直接压力真空计的工作原理是什么？

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显示压力读数且不受气体类型影响的真空计

机械式真空计通过记录气体填充空间中的粒子（分子和原子）通过热速度对表面施加的力来直接测量压力。

波尔登真空计

将弯曲成圆弧状的弯管（称为波尔登管）(3) 的内部连接至要排空的容器（图 3.2）。受外部气压的影响，在排空过程中，管端的偏转程度会变大或变小，并移动与之连接的指针机构 (4) 和 (2)。由于压力读数取决于外部大气压力，若不对环境大气压力的变化进行修正，这种真空计只能精确到大约 10 mbar 的水平。

图 3.2 波尔登真空计的截面图。

连接至法兰的管道
指针
波尔登管
连杆系统

膜片式真空计

膜盒式真空计

最广为人知的膜片式真空计的设计是由一个带有无液式膜盒的气压表构成的测量系统。它包含一个由铜铍合金制成的气密、真空薄壁膜盒。当压力下降时，膜盒的膜片会膨胀。此运动会由连杆系统传输给指针。依据此原理设计的膜盒式真空计可在线性刻度表上指示压力，而不受外部大气压力的影响。

DIAVAC 膜片式真空计

当压力水平低于 50 mbar 时，通常会要求压力读数非常精确。在这种情况下，更适合采用另一种膜片式真空计，也就是 DIAVAC 真空计，其压力测量精度在 1 至 100 mbar 范围内显著更高。该表头的连杆系统 (2) 所在的内腔部分（参见图 3.3）被抽真空至低于 10^-3 mbar 的参考压力。容器采用特种钢制成的瓦楞膜 (4) 密封。只要容器未抽真空，此钢膜就会牢固地压在容器壁 (1) 上。随着真空抽取，被测压力 px 与参考压力之间的差值会减小。隔膜最初只会稍微弯曲，但是，当压力低于 100 mbar 时，弯曲程度会变得更大。DIAVAC 真空计同样是将膜片的挠曲传递到指针 (9)。当测量范围介于 1 至 20 mbar 时，测量精度尤其高，能够得到相当准确的压力读数（约精确至 0.3 mbar）。该仪表对振动的敏感度略高于膜盒真空计。

图 3.3 DIAVAC DV 1000 膜片式真空计的截面图。

基板
连杆系统
连接法兰
膜片
参考压力 pref
夹紧端
镜面板
树脂玻璃板
指针
玻璃瓶
安装板
外壳

膜盒式真空计的压力测量值可精确至 10 mbar（由于采用线性刻度，在刻度尺的低压端精确度较低）。如果只要测量低于 30 mbar 的压力，建议使用 DIAVAC，因为其读数（见上文）更准确。为了达到非常精确的测量精度要求，应使用精密的膜片式真空计。如果需要准确地测量低压，并为此选择了不超过 100 mbar 的量程，则会无法再测量更高压力，因为这些真空计采用了线性刻度。所有机械式真空计在一定程度上都存在对振动敏感的问题。一些轻微的振动，比如由于直接连接到前级泵而产生的振动，一般不会造成有害影响。

应变/压电膜片式真空计

膜片挠曲还可以通过“应变”或电容变化以电气方式进行测量。在过去，将四个应变仪以桥式电路的形式安装到一个金属膜片上，当膜片受到拉伸力发生挠曲时，这些应变仪的电阻就会发生变化。Leybold 莱宝为此类仪器取了一个专门的名称 - MEMBRANOVAC。后来开始采用硅膜片，它的表面上直接带有四个这样的“应变电阻”。四个电阻依然构成了桥式电路，并在两个相对角的点上接入恒定电流，而在另外两个相对角的点上拾取与压力成比例的线性电压信号。图 3.4 描述了这种布置的原理。这种仪器被称为 PIEZOVAC，当前型号为 DI/DU2000，仍被广泛用于多种场合。

图 3.4 压电传感器（基本图）

电容式膜片真空计

通过测量桥式电路组成部分的应变来测量真空度，可实现较高的精度水平，但测量范围有限。一种更先进的方法是通过测量平板电容器的电容变化，来测量膜片挠曲量：电容器的一个电极固定，另一个电极则由膜片构成。当膜片挠曲时，电极之间的距离发生变化，从而使电容器的电容发生变化。图 3.5 描述了这种布置的原理。CEREVAC CTR 系列真空计就采用了这种原理。这种真空计可根据使用的是金属还是陶瓷膜片传感器进行区分。电容膜片式真空计适合的测量范围为从大气压力到 1·10^-4 mbar（低于 10^-4 mbar 时，测量不确定度会急速上升）。为了确保膜片在如此低的压力下产生足够的挠曲，测量不同水平的压力时，要使用厚度不同的膜片。在每种情况下，传感器都能够以 10³ 的精度来测量压力：

1000 - 1 Torr
100 - 10^–1 Torr
10 - 10^–2 Torr
1 - 10^–3 Torr
10–1 - 10^–4 Torr

为了进一步提高准确度，您还可以加热电容元件。采用这种方法时，要对电容元件做严格的隔热处理以防止受环境温度的影响，并由一根小号的加热丝将元件加热到固定温度。这有助于消除环境温度波动引起的任何变化。当您不希望气体在真空计内发生冷凝，导致系统内出现冷点时，也可以使用这种真空计。