振膜真空計的結構及工作原理

2016-03-08 真空技術網(wǎng) 真空技術網(wǎng)整理

  基于氣體分子對振動膜片的阻尼效應與氣體壓力有關這一現(xiàn)象制成的黏滯性真空計稱為振膜真空計,振膜真空計的結構如下圖所示。

振膜真空計結構原理圖

圖 振膜真空計結構原理圖

  規(guī)管中間裝置一張四周張緊的圓形金屬薄膜2,作為一個電極(接地)。在它的兩側距離相等的地方各裝置一個同樣的平板固定電極,分別作為驅動電極1和感受電極3,它們與膜片2構成一對相等的平板電容器。在兩個電極與膜片之間的空間均與被測真空系統(tǒng)相通。驅動電極和感受電極與膜片之間分別通過電阻R1和R2施加同一個直流極化電壓U0。此時,由于兩個電極與膜片間的靜電力相等,使膜片處于兩電極的幾何中心位置上。

  當驅動電極上施加頻率為f的交流驅動電壓U1后,膜片產(chǎn)生強迫振動,隨之在感受電極上就有相同頻率f的交流電壓U2輸出。膜片的振幅決定于驅動電壓U1、膜片周圍氣體的阻尼(氣體的壓力及性質)和自身的機械損耗。假如U1為定值,膜片的振幅將隨其周圍氣體壓力的降低(即氣體阻尼作用的減弱)而增大。振幅越大,輸出的感受電壓U2越高。但是隨著膜片振幅的增大,其自身機械損耗也增加。因此,如用U2來反映氣壓的大小,在低壓力方面就受到一定限制。所以,在實際測量中,通常維持膜片振幅不變(也就是U2不變),這樣膜片機械損耗為定值,可以根據(jù)驅動電壓U1的大小指示被測壓力。

  膜片因振動時引起與驅動電極、感受電極之間氣體的膨脹和壓縮而受到阻尼,其能量主要消耗在周圍被測氣體和膜片的摩擦機械損耗之中。因此,有如下關系

振膜真空計的結構及工作原理

  式中:W———膜片的驅動功率;

  W0———膜片振動時受氣體阻尼消耗的功率;

  W1———膜片的機械損耗功率。

  通過對W、W0和W1的分析和推導,得到驅動電壓U1與被測壓力p的關系式如下:

  低壓力(λ>>d)時

振膜真空計的結構及工作原理

  高壓力(λ<<d)時

振膜真空計的結構及工作原理

  式中:K1、K2———比例系數(shù);

  λ———氣體分子平均自由程;

  d———固定電極與膜片靜止時的原始距離。

  用上述原理和方法測量不同氣體的結果不同,如下圖所示。可見氣體種類對測量結果有影響。

一些氣體的校準曲線

圖 一些氣體的校準曲線

  利用壓力變化引起膜片諧振頻率的變化來指示被測壓力,上述影響可以減小。如壓力為1.3×103 Pa時,測量干燥空氣與氦氣,二者結果僅差4%。但是,由于這種方法的測量電路比上述方法復雜,同時在低壓力測量時靈敏度較低,因此,一般很少使用。