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彈性變形真空規(guī)存在的問題
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2015-03-30  閱讀

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彈性變形真空規(guī)是利用彈性元件隨氣壓變化所產(chǎn)生的變形來測量壓差的一種真空規(guī)。它的特點是:規(guī)管靈敏度與氣體種類無關(guān),對被測氣體干擾小,可測腐蝕性氣體和可凝蒸氣的壓力。

此類規(guī)存在的主要問題是,金屬彈性元件的蠕變現(xiàn)象和彈性系數(shù)的溫度效應。

1.布爾登規(guī)(圖11-12)布爾登規(guī)是一種用富有彈性的金屬材料制成的橢圓形截面的空心管,全管彎咸弧形,一端封死并與指針相連接,另一端與被測系統(tǒng)相連。當管內(nèi)壓力增高時,截面形狀向圓形變化,使彎管向外擴張而拉動指針偏轉(zhuǎn)。反之,當管內(nèi)壓力下降時,指針則朝相反方向偏轉(zhuǎn)。

彈性變形真空規(guī)存在的問題


金屬布爾登規(guī)主要用于測量高壓力,很少作為真空規(guī)使用。指示大氣壓以下的壓力,表盤上用紅線來標度,這種標度是很粗略的。

圖11-13是用石英制成的布爾登規(guī),空心的扁平石英管被繞成螺旋形,在封死的一端吊一個小鏡,通過小鏡用光杠桿的辦法來測量布爾登管上下運動的距離,再求得壓差值。此規(guī)靈敏度較高,可檢測出10Pa的壓差。

2.波紋管規(guī)此規(guī)的波紋管一端封死,另一端與被測系統(tǒng)相連,當管中壓力變化時,波紋管內(nèi)外的壓力差產(chǎn)生變化,使得波紋管隨之伸縮,規(guī)的靈敏度與波紋管的壁厚和形狀有關(guān)。波紋管材料的彈性系數(shù)隨溫度變化而變化是此規(guī)的主要誤差源。圖11-14是用光學方法檢測波紋管變形的波紋管規(guī),其測量下限可達10 -2Pa。

彈性變形真空規(guī)存在的問題

圖11-13石英布爾登規(guī)

彈性變形真空規(guī)存在的問題

圖11-14光學法檢測型波紋管規(guī)  R-反射鏡;M-平面鏡;L-透鏡;P-鏡座;G,SIS3~4一槽;Ni,N2,N3-尖針;X-支架;Y-波紋管;Ti,T2-導管。

圖11-15是一種用玻璃制作的波紋管規(guī)。當波紋管伸縮變化時,毛細管中的水銀位置也隨之變化。此種結(jié)構(gòu)可提高儀器靈敏度,當壓力從鞍高的真空度變到大氣壓時,水銀位移可達600mm。此規(guī)的缺點是對溫度變化太敏感,并要求恒溫。

彈性變形真空規(guī)存在的問題

圖11-15具有毛細管結(jié)構(gòu)的波紋管規(guī)

3.薄膜真空規(guī)用金屬彈性薄膜把規(guī)管分隔成兩個小室,一側(cè)接被測系統(tǒng),另一側(cè)作為參考壓力室。當壓力變化時薄膜隨之而變形,其變形量可用光學方法測量,也可轉(zhuǎn)換為電容或電感量的變化用電學方法來測量,還可用薄膜上粘附的應變規(guī)來進行測量。

近年來,電容薄膜規(guī)的發(fā)展很快,被廣泛應用于科研和工業(yè)領(lǐng)域。電容薄膜規(guī)分為兩種類型:一種將薄膜的一邊密封為參考真空,成為“絕壓式”電容薄膜規(guī);另一種是薄膜的兩邊均通人氣體,成為“差壓式”電ro容薄膜規(guī)。電容薄膜規(guī)具有卓越的線性、較高的測量精度和分辨率。單個傳感器的測量范圍可覆蓋5個數(shù)量級的壓力區(qū)間,短期穩(wěn)定性優(yōu)于0.1%,長期穩(wěn)定性(一年)優(yōu)于0.4%。電容薄膜規(guī)的靈敏度與氣體種類無關(guān),可測蒸氣和腐蝕性氣體的壓力,結(jié)構(gòu)牢固,使用方便,還可作為粗低真空的副標準和傳遞標準。

電容薄膜規(guī)的基本結(jié)構(gòu)如圖11-16所示。它由兩個結(jié)構(gòu)完全相同的圓形固定電極和一個公用的活動電極組成?;顒与姌O薄膜將空間分成互相密封的測量室和參考室,固定電極和活動電極薄膜構(gòu)成差動電容器并作為電橋的兩個橋臂。當活動電極處于中間位置時,兩個電容器的電容量相等,一旦活動電極由于壓差作用偏離中間位置時,則一個電容器的電容增加而另一個電容器的電容減小,由于電容變化造成電橋不平衡,因而產(chǎn)生輸出電壓,這個電壓經(jīng)過放大器放大后,由檢波器轉(zhuǎn)換成直流電壓進行測量。不同的輸出電壓對應于不同的壓力,電容薄膜規(guī)就是利用這樣的原理達到測雖壓力的目的。電容薄膜規(guī)的壓力測量范圍與膜片的厚度、直徑、材料、膜片的張力等有關(guān),目前可供選擇的電容薄膜規(guī)包括滿量程13.3Pa、133Pa、1.33kPa、13. 3kPa、133kPa、1.33MPa和3.32MPa、的傳感器,可覆蓋的壓力范圍為10-3Pa—106Pa。

4.壓阻式真空規(guī)壓阻式真空規(guī)的傳感器為壓阻式絕對壓力傳感器。它是利用集成電路的擴散工藝將四個等值電阻做在一塊硅片薄膜上,聯(lián)接為平衡電橋。硅膜片利用機械加工和化學腐蝕方法制成硅環(huán),然后用金硅共熔工藝或用其他特殊工藝將硅環(huán)與襯片燒結(jié)在一起。硅環(huán)膜片內(nèi)側(cè)為標準壓力(約1×10- 3Pa),外側(cè)為待測壓力。結(jié)構(gòu)如圖11-17所示。當硅膜片外側(cè)的壓力變化時,由于硅的壓阻效應使電橋四個臂的阻值發(fā)生變化,電橋失去平衡,得到對應于待測壓力的電壓信號。此信號經(jīng)過放大器、控制單元、顯示單元等,顯示出相應的壓力數(shù)值。此規(guī)的測量范圍為105Pa~lOPa。

彈性變形真空規(guī)存在的問題

圖11-16電容薄膜規(guī)結(jié)構(gòu)示意圖  

彈性變形真空規(guī)存在的問題

 圖11.17壓阻式絕對壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖


北京真空儀表廠采用壓阻式絕對壓力傳感器生產(chǎn)的HLP-03型低真空計,其原理方框圖如圖11-18所示。儀器的測量菹圍為1.1×105Pa~10Pa,滿量程的精度為0.5%。儀器的特點是線性測量精度高,與被測氣體種類無關(guān),量程自動轉(zhuǎn)換。