真空系统设计（真空规）

2.6.2弹性变形真空规
弹性变形真空规是利用弹性元件随气压变化所产生的变形来测量压差的一种真空规。它的特点是:规管灵敏度与气体种类无关,对被测气体干扰小,可测腐蚀性气体和可凝蒸气的压力。此类规存在的主要问题是,金属弹性元件的蠕变和弹性系数的温室效应。
2.6.2.1布尔登规
如图2-107所示,布尔登规是一种用富有弹性的金属材料制成的椭圆形截面的空心管,全管弯成弧形,一端封死并与指针相连,另一端与被测系统相连。当管内压力增高时,截面形状向圆形变化,使弯管向外扩张而拉动指针偏转。反之,当管内压力下降时,指针则朝向相反方向偏转。
金属布尔登规主要是用于测量高压力,很少作为真空规使用。指示大气压以下的压力,表盘上用红线来标度,这种标度是很粗略的。
图2-108所示是用石英制成的布尔登规,空心的扁平石英管被绕成螺旋形,在封死的一端吊一个小镜,通过小镜用光杠杆的方法来测量布尔登管上下运动的距离,再求得压差值。此规灵敏度较高,可检测出10Pa的压差。
图2-107布尔登规图2-108石英布尔登规
2.6.2.2波纹管规
此规的波纹管一端封死,另一端与被测系统相连,当管中压力变化时,波纹管内外的压力差产生变化,使得波纹管随之伸缩。规的灵敏度与波纹管的壁厚和形状有关。此规的主要误差是由于波纹管材料的弹性系数随温度变化而变化产生的。
图2-109所示是一种用玻璃制作的波纹管规。当波纹管伸缩变化时,毛细管中的水银位置也随之变化。此种结构可提高仪器灵敏度,当压力从较高的真空度变到大气压时,水银位移可达600mm。此规的缺点是对温度变化敏感,使用时要求恒温。
图2-109具有毛细管结构的波纹管规
2.6.2.3薄膜真空计
用金属弹性薄膜把规管分隔成两个小室,一侧接被测系统,另一侧作为参考压力室。当压力变化时薄膜随之而变化,其变形量可用光学方法测量,也可转换为电容或电感量的变化用电学方法来测量,还可用薄膜上黏附的应变规来进行测量。
近年来,电容薄膜真空计的发展很快,被广泛应用于科研和工业领域。电容薄膜真空计的基本结构如图2-110所示。它由两个结构完全相同的圆形固定电极和一个公用的活动电极组成。活动电极薄膜将空间分成互相密封的测量室和参考室,固定电极和活动电极薄膜构成差动电容器并作为电桥的两个桥臂。当活动电极处于中间位置时,个电容器的电容量相等,一旦活动电极由于压差作用偏离中间位置时,则一个电容器的电容增加而另一个电容器的电容减小,由于电容变化造成电桥不平衡,因而产生输出电压,这个电压经过放大器放大后,由检波器转换成直流电压进行测量。不同的输出电压对应于不同的压力,电容薄膜真空计就是利用这样的原理达到测量的目的。
图2-110电容薄膜真空计结构示意图
电容薄膜真空计的测量值不受被测介质种类的成分影响,可检测真空状态下气体或蒸气压力的全压力值,压力值可以从显示仪表中直接读出,也可以将所测得的压力转换成标准电信号输出,与计算机或控制器配套应用,实现真空系统的自动化控制。
2.6.2.4压阻式真空规
压阻式真空规的传感器为压阻式绝对压力传感器。它是利用集成电路的扩展工艺将四个等值电阻集成在一块硅片薄膜上,连接为平衡电桥。硅膜片利用机械加工和化学腐蚀方法制成硅环,然后用金硅共融工艺或用其他特殊工艺将硅环与衬片烧结在一起。硅膜片内侧为标准压力(约1×10-3Pa),外侧为待测压力。结构如图2-111所示。当硅膜片外侧的压力变化时,由于硅的压阻效应使电桥四个臂的阻值发生变化,电桥失去平衡,得到对应于待测压力的电压信号。信号经过放大器、控制单元、显示单元等,显示出相应的压力数值。此规的测量范围为105~10Pa。
图2-111压阻式绝对压力传感器结构示意图