀的密度為13.5951g/cm3，則760mm高的水銀柱所產生的壓強為1標準大氣壓。

1毫米汞柱（mmHg）和1托(Torr)相近，兩者相差約千萬分之一。

1mmHg =1Torr = 133.3Pa

一個標準大氣壓1atm=101325Pa=760mmHg = 1.01325 bar=760Torr

02.真空計的分類

因工作原理不同，市場上真空測量方法多樣，催生出種類繁多的真空計。將真空計根據不同的測量方法分類，主要分類為以下兩種：

Part.1按真空度刻度方法分類

（1）絕對真空計（1）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型壓力計、壓縮式真空計和熱輻射真空計等。

（2）相對真空計

（2）相對真空計

一些氣體壓力有函數關系的量來確定壓力，不能通過簡單的計算，必須進行校準才能。相對真空計一般由作為傳感器的真空計規(guī)管(或規(guī)頭)和用于控制、指示的測量器組成。讀數與氣體種類有關。相對真空計的種類很多，如熱傳導真空計和電離真空計等。

Part.2按真空計測量原理分類

除極少數幾種真空計是直接測量壓力外，其它多數方法是間接測量的。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象，如加熱、電離、放電等，然后測量這個過程中與氣體壓力有關的某些物理量，如傳熱、離子電流、電容等，再利用測量出的物理量間接轉換成真空壓力值。

將真空計按照測量原理分類，大致可分為以下幾種：

（1）用氣體熱學特征類真空計

通過測量氣體分子在真空中的運動狀態(tài)或動力學效應來推算真空度，典型代表有皮拉尼（Pirani）電阻規(guī)和熱電偶規(guī)。

a）皮拉尼電阻規(guī)

利用熱絲在真空中的熱傳導效應來測量真空度。當真空度發(fā)生變化時，熱絲的熱傳導性能會受到影響，進而導致電阻發(fā)生變化。通過測量電阻的變化，可以推算出真空度的數值。皮拉尼電阻規(guī)具有靈敏度高、測量范圍寬等特點。

b）熱電偶規(guī)

利用熱電效應進行真空度測量的儀器，其核心原理在于熱電偶的溫差電勢與周圍氣體壓力的關系。隨著真空度的變化，熱電偶的溫差電勢也會相應改變，從而提供關于真空度的信息。熱電偶規(guī)具有結構簡單、操作便捷等特點。

（2）利用氣體動力學效用類真空計

通過測量與真空相連的容器表面受到的壓力作用而產生的彈性變形或其他力學性能變化來推算真空度的。典型代表有波爾登規(guī)（Bourdon）和薄膜電容規(guī)。

a）波爾登規(guī)

利用彈性元件（如波紋管）在壓力作用下的變形來測量真空度。當氣體壓力作用在波紋管上時，波紋管會產生變形，這種變形可以通過機械傳動機構轉化為指針的偏轉，從而指示出真空度的大小。

b）電容薄膜真空計

利用薄膜的形變與電容的變化關系來測量真空度。當氣壓發(fā)生變化時，薄膜會相應地產生形變，這種形變會導致電容的改變，進而通過測量電容的變化量來推算出真空度的數值。薄膜電容規(guī)具有結構簡單、響應迅速、測量范圍廣等特點。

如圖所示，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(guī)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。

（3）利用帶電粒子效用類真空計

通過測量氣體分子在電場或磁場中被荷能粒子碰撞電離后產生的離子流或電子流來推算真空度。典型代表有熱陰極電離規(guī)和冷陰極電離規(guī)。

a)熱陰極電離規(guī)

通過加熱陰極使其發(fā)射電子，進而與氣體分子發(fā)生碰撞并電離。電離產生的離子流隨壓力變化，通過測量離子流的變化可以推算出真空中氣體分子的密度，進而得到壓力大小。熱陰極電離規(guī)能夠提供高精度的真空度測量，常用于科研和高精度工業(yè)領域。

b)冷陰極電離規(guī)

同熱陰極一樣，也是利用電離氣體分子收集離子電流的原理，不同的是，冷陰極利用磁控放電電離氣體分子產生離子。在測量過程中無需加熱陰極，因此具有較低的能耗和更高的可靠性。它特別適用于需要長時間連續(xù)工作的場合，如大型科研設備和工業(yè)生產線。其測量精度和穩(wěn)定性也相當出色。

03.真空測量的特點

l測量壓力范圍寬，10⁵～10^-14Pa。

l大部分真空計是間接測量，只有壓力為10⁵～10Pa時，可直接測單位面積所受的力。

l采用電測技術，反應迅速，靈敏度高，可實現自動化。

l大部分真空計的讀數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。

l測量精度不高。

04.選擇真空計的原則

l在要求的壓力區(qū)域內有要求的精度。

l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。

l靈敏度與氣體種類有關否。

l可否連續(xù)指示、電氣指示以及反應時間長短。

l穩(wěn)定性、復現性、可靠性和壽命如何。

l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。

l是否具備耐腐蝕性。特殊的真空介質中，如強酸、鹽堿環(huán)境下，要求真空計具備一定的耐腐蝕性能。

l是否耐高溫。高溫的工藝環(huán)境下，對真空計中的敏感及電子元器件有較高的要求，不能發(fā)生失效、漂移情況的發(fā)生。