真空測量基礎知識與研究
1.什么是真空測量真空測量就是真空度的測量，而真空度是指低于大氣壓力的氣體稀薄程度。以壓力表示真空度是由于歷史上沿用下來的，并不十分合理。壓力高意味著真空度低；反之，壓力低與真空度高相對應。真空測量包括全壓力測量、分壓力測量和真空計校準三個部分。用以探測低壓空間稀薄氣體壓力所用的儀器稱為真空計。本文所述壓力的測量是指比大氣壓力小得多的氣體壓力測量。
壓力是一個力學量，為單位面積所承受的力。大氣壓力為101325Pa，直接測量這樣大的壓力是容易的，但在真空技術中，測量這樣大的壓力是比較少的。真空技術中遇到的氣體壓力都很低，如有時要測lO-10pa的壓力，這樣極小的壓力用直接測量單位面積所承受的力是不可能的。因此，測量真空度的辦法通常是在氣體中造成一定的物理現象，然后測量這個過程中與氣體壓力有關的某些物理量，再設法間接確定出真實壓力來。
真空計種類繁多，工作原理各異，除極少數幾種是直接測量壓力外，其它幾乎都是間接測量壓力的。被測量氣體除少數情況外，多為混合氣體。上述壓力測量是指混合氣體全壓力測量。在近代真空測量技術中，分壓力測量越來越重要。這里所說的分壓力測量是指全面地測出混合氣體各組成成分的分壓力。這樣，混合氣體的全壓力就等于其各組成成分的分壓力之和。
現代分壓力真空計都屬于電離類，即先將氣體電離，然后將所得的各成分離子加速，再把離子引進分析器，將離子分開，分別測出各成分離子流強度，便可知氣體的成分和數量。分析器有磁的、電的、電磁結合和其它方式等。有時只需知曉被測系統殘余氣體成分和相對含量，并不要求測出分壓力值，這種儀器稱為殘余氣體分析儀。正確的壓力測量必須對真空計進行校準。因為多數真空計是通過與壓力有關的物理量來間接反應壓力，而不能直接通過真空計有關參數計算求得壓力值。這種真空計必須用標準真空計或能產生已知低壓的校準裝置進行校準。可以說，真空計校準是真空測量的基礎，是發展真空測量的有力工具。
真空計量器具分三類：計量基準器具、計量標準器具和工作計量器具。前兩類用于復現和傳遞真空度量值，統一全國真空量值；而后一類是在現場應用。三種計量器具的不確定度依次降低。
2.真空度的表征及單位用壓力表示真空度是由歷史上采用U型壓力計測量真空所形成的，這并不十分合理。在一般真空系統中，通常以各向同性的中性氣體的壓力這一流體靜力學的物理量表示真空度，因此，真空度的測量僅僅歸結于壓力的測量。但特別應注意測量條件。測量的對象是在有限的容器內、靜止(隨機運動)、穩態、各向同性單一的中性氣氛。
在這種情況下，麥克斯威速度分布、余弦散射定律和流體靜力學壓力概念( p = nkT，v = 1/4nc，p = ρgh)都較好地符合客觀實際，真空度的測量也比較簡單容易。根據真空度定義，真空度z*好用分子密度n表示，而以壓力表示真空度與此并不矛盾。測量壓力時，一般氣體處于平衡態并滿足麥克斯威速度分布定律，即 p = nkT 成立。測量時氣體溫度T一定，所以氣體壓力p正比于分子密度n。也就是說，此時壓力是分子密度的量度，所以可以用壓力表示真空度。
在空間研究中，研究對象是無限空間運動(1～lOkm·s-1或更高)、非穩態、綜合環境作用下的復雜氣氛，此時麥克斯威速度分布定律和余弦散射定律就不一定成立，所以壓力也失去了原來的物理意義，真空度的測量比較復雜和困難了。在一般情況下，以壓力表示真空度是流行、沿用的，但也不是w*的，還可以用如下參數表示真空度：當真空度很高時，即分子密度很小時，統計漲落十分明顯，如壓力 p = 10-12pa時，統計漲落已大于5×10-2，壓力已失去真實意義。
由此看來，在某些情況下，壓力只是其它量的相對指示而已。根據氣體分子對表面碰撞而定義的氣體壓力，是碰撞單位表面積氣體分子動量垂直分量的時間變化率，即單位面積上所受的力，單位為“帕斯卡”(Pascal)，簡稱“帕”(Pa)。1Pa = 1Nm-2在工程上有時嫌帕的量值太小，常采用kPa和MPa表示壓力。低真空時，有時用“真空度百分數”表示，比如水環式真空泵、往復式真空泵和直排大氣羅茨真空泵常用此單位表示真空度。當壓力gt;102Pa時，真空度百分數δ為。
3.真空計分類按真空度刻度方法分類 (1)絕對真空計：直接讀取氣體壓力，其壓力響應(刻度)可通過自身幾何尺寸計算出來或由測力確定。絕對真空計對所有氣體都是準確的且與氣體種類無關，屬于絕對真空計的有U型鎊壓力計、壓縮式真空計和熱輻射真空計等。(2)相對真空計：由一些氣體壓力有函數關系的量來確定壓力，不能通過簡單的計算進刻度，必須進行校準才能刻度。相對真空計一般由作為傳感器的真空計規管(或規頭)和用于控制、指示的測量器組成。讀數與氣體種類有關。相對真空計的種類很多，如熱傳導真空計和電離真空計等。
按真空計測量原理分類直接測量真空計這種真空計直接測量單位面積上的力，有:(1)靜態液位真空計：利用U型管兩端液面差來測量壓力。(2)彈性元件真空計：利用與真空相連的容器表面受到壓力的作用而產生彈性變形來測量壓力值的大小。間接測量真空計壓力為10-1Pa時，作用在1cm2表面上力只有10-5N，顯然測量這樣小的力是困難的。但可根據低壓下與氣體壓力有關的物理量的變化來間接測量壓力的變化。
屬于這類的真空計有：(1)壓縮式真空計：其原理是在U型管的基礎上再應用波義耳定律，即將一定量待測壓力的氣體，經過等溫壓縮使之壓力增加，以便用U型管真空計測量，然后用體積和壓力的關系計算被測壓力。(2)熱傳導真空計：利用低壓下氣體熱傳導與壓力有關這一原理制成。常用的有電阻真空計和熱偶真空計。(3)熱輻射真空計：利用低壓下氣體熱輻射與壓力有關原理。(4)電離真空計：利用低壓下氣體分子被荷能粒子碰撞電離，產生的離子流隨電力變化的原理。如：熱陰極電離真空計、冷陰極電離真空計和放射性電離真空計等。(5)放電管指示器：利用氣體放電情況和放電顏色與壓力有關的性質判定真空度，一般僅能作為定性測量。(6)粘滯真空計：利用低壓下氣體與容器壁的動量交換即外摩擦原理。如振膜式真空計和磁懸浮轉子真空計。(7)場致顯微儀：以吸附和解吸時間與壓力關系計算壓力。(8)分壓力真空計：利用質譜技術進行混合氣體分壓力測量。常用的有四極質譜計、回旋質譜計和射頻質譜計等。
4.真空計測量范圍壓力測量中，除極少數直接測量外，絕大多數是間接測量。就是先在被測氣體中引起一定的物理現象，然后再測量這一過程中與壓力有關的物理量，進而設法確定壓力值。這是真空測量的特點，亦會造成某些問題。任何具體物理現象與壓力的關系，都是在某一壓力范圍內才z*顯著，超出這個范圍，關系變得弱了。因此，任何方法都有其一定的測量范圍，這個范圍就是真空計的“量程”。
盡可能擴展每一種方法的量程，是真空科學研究的重要內容之一。近代真空技術所涉及到的壓力范圍寬達19個數級(105～10-14pa)，沒有任何一種真空計能測量如此寬的壓力范圍，因此總是用幾種真空計分別管轄一定的區域。但由于各種真空計在原理上的差異．在相互銜接的區域，往往要造成較大的誤差。在被測空間引起一定物理現象，還會出現這樣的問題，即從測量的角度出發，本需要一種單純的物理現象，但有時卻不可避免地帶來一系列寄生現象，這些寄生現象不但給測量量帶來誤差，有時還會“喧賓奪主”，完全把主要現象掩蓋住了。
由上觀之，為改善真空計性能及提高真空測量準確度，必須突出主要現象，抑制寄生現象。表1給出一些真空計的壓力測量范圍。 表1一些真空計的壓力測量范圍 真空計名稱 測量范圍(Pa) 真空計名稱 測量范圍(Pa) 水銀U型管 105～10 高真空電離真空計 10-1～10-5 油U型管 104～1 高壓力電離真空計 102～10-4 光干涉油微壓計 1～10-2 B-A計 10-1～10-8 壓縮式真空計(一般型) 10-1～10-3 寬量程電離真空計 10～10-8 壓縮式真空計(特殊型) 10-1～10-5 放射性電離真空計 105～10-1 彈性變形真空計 105～102 冷陰極磁放電真空計 1～10-5 薄膜真空計 105～10-2 磁控管型電離真空計 10-2～10-11 振膜真空計 105～10-2 熱輻射真空計 10-1～10-5 熱傳導真空計(一般型) 102～10-1 分壓力真空計 10-1～10-14 熱傳導真空計(對流型) 105～10-1
5.真空測量特點(1)測量壓力范圍寬，105～lO-14Pa。(2)大部分真空計是間接測量，只有壓力為105～lOPa時，可直接測單位面積所受的力。但大多數真空測量的壓力遠比上述為小，不能直接測量，應利用低壓下氣體的某些特性(如熱傳導、粘滯性和電離等)進行間接測量。(3)多采用非電量電測技術。(4)大部分真空計的讀數與氣體種類和成分有關。所以測量時要特別注意被測量氣體種類和成分．否則會造成很大誤差。(5)測量精度不高。
6.選擇真空計原則(1)在要求的壓力區域內有要求的精度。(2)被測氣體是否會損傷真空計；真空計可否會給被測氣體狀態帶來影響。(3)能測全壓力嗎?可校準嗎?靈敏度與氣體種類有關否。(4)可否連續指示、電氣指示以及反應時間長短。(5)穩定性、復現性、可靠性和壽命如何。(6)還要看真空計的安裝方法、操作性能、保修、管理、市場有無銷售、購買的難易程度和規格如何。除上述應考慮的問題外，還要查閱參考書、樣本或直接向生產工廠詢問。
壓力是一個力學量，為單位面積所承受的力。大氣壓力為101325Pa，直接測量這樣大的壓力是容易的，但在真空技術中，測量這樣大的壓力是比較少的。真空技術中遇到的氣體壓力都很低，如有時要測lO-10pa的壓力，這樣極小的壓力用直接測量單位面積所承受的力是不可能的。因此，測量真空度的辦法通常是在氣體中造成一定的物理現象，然后測量這個過程中與氣體壓力有關的某些物理量，再設法間接確定出真實壓力來。
真空計種類繁多，工作原理各異，除極少數幾種是直接測量壓力外，其它幾乎都是間接測量壓力的。被測量氣體除少數情況外，多為混合氣體。上述壓力測量是指混合氣體全壓力測量。在近代真空測量技術中，分壓力測量越來越重要。這里所說的分壓力測量是指全面地測出混合氣體各組成成分的分壓力。這樣，混合氣體的全壓力就等于其各組成成分的分壓力之和。
現代分壓力真空計都屬于電離類，即先將氣體電離，然后將所得的各成分離子加速，再把離子引進分析器，將離子分開，分別測出各成分離子流強度，便可知氣體的成分和數量。分析器有磁的、電的、電磁結合和其它方式等。有時只需知曉被測系統殘余氣體成分和相對含量，并不要求測出分壓力值，這種儀器稱為殘余氣體分析儀。正確的壓力測量必須對真空計進行校準。因為多數真空計是通過與壓力有關的物理量來間接反應壓力，而不能直接通過真空計有關參數計算求得壓力值。這種真空計必須用標準真空計或能產生已知低壓的校準裝置進行校準。可以說，真空計校準是真空測量的基礎，是發展真空測量的有力工具。
真空計量器具分三類：計量基準器具、計量標準器具和工作計量器具。前兩類用于復現和傳遞真空度量值，統一全國真空量值；而后一類是在現場應用。三種計量器具的不確定度依次降低。
2.真空度的表征及單位用壓力表示真空度是由歷史上采用U型壓力計測量真空所形成的，這并不十分合理。在一般真空系統中，通常以各向同性的中性氣體的壓力這一流體靜力學的物理量表示真空度，因此，真空度的測量僅僅歸結于壓力的測量。但特別應注意測量條件。測量的對象是在有限的容器內、靜止(隨機運動)、穩態、各向同性單一的中性氣氛。
在這種情況下，麥克斯威速度分布、余弦散射定律和流體靜力學壓力概念( p = nkT，v = 1/4nc，p = ρgh)都較好地符合客觀實際，真空度的測量也比較簡單容易。根據真空度定義，真空度z*好用分子密度n表示，而以壓力表示真空度與此并不矛盾。測量壓力時，一般氣體處于平衡態并滿足麥克斯威速度分布定律，即 p = nkT 成立。測量時氣體溫度T一定，所以氣體壓力p正比于分子密度n。也就是說，此時壓力是分子密度的量度，所以可以用壓力表示真空度。
在空間研究中，研究對象是無限空間運動(1～lOkm·s-1或更高)、非穩態、綜合環境作用下的復雜氣氛，此時麥克斯威速度分布定律和余弦散射定律就不一定成立，所以壓力也失去了原來的物理意義，真空度的測量比較復雜和困難了。在一般情況下，以壓力表示真空度是流行、沿用的，但也不是w*的，還可以用如下參數表示真空度：當真空度很高時，即分子密度很小時，統計漲落十分明顯，如壓力 p = 10-12pa時，統計漲落已大于5×10-2，壓力已失去真實意義。
由此看來，在某些情況下，壓力只是其它量的相對指示而已。根據氣體分子對表面碰撞而定義的氣體壓力，是碰撞單位表面積氣體分子動量垂直分量的時間變化率，即單位面積上所受的力，單位為“帕斯卡”(Pascal)，簡稱“帕”(Pa)。1Pa = 1Nm-2在工程上有時嫌帕的量值太小，常采用kPa和MPa表示壓力。低真空時，有時用“真空度百分數”表示，比如水環式真空泵、往復式真空泵和直排大氣羅茨真空泵常用此單位表示真空度。當壓力gt;102Pa時，真空度百分數δ為。
3.真空計分類按真空度刻度方法分類 (1)絕對真空計：直接讀取氣體壓力，其壓力響應(刻度)可通過自身幾何尺寸計算出來或由測力確定。絕對真空計對所有氣體都是準確的且與氣體種類無關，屬于絕對真空計的有U型鎊壓力計、壓縮式真空計和熱輻射真空計等。(2)相對真空計：由一些氣體壓力有函數關系的量來確定壓力，不能通過簡單的計算進刻度，必須進行校準才能刻度。相對真空計一般由作為傳感器的真空計規管(或規頭)和用于控制、指示的測量器組成。讀數與氣體種類有關。相對真空計的種類很多，如熱傳導真空計和電離真空計等。
按真空計測量原理分類直接測量真空計這種真空計直接測量單位面積上的力，有:(1)靜態液位真空計：利用U型管兩端液面差來測量壓力。(2)彈性元件真空計：利用與真空相連的容器表面受到壓力的作用而產生彈性變形來測量壓力值的大小。間接測量真空計壓力為10-1Pa時，作用在1cm2表面上力只有10-5N，顯然測量這樣小的力是困難的。但可根據低壓下與氣體壓力有關的物理量的變化來間接測量壓力的變化。
屬于這類的真空計有：(1)壓縮式真空計：其原理是在U型管的基礎上再應用波義耳定律，即將一定量待測壓力的氣體，經過等溫壓縮使之壓力增加，以便用U型管真空計測量，然后用體積和壓力的關系計算被測壓力。(2)熱傳導真空計：利用低壓下氣體熱傳導與壓力有關這一原理制成。常用的有電阻真空計和熱偶真空計。(3)熱輻射真空計：利用低壓下氣體熱輻射與壓力有關原理。(4)電離真空計：利用低壓下氣體分子被荷能粒子碰撞電離，產生的離子流隨電力變化的原理。如：熱陰極電離真空計、冷陰極電離真空計和放射性電離真空計等。(5)放電管指示器：利用氣體放電情況和放電顏色與壓力有關的性質判定真空度，一般僅能作為定性測量。(6)粘滯真空計：利用低壓下氣體與容器壁的動量交換即外摩擦原理。如振膜式真空計和磁懸浮轉子真空計。(7)場致顯微儀：以吸附和解吸時間與壓力關系計算壓力。(8)分壓力真空計：利用質譜技術進行混合氣體分壓力測量。常用的有四極質譜計、回旋質譜計和射頻質譜計等。
4.真空計測量范圍壓力測量中，除極少數直接測量外，絕大多數是間接測量。就是先在被測氣體中引起一定的物理現象，然后再測量這一過程中與壓力有關的物理量，進而設法確定壓力值。這是真空測量的特點，亦會造成某些問題。任何具體物理現象與壓力的關系，都是在某一壓力范圍內才z*顯著，超出這個范圍，關系變得弱了。因此，任何方法都有其一定的測量范圍，這個范圍就是真空計的“量程”。
盡可能擴展每一種方法的量程，是真空科學研究的重要內容之一。近代真空技術所涉及到的壓力范圍寬達19個數級(105～10-14pa)，沒有任何一種真空計能測量如此寬的壓力范圍，因此總是用幾種真空計分別管轄一定的區域。但由于各種真空計在原理上的差異．在相互銜接的區域，往往要造成較大的誤差。在被測空間引起一定物理現象，還會出現這樣的問題，即從測量的角度出發，本需要一種單純的物理現象，但有時卻不可避免地帶來一系列寄生現象，這些寄生現象不但給測量量帶來誤差，有時還會“喧賓奪主”，完全把主要現象掩蓋住了。
由上觀之，為改善真空計性能及提高真空測量準確度，必須突出主要現象，抑制寄生現象。表1給出一些真空計的壓力測量范圍。 表1一些真空計的壓力測量范圍 真空計名稱 測量范圍(Pa) 真空計名稱 測量范圍(Pa) 水銀U型管 105～10 高真空電離真空計 10-1～10-5 油U型管 104～1 高壓力電離真空計 102～10-4 光干涉油微壓計 1～10-2 B-A計 10-1～10-8 壓縮式真空計(一般型) 10-1～10-3 寬量程電離真空計 10～10-8 壓縮式真空計(特殊型) 10-1～10-5 放射性電離真空計 105～10-1 彈性變形真空計 105～102 冷陰極磁放電真空計 1～10-5 薄膜真空計 105～10-2 磁控管型電離真空計 10-2～10-11 振膜真空計 105～10-2 熱輻射真空計 10-1～10-5 熱傳導真空計(一般型) 102～10-1 分壓力真空計 10-1～10-14 熱傳導真空計(對流型) 105～10-1
5.真空測量特點(1)測量壓力范圍寬，105～lO-14Pa。(2)大部分真空計是間接測量，只有壓力為105～lOPa時，可直接測單位面積所受的力。但大多數真空測量的壓力遠比上述為小，不能直接測量，應利用低壓下氣體的某些特性(如熱傳導、粘滯性和電離等)進行間接測量。(3)多采用非電量電測技術。(4)大部分真空計的讀數與氣體種類和成分有關。所以測量時要特別注意被測量氣體種類和成分．否則會造成很大誤差。(5)測量精度不高。
6.選擇真空計原則(1)在要求的壓力區域內有要求的精度。(2)被測氣體是否會損傷真空計；真空計可否會給被測氣體狀態帶來影響。(3)能測全壓力嗎?可校準嗎?靈敏度與氣體種類有關否。(4)可否連續指示、電氣指示以及反應時間長短。(5)穩定性、復現性、可靠性和壽命如何。(6)還要看真空計的安裝方法、操作性能、保修、管理、市場有無銷售、購買的難易程度和規格如何。除上述應考慮的問題外，還要查閱參考書、樣本或直接向生產工廠詢問。
