[科普中国]-真空计

简介

真空计（Vacuum Gauge），又名真空表，是测量真空度或气压的仪器。一般是利用不同气压下气体的某种物理效应的变化进行气压的测量。在科研和工业生产中广泛使用。

分类原理介绍按照真空计测量原理所利用的不同的物理机制，可将主要的真空计分为三大类，分别是利用力学性能、利用气体动力学效应和利用带电粒子效应的真空计。

利用力学性能的真空计典型的有波尔登规（Bourdon）和薄膜电容规；利用气体动力学效应的典型真空计有皮拉尼（Pirani）电阻规和热电偶规；利用带电粒子效应的典型真空计有热阴极电离规和冷阴极电离规。

波尔登规如右图所示，细的铜管受气体压力不同会有舒展现象，会带动杠杆和齿轮旋转，使得指针指示在不同刻度上，即可读出相应的气压值。

这种规的测量范围一般在100Pa至1atm。

薄膜电容规如右图所示，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。

这种规的优点是灵敏度很高。缺点是必须在高于环境温度的恒温条件下使用，以消除温度不同对膜片力学性能的影响，使用前一般需要预热数小时。

皮拉尼电阻规也叫做热电阻真空计，它是利用电阻与温度之间关系的原理工作的。

如右图所示，由于不同气压下气体分子热传导能力不同，当给热丝加恒定的电流时，由于气压不同通过气体传导走的热量不同，热丝所保持的温度就不同，这导致热丝电阻大小不同，通过测量热丝电阻大小就可以推算气压大小。

如果配合电桥测量热丝电阻的变化，将有效提高测量的准确度。

这种规的测量范围一般在0.1Pa至1000Pa。

由于不同气体在相同气压时导热性不同，所以这种规需要在不同的使用气体下标定。

热电偶规如右图所示，热电偶规与皮拉尼电阻规基本原理一致，只是它不用测量热丝电阻的变化，而是用热电偶直接测量热比的温度变化。

测量范围一般与在0.1Pa至1000Pa。

与皮拉尼电阻规一样，这种规也需要在不同的使用气体下标定。

热阴极电离规如右图所示，热阴极电离规中，由热阴极即灯丝发射电子，电离真空中的气体分子，产生离子，由收集极收集产生的离子，形成离子电流，通过测量离子电流的大小即可推算出真空中气体分子的密度，进而得到气压大小。

这种规的测量范围一般为1.0E-05Pa至0.1Pa。

经改进后的热阴极电离规，Bayard-Alpert规，可以将测量下限降低至1.0E-09Pa。

由于不同气体在相同气压下的电离率不同，这种规在使用时也需要在不同气体下进行标定。

冷阴极电离规如右图所示，冷阴极电离规也是通过电离气体分子收集离子电流的方法进行气压测量，但与热阴极电离规不同的是，它是利用磁控放电电离气体分子产生离子。

这种规的测量范围一般为1.0E-07Pa至0.1Pa。

与热阴极电离规同样的原因，这种规在使用时需要在不同气体下标定。

量程范围在较高压力时(10～1Pa)利用压力差U型管压力计，麦克劳真空计，薄膜计，弹簧管压力计等1。

在10～10Pa的中间压力范围，利用气体性质(热传导，粘性)的变化而做成的皮氏计、粘性真空计。

在低压力时，使用将气体分子电离而测量的电离真空计。

表1 真空计的适用压力范围

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