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Technical articles真空获得又称为抽真空,是指通过机械、物理或化学等手段在特定容器中获得真空的专门技术。用以产生、改善和维持真空的装置称为真空泵。目前使用真空泵获得真空的技术方法有两种:传输式真空泵和捕获式真空泵。
根据真空度的不同,又可将真空泵分为:低真空(粗真空)泵、中真空泵、高真空泵、超高真空泵。真空环境是许多精密设备运转的前提条件,因此真空获得技术对于提高设备性能和产品质量具有重要意义。
但是,只聊真空获得不聊真空测量是不完整的。
在真空技术的应用中,真空获得和真空测量通常是相互依赖的,需要先通过真空获得技术达到所需的真空度,然后再通过真空测量技术来确认、验证及监测真空度的稳定性和准确性。回顾完上期《真空如何获得?》的梗概,本期将为大家介绍真空领域的另一核心内容:真空测量。
01.什么是真空测量
真空测量就是真空度的测量,而真空度是指低于大气压力注释的气体稀薄程度的物理量。通常,将用以探测低压空间稀薄气体压力所用的仪器称为真空计。
注释:
大气压力:通常指一个标准大气压,压强的单位之一。当温度为0℃(273.15 K)时,在重力加速度为980.655 cm/s2处(即在地球纬度为45°的海平面上),使用水银的密度为13.5951g/cm3,则760mm高的水银柱所产生的压强为1标准大气压。
1毫米汞柱(mmHg)和1托(Torr)相近,两者相差约千万分之一。
1mmHg =1Torr = 133.3Pa
一个标准大气压1atm=101325Pa=760mmHg = 1.01325 bar=760Torr
02.真空计的分类
因工作原理不同,市场上真空测量方法多样,催生出种类繁多的真空计。将真空计根据不同的测量方法分类,主要分类为以下两种:
Part.1按真空度刻度方法分类
(1)绝对真空计(1)绝对真空计
直接读取气体压力,其压力响应(刻度)可通过自身几何尺寸计算出来或由测力确定。绝对真空计对所有气体都是准确的且与气体种类无关,属于绝对真空计的有U型压力计、压缩式真空计和热辐射真空计等。
(2)相对真空计
(2)相对真空计
一些气体压力有函数关系的量来确定压力,不能通过简单的计算,必须进行校准才能。相对真空计一般由作为传感器的真空计规管(或规头)和用于控制、指示的测量器组成。读数与气体种类有关。相对真空计的种类很多,如热传导真空计和电离真空计等。
Part.2按真空计测量原理分类
除极少数几种真空计是直接测量压力外,其它多数方法是间接测量的。测量真空度的办法通常是在待测的气体中制造一定的物理现象,如加热、电离、放电等,然后测量这个过程中与气体压力有关的某些物理量,如传热、离子电流、电容等,再利用测量出的物理量间接转换成真空压力值。
将真空计按照测量原理分类,大致可分为以下几种:
(1)用气体热学特征类真空计
通过测量气体分子在真空中的运动状态或动力学效应来推算真空度,典型代表有皮拉尼(Pirani)电阻规和热电偶规。
a)皮拉尼电阻规
利用热丝在真空中的热传导效应来测量真空度。当真空度发生变化时,热丝的热传导性能会受到影响,进而导致电阻发生变化。通过测量电阻的变化,可以推算出真空度的数值。皮拉尼电阻规具有灵敏度高、测量范围宽等特点。
b)热电偶规
利用热电效应进行真空度测量的仪器,其核心原理在于热电偶的温差电势与周围气体压力的关系。随着真空度的变化,热电偶的温差电势也会相应改变,从而提供关于真空度的信息。热电偶规具有结构简单、操作便捷等特点。
(2)利用气体动力学效用类真空计
通过测量与真空相连的容器表面受到的压力作用而产生的弹性变形或其他力学性能变化来推算真空度的。典型代表有波尔登规(Bourdon)和薄膜电容规。
a)波尔登规
利用弹性元件(如波纹管)在压力作用下的变形来测量真空度。当气体压力作用在波纹管上时,波纹管会产生变形,这种变形可以通过机械传动机构转化为指针的偏转,从而指示出真空度的大小。
b)电容薄膜真空计
利用薄膜的形变与电容的变化关系来测量真空度。当气压发生变化时,薄膜会相应地产生形变,这种形变会导致电容的改变,进而通过测量电容的变化量来推算出真空度的数值。薄膜电容规具有结构简单、响应迅速、测量范围广等特点。
如图所示,在不同压力下金属膜片受力不同会有不同尺度的变形,使得金属膜片和电极之间的电容变化,通过测量电容的变化量,即可知道金属膜片上气压的变化。这种规的测量范围一般横跨4个量级,比如可能是0.01Pa至100Pa、0.1Pa至1000Pa等。
(3)利用带电粒子效用类真空计
通过测量气体分子在电场或磁场中被荷能粒子碰撞电离后产生的离子流或电子流来推算真空度。典型代表有热阴极电离规和冷阴极电离规。
a)热阴极电离规
通过加热阴极使其发射电子,进而与气体分子发生碰撞并电离。电离产生的离子流随压力变化,通过测量离子流的变化可以推算出真空中气体分子的密度,进而得到压力大小。热阴极电离规能够提供高精度的真空度测量,常用于科研和高精度工业领域。
b)冷阴极电离规
同热阴极一样,也是利用电离气体分子收集离子电流的原理,不同的是,冷阴极利用磁控放电电离气体分子产生离子。在测量过程中无需加热阴极,因此具有较低的能耗和更高的可靠性。它特别适用于需要长时间连续工作的场合,如大型科研设备和工业生产线。其测量精度和稳定性也相当出色。
03.真空测量的特点
l测量压力范围宽,105~10-14Pa。
l大部分真空计是间接测量,只有压力为105~10Pa时,可直接测单位面积所受的力。
l采用电测技术,反应迅速,灵敏度高,可实现自动化。
l大部分真空计的读数与气体种类和成分有关。所以测量时要特别注意被测量气体种类和成分,否则会造成很大误差。
l测量精度不高。
04.选择真空计的原则
l在要求的压力区域内有要求的精度。
l被测气体是否会损伤真空计;真空计可否会给被测气体状态带来影响。
l灵敏度与气体种类有关否。
l可否连续指示、电气指示以及反应时间长短。
l稳定性、复现性、可靠性和寿命如何。
l还要看真空计的安装方法、操作性能、保修、管理、市场有无销售、购买的难易程度和规格如何。
l是否具备耐腐蚀性。特殊的真空介质中,如强酸、盐碱环境下,要求真空计具备一定的耐腐蚀性能。
l是否耐高温。高温的工艺环境下,对真空计中的敏感及电子元器件有较高的要求,不能发生失效、漂移情况的发生。