间接压力真空计的工作原理是什么？

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压力读数与气体相关的真空计

此类真空计不是直接根据单位面积的受力来测量压力，而是通过与粒子数密度成比例（进而与压力成比例）的其他物理变量来间接地测量压力。压力读数与气体相关的真空计包括：减量真空计、热导率真空计以及多种具有不同设计的电离真空计。

这些仪表由实际传感器（表头、传感器）和操作传感器所需的控制单元构成。压力刻度或数字显示通常是基于氮气压力；如果必须确定一种气体（或蒸气）的真实压力 p_T，必须让显示压力 p_I 乘以该气体的特征系数。这些系数因仪表的类型而异，与压力无关的系数会以表格形式给出（见表 3.2），而与压力有关的系数则必须根据图表确定（见图 3.11）。

表 3.2 转换系数

图 3.11 根据氮气当量读数，各种气体的 THERMOVAC 真空计的校准曲线

一般而言，以下情况适用：
真实压力 p_T = 指示压力 p_I · 修正系数
如果使用“氮气刻度”读取了压力但未进行修正，则该读数为“氮气当量”值。

在所有电子真空计（包括与气体类型有关的真空计）中，随着计算机技术的日益普及，人们开始希望能够直接在屏幕上显示压力，以便能够将其插入到工艺流程图上的合适位置等等。为了尽可能地使用最标准化的计算机接口，制造了所称的变送器（具有标准化电流输出的信号转换器），而不是使用传感器和显示单元（例如 THERMOVAC 变送器、Penning 变送器、IONIVAC 变送器等）。变送器需要外接电源（例如 +24伏），并提供在整个测量范围（4 至 20 mA 或 0 至 10 V）内呈线性的压力相关电流信号。在向计算机提供此信号并由相应软件处理之后，才能给出压力读数，然后直接显示在显示屏上。

热导率真空计

经典物理学指出并已通过试验确认，静态气体的热导率在 p > 1 mbar 的高压状态下与气体无关，但在压力 p < 1 mbar 的较低压力下与压力有关。

在从大约 1 mbar 开始的中等真空范围内，热导率会随压力的升高成比例下降，并在高真空范围内达到零值。热导率真空计就利用了这种压力相关性，使得能够在中等真空范围内精确地测量（取决于气体类型）压力。

在这种测量仪器中，应用非常广泛的是皮拉尼真空计。它有一个半径为 r₁ 的阻丝，可加热至约 212 至 302°F（100 至 150°C）（图 3.10），并通过辐射和热传导将其产生的热量释放到周围的气体中（当然也包括阻丝端的支架）。在粗真空范围内，通过气体对流产生的热传导实际上与压力无关（参见图 3.10）。但是，当压力为几个毫巴时，气体的平均自由程会与阻丝直径具有相同的数量级，这种热传递会变得越来越低，并开始与密度进而与压力的大小有关。当压力低于 10_-3 mbar 时，气体的平均自由程大致相当于测量管半径 r₂。表头中的感测丝会构成惠斯通电桥的一个支路。

3.10 在恒定的温度差下，管内（半径 r2）加热丝（半径 r1）的散热量与气体压力的关系（示意图）。

I 金属端因辐射和传导引起的散热
II 气体散热，与压力有关
III 辐射和对流散热

在恒定电阻的 THERMOVAC 热导率真空计（这是如今常用的一种真空计），感应丝也是惠斯通电桥的一个支路。对施加至此电桥的加热电压进行调节，以使感应丝的电阻保持恒定，进而保持其温度恒定，而无需考虑热损耗。这意味着电桥始终保持平衡。此种调节模式所需时间仅几毫秒，因此与可变电阻式真空计相比，对压力变化的响应非常迅速。施加到电桥的电压为压力的测量值。对测量电压进行电子修正，以确保在整个测量范围内获得近似对数的标度。具有恒定电阻的热导率真空计的测量范围为 10_^-4 至 10¹³ mbar。由于响应时间很短，它们特别适合控制和压力监测应用。在非常灵敏的压力范围内，即 10^-3 ~ 10 mbar 之间，精确度相当于压力读数的 15% 左右。超出此范围时，测量不确定性会明显更高。

就像所有与气体类型有关的真空计一样，热导率真空计的指示仪表和数字显示屏的刻度也适用于氮气和空气。在误差范围内，具有类似分子量的气体（例如 O₂、CO 和其他气体）的压力可以直接读取；图 3.11 显示了一系列气体的校准曲线。

压力测量中真实压力 pT 与指示压力 pI 之间存在差异的一个极端示例就是将让空气通入充氩气以防止水气（抽气时间）的真空系统。根据图 3.11 所示，当达到“氩气的大气压”p_T 时，使用 THERMOVAC 作为压力测量仪表，将获得仅 40 mbar 的 p_I 读数。氩气可能从容器中逸出（盖子打开，钟形罩升起）。对于这种以及类似的应用，必须使用与气体类型无关的压力开关或真空计。

电离真空计

电离真空计是高真空和超高真空范围内非常重要的气体压力测量仪器。它们根据与压力成比例的粒子数密度来测量压力。要被测压力的气体进入仪器的表头，并在电场的帮助下进行部分电离。当电子在电场加速并获得足够的能量与气体分子撞击并形成正离子时，就会发生电离。这些离子将电荷传输给系统中的测量电极（离子收集器）。以这种方式产生的离子电流（或者更精确地说是为了中和这些离子，测量电极馈电线中所需输入的电子电流）就是压力测量指标，因为离子产生量与粒子数密度成正比，因此也就与压力成正比。

离子形成是高电场强度放电（冷阴极是彭宁/反磁控管放电的统称术语，请参阅直接压力测量）或者热阴极（Bayard-Alpert 真空计/分离式真空计/三极管真空计的统称术语）发射的电子碰撞（请参阅直接压力测量）的结果。

在其他恒定条件下，离子产生量以及由此产生的离子电流与气体类型有关，因为有些气体比其他气体更容易电离。由于所有真空计的压力读数都与气体类型有关，要使用氮气作为参考气体（氮气当量压力，请参阅“直接压力测量”）对电离真空计进行校准。要获得氮气以外的其他气体的真实压力，压力读数必须乘以表 3.2 中给出的特定气体的修正系数。表 3.2 中所述的系数被假设为与压力无关，尽管其在一定程度上与电极系统的几何形状有关。因此，这些系数被视为各种电离真空计的平均值（参见图 3.16）。

冷阴极电离真空计

在冷放电条件下工作的电离真空计称为冷阴极或彭宁/反磁控管真空计。测量管中的放电过程原理上与离子溅射泵的电极系统中的放电过程相同。各种冷阴极电离真空计都有一个共同特征 - 它们只有两个不加热的电极，阴极和阳极各一个；该真空计可通过施加直流电压（约 2 kV）在二者之间产生并维持所谓的冷放电过程，以便在非常低的压力下持续放电。具体的实现方式是利用磁场让电子的路径足够长，从而使其与气体分子的碰撞速率足够大，进而形成维持放电所需的电荷载体数。磁场（参见图 3.12）的布置会让磁场的磁力线穿过电场线。这样，电子就会被限制为沿着螺旋路径运动。碰撞产生的正负电荷载体会移动到相应的电极，形成与压力相关的放电电流，并通过仪表显示。这个以毫巴为单位的读数与气体类型有关。测量范围的上限由以下事实决定：当压力达到高于几个 10^-2 mbar 的水平时，冷阴极放电会变成发光强烈的光放电，此时电流（在恒定电压下）仅在较小程度上取决于压力，因此不适合再用来测量压力。在所有冷阴极真空计中，气体吸附率要远高于使用热阴极的电离真空计。冷阴极测量管抽取气体的方式与离子溅射泵 (S ≈ 10^-2 l/s) 相似。同样，放电过程中产生的离子会加速飞向阴极，一部分会被阴极吸附，另一部分则会导致阴极材料的溅射。溅射的阴极材料会在真空计的管壁上形成吸气表面膜。尽管存在的这些缺点会导致压力读数的不准确性相对较高（高达约 50%），但是，冷阴极电离真空计有三个非常突出的优点。首先，它在所有高真空测量仪器中成本最低。其次，测量系统对突然的进气和振动不敏感；第三，操作简单。

图 3.12 PENNINGVAC PR25 真空计的截面图。

小尺寸法兰 DN 25 KF；DN 40 KF
外壳
带启辉器的环形阳极
陶瓷垫圈
电流引线
连接衬套
阳极针
阴极板

热阴极电离真空计

一般而言，此类仪表是指由三个电极（阴极、阳极和离子收集器）组成的测量系统，其中阴极为热阴极。阴极以前由钨制成，但现在通常由氧化铝（Th₂O₃，Y2O₃）制成，以减少电子输出功，并增加耐氧化性。这种电离真空计工作电压低，无外部磁场。热阴极的电子生成率很高。电子在电场中加速，并从电场接收足够的能量，以使电极系统周围的气体发生电离。形成的正气体离子会被传输到相对于阴极呈阴极的离子收集器，并在收集器处失去电荷。由此产生的离子电流是气体密度的测量值，因此也就是气体压力的测量值。如果 i- 是由热阴极发射的电子电流，则测量系统中产生的与压力成比例的电流 i+ 可由下式定义：

(3.3)

(3.3a)

变量 C 是测量系统的真空计常数。对于氮气，该变量通常约为 10 mbar^-1。使用恒定电子电流时，真空计表头的灵敏度 S 被定义为离子电流和压力的商数。当电子电流为 1 mA，C = 10 mbar-1，真空计表头的灵敏度 S 则为：

热阴极电离真空计也存在气体吸附（抽取作用），但程度上要比冷阴极系统小得多，即大约 10^-3 l/s。这种气体吸附主要发生在表头的玻璃壁上，以及较少程度地发生在离子收集器上。此处使用的裸真空计易于操作，因为不需要外部磁铁。热阴极电离真空计的测量范围上限约为 10^-2 mbar（特殊设计除外）。因为高压下的自由程较短（离子无法再到达离子收集器 = 离子生产率低），所以，测量范围基本上由气体分子上的离子溅射过程确定。此外，在较高压力下可能会形成不可控的电热或电弧放电，玻璃管中也可能会发生静电放电。在这些情况下，指示压力 p_I 可能会显著地偏离实际压力 p_T。

在低压下，测量范围受两种效应的限制：X 射线效应和离子解吸效应。这些效应会导致压力与离子电流之间失去严格的比例关系，并产生显然无法忽视的低压限值（参见图 3.14）。

图 3.14 正常电离真空计因 X 射线效应导致的明显的低压限值。

I - 无 X 射线效应时的压力读数
II - X 射线效应导致的明显低压限值
III - I 和 II 之和

X 射线效应（参见图 3.15）

图 3.15 对传统电离仪表中 X 射线效应的解释。阴极 C 发射的电子 e 与阳极 A 发生碰撞，并在阳极上触发软 X 射线辐射（光子）。这种辐射一部分会撞击离子收集器，并产生光电-电子 e–s。

C - 阴极
A - 阳极
I - 离子收集器

从阴极发射的电子撞击阳极，释放光子（软 X 射线）。这些光子又会触发其撞击的表面产生光子-电子。离子收集器释放的光子-电子流至阳极，也就是离子收集器会发射电子电流，它的指示方式与流向离子收集器的正离子电流相同。此光子电流会模拟压力产生的效应。这种效应称为正 X 射线效应，它与阳极电压以及离子收集器表面的大小有关。

但是，在某些情况下，还会产生负 X 射线效应。撞击到表头周围管壁的光子在此处释放出光子-电子，然后再流向阳极，因为阳极是一种栅格结构，所以这些光子-电子还会流入阳极内的空间。如果周围侧壁与离子收集器电位相同，例如都是接地电位，则侧壁上释放的部分电子可能会到达离子收集器。这会导致电子电流流向离子收集器，也就是产生会抵消正离子电流的负电流。这种负 X 射线效应取决于表头外壁的电位。

离子解吸效应

被吸附气体可在电子撞击时从表面解吸。对于电离真空计，这意味着，如果阳极上有一层吸附气体，撞击的电子可能会导致这些气体部分作为离子解吸。这些离子会到达离子收集器并导致压力指示，该指示与压力无关，但会随着电子电流的增加而增加。如果使用的电子电流较小，使得表面上撞击的电子数量与吸附的气体粒子数量相比较小，则每一个电子都会能够解吸正离子。如果电子电流增加，则会有更多的电子撞击表面，解吸的气体粒子也会开始增加。这最终会导致表面吸附的气体粒子减少。压力读数会再次下降，通常达到的值可能远低于在小电子电流下观察到的压力读数。在实际应用中，对于这种效应所产生的后果，必须确定压力读数是否受到解吸电流的影响。这可以通过按照 10 倍或 100 倍的系数暂时改变电子电流来轻松确定。电子电流越大，压力值读数越精确。

除了电极结构与通用三极管类似的传统电离真空计外，还有其他的多种电离真空计系统（Bayard-Alpert 系统、分离式系统）。根据设计的不同，这些系统都或多或少地会抑制这两种效应，因此适用于高真空和超高真空范围的测量。目前，Bayard-Alpert 系统通常为标准系统。

图 3.16 各种电离真空计测量系统的电极布置示意图。

a) Bayard-Alpert 电离真空计系统
b) 传统电离真空计系统。
c) 适用于更高压力（最高 1 mbar）的电离真空计系统
d) 分离式电离真空计系统

I - 离子收集器
Sc - 隔板
M - 调制器
A - 阳极
C - 阴极
R - 反射器

a) Bayard-Alpert 电离真空计（当前使用的标准测量系统）

为了确保气体压力与离子电流在尽可能大的压力范围内呈线性，必须尽可能抑制 X 射线效应。在 Bayard 和 Alpert 开发的电极布置中，通过让热阴极位于阳极外部，离子收集器为形成电极系统轴的细丝（见图 3.16 a），大体可以实现此目标。由于离子收集器的表面积大幅减少，X 射线效应可减少 2 至 3 个数量级。测量超高真空范围内的压力时，真空计表头的内表面以及与容器的连接会影响压力读数。在这些部位无法处理吸附、解吸、解离和流动现象产生的各种效应。通过将 Bayard-Alpert 系统用作直接放置在容器中的裸表系统，可以避免上述各种效应，进而能够在很大程度上避免测量误差。

b) 传统电离真空计

传统设计的三极管（参见图 3.16 b）用作表头，但经过略微修改，以使外部电极充当离子收集器，其内部的栅格作为阳极。在这种布置中，电子必须飞行很长的路径（在阳极的栅格丝周围振荡），这会提高电离碰撞的概率，因此真空计的灵敏度相对较高。因为 X 射线效应较强，三极管系统通常只能在高真空中使用，所以电极系统的气体吸附（抽取）效应和气体类型仅会对压力测量产生轻微影响。

c) 高压电离真空计（最高 1 mbar）

这种真空计也是使用了三极管作为电极系统（参见图 3.16 c），但采用了未经修改的传统设计。由于这种真空计的设计允许测量高达 1 mbar 的压力，阴极必须耐受相对较高的氧气压力。因此，它被设计为所谓的耐烧损阴极，由带有氧化钇涂层的铱带组成。为了确保在高达 1 mbar 的压力下具有反向线性特征（离子电流为压力的线性函数），在阳极电路中安装了大阻值的电阻器。

d) 分离式电离真空计

影响压力测量的破坏性效应还可很大程度上通过最早由 Redhead 提出的离子-光学系统消除。使用这种分离式系统（参见图 3.16 d）时，阳极圆筒会将离子集中发射到非常薄而短的离子收集器上。离子收集器所在的安装空间的后壁由保持在阳极电位的杯形电极构成，因此，气体空间产生的离子不会到达离子收集器。得益于该系统的几何形状以及各个电极的电位，几乎能够完全避免 X 射线效应和离子解吸造成的破坏性影响，而无需使用调制器。分离式系统可测量 10^-4 ~ 10^-12 mbar 之间的压力。这种测试系统还有一个优点，它被设计成一种直径仅为 35 mm 的裸表，可安装在尺寸较小的仪器中。

转子真空计 (SRG)

图 3.9 转子真空计 (SRG) 表头的截面图。

钢球
测量管，一端闭合，焊接至连接法兰 7 中
永磁体
稳定线圈
4 个驱动线圈
气泡水平仪
连接法兰

气体压力较低时，气体摩擦力与压力有关；可利用此原理来测量中等和高真空范围内的压力。在这种技术仪器中，使用了一个直径为几毫米的钢球作为测量元件，钢球悬浮在磁场中而不发生接触（参见图 3.9）。钢球会在电磁旋转场的作用下发生旋转：当达到启动速度（约 425 Hz）后，钢球将开始自行运动。然后，钢球的速度会在与压力有关的气体摩擦力的影响下开始下降，下降速率与当前压力有关。可使用下式，根据速度 f（减速）的相对下降得出气体压力：

(3.2)

p = 气体压力
r = 钢球半径 ρ = 钢球材料的密度
c- = 气体粒子的平均速度，与气体类型有关
σ = 钢球的摩擦系数，与气体类型无关，接近 1。

只要 3% 的测量不确定度能够满足要求（这能够满足大多数情况的要求），则可以取值 σ = 1，因此，带有旋转钢球的转子式真空计 (SRG) 的灵敏度可由钢球的可计算物理尺寸表示，即产品半径 x 密度 r·ρ（参见式 3.2）。钢球经过“校准”后，将适合用作“传递标准件”，也就是可以用作参考装置，以通过比较来校准其他的真空计，并具有高度的长期稳定性的特点。

对于 SRG 所依据的气体动理论，其测量原理就是直接对粒子进行计数（将粒子脉冲传递给旋转的钢球，从而降低其速度）。
对于其他与气体类型有关的电气测量方法，它们利用粒子造成的热损失（热导率真空计）或利用形成的离子数量（电离真空计）间接地测量粒子数密度。

组合式真空计

上述所有真空计类型的测量范围都是有限的。随着设备变得越来越小，可用空间越来越小，越来越难以提供多个端口来连接不同类型的真空计以覆盖整个压力范围。因此，现在出现了一些组合式真空计，以覆盖整个压力范围。它们通常为皮拉尼/冷阴极和皮拉尼/热阴极组合，以覆盖从大气压力到高真空/超高真空的压力范围。或者，您还可能看到皮拉尼/压电式组合真空计，这种装置可通过压电来提高测量范围的大气侧的测量精度。

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