[科普中国]-真空测量

真空测量是在低于一个标准大气压时，对气体或蒸气全压的测量。真空计是测量低于一个标准大气压的气体或蒸气压力的仪器。它由测量仪表、连接导线和传感器组成。

测最101325~133.32Pa（760~1Torr）范围的压强可用压差真空计，而低于133Pa（1Torr）的则需利用气体的其他物理特性的真空计来测量。1

真空测量简介及分类真空测量就是真空度的测量，而真空度是指低于大气压力的气体稀薄程度。以压力表示真空度是由于历史上沿用下来的，并不十分合理。压力高意味着真空度低；反之，压力低意味着真空度高。

用以探测低压空间稀薄气体压力所用的仪器称为真空计。本书所述压力的测量是指比大气压力小得多的气体压力测量。

压力是一个力学量，为单位面积所承受的力。大气压力为101325Pa，直接测量这样大的压力是容易的，但在真空技术中，测量这样大的压力是比较少的。真空技术中遇到的气

体压力都很低，如有时要测10-10Pa的压力，这样极小的压力用直接测量单位面积所承受的力是不可能的。因此，测量真空度的办法通常是在气体中造成一定的物理现象，然后测量这个过程中与气体压力有关的某些物理量，再设法间接确定出真实压力来。例如先将被测气体压缩，使其压力增高，测出增高后的压力，再根据压缩比计算出原来的压力值，这就是所谓的压缩式真空计。也可以用一根热丝，测量气体热传导造成的某些结果，如热丝温度、电阻变化等，这就构成热传导真空计。还可以利用电子碰撞气体分子使之电离，用测得的离子流反应压力，这就是电离真空计。

真空计种类繁多、工作原理各异，除极少数几种是直接测量压力外，其他几乎都是间接测量压力的。

被测气体除少数情况外，多为混合气体。上述压力测量是指混合气体全压力测量。在近代真空测量技术中，分压力测量越来越重要。这里所说的分压力测量是指全面地测出混合气体各组成成分的分压力。这样，混合气体的全压力就等于其各组成成分的分压力之和。

现代分压力真空计都属于电离类，即先将气体电离，然后将所得的各成分离子加速，再把离子引进分析器，将离子分开，分别测出各成分离子流强度，便可知气体的成分和数量，分析器有磁的、电的、电磁结合的和其他方式的。有时只需知晓被测系统残余气体成分和相对含量，并不要求测出分压力值，这种仪器称为残余气体分析仪。2

U型管真空计人类最早对于气体压力的测量，是从托里拆利（Torricelli）实验开始的。U型管真空计是使用历史最长、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。

由于U型管一端接至待测真空系统上，另一端开口接通大气或是封闭的，所以分为两种形式。

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（即环境大气压力p0），另一端与被测真空系统相连接（待测压力声），如上图所示。在开始抽气前，U型管两端均为大气压力，两端液面处于同一高度。当真空系统抽气后，随着压力p的降低，两端液面的高度差随之增大，在某一瞬间两端处于液体静压力平衡状态时，有：

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。

可以看出，开式U型管真空计的压力指示与环境大气压力p0有关。如果测量时的环境大气压力已知（要用测压计读出），那么当测出液面差h后就可用上式计算出待测真空系统的压力值p。

闭式U型管真空计

如上图所示，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。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，两端液面处于液面静压力平衡时，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），即：

式中，h为液面高度差。

闭式U型管真空计与开式U型管真空计相比较，使用起来更方便，而且在测量压力时无需从大数值开始，U型管可做得短些。为了防止待测系统内突然进入大气时，封闭端被工作液冲破，可以把U型管转弯处做成狭细的毛细管，用来缓和工作液的移动速度。2

弹性变形真空计弹性变形式真空计是利用弹性元件在压差作用下产生弹性变形的原理制成的。它主要有弹性式真空表和电容式薄膜真空计两类。弹性式真空表只适用于粗真空的测量。

电容式薄膜真空计属于静态变形式真空计，它是利用弹性薄膜在压力差作用下产生变形，从而引起电容变化，通过测量电路检测电容的变化来测量压差。电容式薄膜真空计由电容式薄膜规管（又称电容式压力传感器）和测量仪器两部分组成。根据测量电容方法的不同，仪器结构有偏位法和零位法两种。零位法利用补偿原理，具有较高的测量准确度。

下图为电容式薄膜真空计的工作原理图。它由规管、膜片以及低频振荡器、低频放器、相敏检波器等部分组成。规管中间，装置一张金属弹性膜片，膜片的一边装有一个固定电极。当膜片两边压强差为零时，固定电极与膜片形成一个静态电容C0，它与电容C1串联后（下图），作为测量电桥的一个桥臂。电容C2、C3以及电容C4和C5的串联组成其他三个桥臂。薄膜规管的膜片两边空间在密封之后，又各有一条管道引出。图中膜片左边为测量室，接被测真空系统，右边为参考压强室，接高真空，这两条管道之间用一个高真空阀门连接。

测量时，先将高真空阀门打开，将规管膜片抽至高真空，作为参考压强p0。同时，将测量电桥调平衡，使指示仪表指零。然后关闭阀门，并将被测真空系统与规管的测量室接通。当被测压强p1>p0时，膜片在压强差的作用下产生变形，引起电容的改变，使测量电桥的平衡遭到破坏。调节直流补偿电源对规管的电容进行充电，使它的静电力与压强差引起的应变力相等，使测量电桥电路重新达到平衡。根据补偿电压大小，就能得出被测压强值。

薄膜真空计测量结果为全压强，具有反映时间快，线性好，便于远距离测量，耐大气冲击，耐腐蚀，耐烘烤等特点。但也有受环境温度影响严重，零点漂移大等缺点。

电容薄膜真空计测量范围为10-5~10-1Pa。3

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所