如何测量真空压力？

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目前，真空技术中所测量压力的范围介于 2000 mbar 至 10^-12 mbar 之间，也就是超过 15 个数量级。可通过将真空压力测量与长度测量之间的类比分析（如表 3.1 所示）清楚地显示此范围的巨大变化。

表 3.1 真空压力测量与长度测量的类比分析

在这个广泛的压力范围内执行压力测量的仪器被称为真空计。由于物理原因，不可能存在可在整个压力范围内进行定量测量的真空计，所以真空计有多种，每一种都具有独特的测量范围，通常测量范围可覆盖数个数量级（参见图 9.16a）。为了能够给各种类型的真空计分配一个最大的测量范围，就必须接受这样一个事实：测量不确定度会在测量范围的上限和下限区域快速变大，有时可高达 100%。因此，必须要区分产品目录中标出的测量范围和能够保证”精确“测量的测量范围。每种真空计的测量范围的上限和下限会受物理效应的限制。

图 9.16a 常见真空计的测量范围

低压测量的基础知识

真空计是用于测量从略微高于大气压力到显著低于大气压力的气体压力的设备（DIN 28 400，第 3 部分，1992 年版）。在很多情况下，压力指示取决于气体的性质。可利用按质谱仪原理工作的分压测量仪器来精确测量某些气体或蒸气的分压（参见“气体分析和质谱仪”部分）。

压力指示对气体类型的依赖性

必须区分以下真空计：

根据定义，将压力作为作用于某个面积上的力进行测量的仪器，即所说的直接或绝对真空计。根据气体运动理论，粒子通过碰撞容器壁而施加的这种力仅取决于每单位体积内的气体分子数量（分子的数量密度 n）及其温度，而与气体的摩尔质量无关。测量仪表的读数与气体类型无关。此类装置包括充液式真空计和机械真空计。
间接压力测量的仪器。这种仪器是根据气体与压力有关（或更准确地说，是与密度有关）的特性（热传导性、电离概率、电导率）来测定压力。这些特性依赖于气体的摩尔质量和压力。此类测量仪器的压力读数受气体类型的影响。

此类压力测量仪器的标度始终基于以空气或氮气作为测试气体。对于其他气体或蒸气，必须提供一个通常基于空气或氮气的修正系数（参见表 3.2）。通过应用电能来测定数量密度的间接测量式真空计（间接压力测量）要精确地测量压力，必须了解气体成分。实际上，我们只能粗略地知道气体的成分。不过，在很多情况下，只需知道待测混合气体主要由轻分子还是重分子构成（例如是氢分子还是泵流体的蒸气分子）即可。

表 3.2 修正系数

示例

如果使用电离式真空计测量基本上以泵送流体分子为主的气体的压力，则压力读数（适用于空气或 N2）会比真实值高出大约 10 倍，如表 3.2 所示。

粗真空压力范围的测量 - 大气压至 1mbar

使用直接测量压力的真空计可以相对精确地测量粗真空范围内的压力。另一方面，测量较低压力 (<10^-3) 时，则几乎总是会受到多种基本误差的影响，这些误差会从一开始就限制测量精度。因此，它与间接测量仪器通常能够达到的准确度完全不具可比性。

为了能够有意义地阐述真空计在粗真空范围内指示的压力，首先要考虑测量系统所在的连接位置和方式。在以层流为主的所有压力区域 (1013 > p > 10^-1 mbar)，必须注意到抽气引起的压力梯度。在泵的正前方区域（从容器的角度看），产生的真空度会比容器内其他区域更高（压力更低）。即使是高电导率的器件也可能会产生这种压力梯度。最后，真空系统与测量系统之间的连接管路的导通性不能太小，否则在层流的压力区域中，会由于该管路抽真空太慢而导致指示压力过高。

中等真空压力范围内的测量 - 1mbar 至 10^-3mbar

在中等真空条件下进行测量时，需要使用满量程较小的电容式传感器（例如 CTR100 0.1Torr）或更常用的热传导真空计，例如 THERMOVAC 系列真空计（如 TTR91RN）。在该压力范围内，通常层流会开始向分子流过渡，因此，您需要开始考虑仪表连接的位置，以确保获得最佳性能。使用热传导真空计时，此范围内的测量值的精度通常为 +-15%，因此，您可以达到合理的准确度水平，但没有使用直接式真空计测量粗真空时那样高。

高真空压力和超高真空压力范围内的测量 - 10^-3mbar 至 <10^-12

高真空和超高真空的情况更加复杂。根据特定的安装特性，由于真空计壁出气或测量系统的出气不足，可能会出现测量的压力过高或过低（测量管出气良好时）的情况。对于高真空和超高真空，真空系统与测量管之间可能需要很长时间才能达到压力平衡。必须要始终特别考虑到测量过程本身对压力测量的影响。例如，在使用热阴极的电离式真空计中，气体粒子（尤其是高分子碳氢化合物的气体粒子）可能发生热分解。这会改变气体成分。这种效应会影响到超高真空范围内的压力测量。电离式真空计中的气体清理也存在这种问题，特别是冷阴极真空计（数量级为 10^-2 至 10^-1l/s）。测量系统污染、干扰电场和磁场、绝缘误差以及不可接受的环境高温也会导致压力测量失真。

为了在中等和高真空范围内测量压力时确保不确定性低于 50%，执行实验的人员必须格外小心。要让压力测量的精度达到几个百分点的水平，就需要做出很大努力，通常需要部署特殊的测量仪器，特别是超高真空范围 (p < 10^-7 mbar) 内的所有压力测量。

如何选择合适的真空计

选择合适的测量仪器时，不仅要考虑到所需的压力范围，真空计的工作条件也是重要的影响因素。如果要在困难的工作条件下进行测量，比如污染风险较高、无法排除管路振动、可能出现气爆等，测量仪器必须要坚固耐用。波尔登真空计、隔膜真空计、热导率真空计、热阴极电离式真空计以及潘宁真空计可用于工业环境。有些测量仪器对不利工作条件较为敏感。只有尽可能地排除上述误差源并遵循操作说明，才能够确保正确地使用。

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