第五章 真空計

1. 第五章 真空計 授課教師：黃 俊 傑    

2. Outline • 真空計度量引言 • 機械式真空計 • 熱傳導的真空計 • 離子真空計

3. 真空計度量引言

4. 引言 • 壓力量測範圍：1atm~10-16torr。 • 1920年代：粗真空 1013~0.001mbar,壓力計：液位壓力計、水銀壓力計、壓縮式、麥式。 • 1960年代：中、高真空 1013~10-9 mbar,壓力計：低真空：液位壓力計、彈性壓力計。中真空：熱傳導。高真空：離子真空計。 • 2000年代：中、高、極高真空 1013~10-13 mbar,壓力計：低真空：液位壓力計、彈性壓力計。中真空：熱傳導。高真空：離子真空計。極高真空：特殊離子真空計。

5. 定義 壓力計用來量測壓力的變化，以量測的方式分類可分為直接壓力計與間接壓力計。 直接壓力計乃是直接顯示氣體分子撞擊的表現，俗稱絕對壓力計。 間接壓力計乃是量測氣體的物理特質，而該物理的特質與氣體分子的密度有關連，例如導熱係數等。

6. 真空計分類 • 壓力顯示與氣體無關之真空計。 • 直接壓力量測 • 單位面積所受的力。 • 與摩爾質量無關。 • 壓力顯示與氣體有關之真空計。 • 間接壓力量測。 • 利用氣體與壓力之相關性。 • 與摩爾質量有關。 • 高真空往超高真空的旅程

7. 真空計分類 直接式真空計 固體面( Solid wall ) 液面( Liquid wall) U—型管 麥氏真空計 膜盒真空計 波爾登管 輻射式真空計 電容真空計

8. 真空計分類 間接式真空計 電荷產生 (電 離 化) 動量轉移 (黏 滯 性) 能量轉移 (熱 導) 放射性 電離計 石英絲 黏滯計 離 子 真空計 冷 極 真空計 轉球黏滯 真 空 計 熱 偶 真空計 巴喇尼 真空計

9. 真空計量測範圍

10. 真空計選用要點 • 壓力範圍。 • 外在環境。 • 感測元件之工作條件。 • 便利性。 • 維修及保養。

11. 機械式真空計

12. 引言 • 利用環境氣體分子之熱速度作用於受力表面來直接量測壓力之真空計。 • 包括：壓力天平、液位壓力計…。

13. 壓力天平 • 基本原理：

14. 液位壓力計 • 基本原理：

15. 各種液位壓力計

16. 壓縮式真空計 • 基本原理： • 利用水銀柱高來判斷壓力之大小。其做法是將已經知道體積但是不知道其壓力的氣體裝在一個玻璃，氣泡內，然後升高水銀柱高，使其壓縮該未知壓力之氣體，等到該氣體被壓縮到很小之體積，然後得知其體積，再由波義耳定律算出其最終壓力。

17. 壓縮式真空計

18. 彈性元件真空計 • 構造： • 機械式的壓力計，藉著齒輪及槓桿將氣體壓力對金屬管的變形量轉移到指針。以機械或電子式放大。 • 包登管 • 莢艙式 • 隔膜式

19. 包登管

20. 包登管 • 基本原理：

21. 包登管 • 量測範圍： • 特性： • 粗略壓力指示，堅固、耐用 • 壓力指示隨不同氣體組成與種類變化 • 可量測大於一大氣壓之壓力 • 受大氣壓力大小影響，誤差常在10%左右

22. 莢艙式壓力計

23. 莢艙式壓力計 • 基本原理：

24. 莢艙式壓力計 • 量測範圍： • 特性：

25. 隔膜式真空計

26. 隔膜式真空計 • 基本原理：

27. 隔膜式真空計 • 量測範圍： • 特性：

28. 電容式真空計

29. 電容式真空計 • 基本原理： 在一空間內，利用一金屬薄膜將該空間區分為二，其中一區域為已經知道其壓力值,另外一區域為待測區的壓力區，當兩邊有壓力差時，該金屬薄膜會有偏折的現象發生，而偏折的程度我們可以藉著薄膜與一邊電極的距離來決定，換句話說便是量其電容值，由電容的變化反求金屬薄膜之偏移量，然後反推壓力差。由於該種壓力計的量測有太多誤差的可能性，所以校正的動作非常重要。只要校正正確，該種壓力計是所有壓力量測中最為精確的，此外該種壓力計乃由偏折量來決定壓力，所以與氣體的種類無關。至於環境溫度對於壓力計所造成量測值的誤差，Capacitance Manometers:是相當敏感，所以溫度的控制必須非常注意。

30. 電容式真空計 • 基本原理：

31. 電容式真空計 • 量測範圍： • 特性：

32. 熱傳導式真空計

33. 引言 • 藉由量測一發熱體與一接受發熱體之間導熱程度來判斷氣體的壓力。 • 當Kn值在0.01<Kn<10之間時，熱傳導的量與壓力成正比的關係。 • 在低壓力時，熱的喪失可經由三個途徑，分別是周遭氣體的導熱，輻射熱，以及支柱發熱體本身的主幹。 • 為了使量測壓力的精確度提高。後兩者的熱量損失，盡量避免。

34. 引言 • 真空計包含： • 感測頭：多為金屬或玻璃之外殼，內有感測真空壓力之燈絲/或其他感溫元件。 • 控制器：提供感測頭所必須之電源電路，做訊號放大處理之類比線路。 • 真空計之分類： • 派藍尼真空計 • 熱電耦真空計 • 熱敏電阻真空計

35. 派藍尼真空計

36. 派藍尼真空計 • 基本原理： • 利用Wheatstone bridge 的補償原理，其中一燈絲作為該電路的其中一個電阻。倘若燈絲所在的氣體分子密度改變時，其導熱度會有所不同，因此燈絲所表現的溫度會不同，間接影響電阻值的大小。固定電壓，固定電流以及固定溫度中以最後一種方法做敏感不同氣體其導熱度不同，因此在刻度上需要校正。 • 種類 • 定電壓式 • 定電流式

37. 派藍尼真空計 • 定電流式

38. 派藍尼真空計 • 定電流式

39. 派藍尼真空計 • 定電壓式

40. 派藍尼真空計 • Pirani Gauge Calibration A:constant Temp. B:constant Volt 採用McLeod 來校正

41. 熱電耦真空計

42. 熱電耦真空計 • 基本原理： 系統內氣體分子與發熱體碰撞並帶走熱量，壓力愈高，則氣體分子數目愈多，帶走的熱量也愈多，則發熱體的溫度愈低，熱電偶壓降減少 ，反之則溫度愈高， 熱電偶壓降較大，由 熱電偶電動勢之大小 可校正為壓力之指示

43. 熱電耦真空計 • 間接式：

44. 熱敏電阻真空計 • 基本原理：

45. 離子真空計

46. 引言 • 利用偵測離子的數目來推測氣體的分子密度，間接求出壓力值。 • 有Hot Cathode 及Cold Cathode 兩種形式 • Hot Cathode基本原理； • 燈絲製造熱電子，藉由熱電子游離周圍氣體分子形成離子，然後離子被吸引接收，形成電流，電流大小意味離子數多寡，壓力大小與離子數多寡有對等之關係。 • Cold Cathode基本原理 • 產生離子的方式乃是利用高壓解離

47. 引言 • 不同氣體被具有相同能量的電子其游離的程度不同。質量越輕者，其游離的數目越小。每種氣體具有其游離機率Pr，而游離機率又與電子碰撞的cross section有關，所以離子數可寫成 • 離子所提供的電流視離子數而定 • 對於氣體的種類的敏感度可寫成

48. 冷陰離子真空計 • Penning Gauge：

49. 冷極真空計( Cold Cathode Gauge ) 又稱彭寗真空計( Penning Gauge ) 1. 量測範圍：10-2 ~ 10-7 torr 2. 結構：

50. 工作原理： 低氣體壓力時，由彭寗放電( Penning discharge )電流大小之量測以工作壓力之指示。其放電過程與離子幫浦原理相同，由不加熱之高電壓極間產生所謂的冷放電( Cold discharge )現象。