真空测量及真空度表征和单位

2020-05-06 真空技术网 真空技术网整理

1、什么是真空测量

  真(zhen)空(kong)测量就(jiu)是真(zhen)空(kong)度(du)的测量,而真(zhen)空(kong)度(du)是指低于(yu)(yu)大气压(ya)力(li)的气体稀(xi)薄(bo)程度(du)。以压(ya)力(li)表示真(zhen)空(kong)度(du)是由(you)于(yu)(yu)历史上沿用下来的,并(bing)不十(shi)分合理。压(ya)力(li)高(gao)意味着真(zhen)空(kong)度(du)低;反之,压(ya)力(li)低与(yu)真(zhen)空(kong)度(du)高(gao)相对应。

  真空测量(liang)(liang)包括全压力测量(liang)(liang)、分压力测量(liang)(liang)和真空计校准三(san)个部分。

  用以探测(ce)低压(ya)空(kong)间稀(xi)薄(bo)气体(ti)压(ya)力所用的仪器称为(wei)真空(kong)计。本文所述压(ya)力的测(ce)量是(shi)指比大气压(ya)力小得多的气体(ti)压(ya)力测(ce)量。

  压力是(shi)一个力学量,为单(dan)位(wei)面(mian)积所(suo)(suo)承(cheng)受的(de)力。大(da)(da)气(qi)压力为101325Pa,直接测(ce)(ce)量这样大(da)(da)的(de)压力是(shi)容易的(de),但在真(zhen)空技术中(zhong)(zhong)(zhong),测(ce)(ce)量这样大(da)(da)的(de)压力是(shi)比(bi)较少(shao)的(de)。真(zhen)空技术中(zhong)(zhong)(zhong)遇到的(de)气(qi)体(ti)压力都很低,如有时(shi)要测(ce)(ce)lO-10pa的(de)压力,这样极小(xiao)的(de)压力用直接测(ce)(ce)量单(dan)位(wei)面(mian)积所(suo)(suo)承(cheng)受的(de)力是(shi)不可能(neng)的(de)。因此,测(ce)(ce)量真(zhen)空度的(de)办法通常是(shi)在气(qi)体(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)造成一定(ding)的(de)物理现象(xiang),然后测(ce)(ce)量这个过程中(zhong)(zhong)(zhong)与气(qi)体(ti)压力有关的(de)某些物理量,再设法间接确定(ding)出真(zhen)实压力来。

  真空(kong)计种(zhong)类(lei)繁多(duo),工作原理各(ge)异,除极少数几种(zhong)是直接测量(liang)压力外(wai),其它几乎都(dou)是间接测量(liang)压力的。

  被(bei)测(ce)(ce)(ce)量气(qi)体(ti)除(chu)少(shao)数情况外(wai),多(duo)为混(hun)(hun)合(he)气(qi)体(ti)。上述压(ya)力(li)测(ce)(ce)(ce)量是指混(hun)(hun)合(he)气(qi)体(ti)全压(ya)力(li)测(ce)(ce)(ce)量。在近代真空测(ce)(ce)(ce)量技术中,分(fen)(fen)压(ya)力(li)测(ce)(ce)(ce)量越来越重要(yao)。这里所说的分(fen)(fen)压(ya)力(li)测(ce)(ce)(ce)量是指全面(mian)地(di)测(ce)(ce)(ce)出(chu)混(hun)(hun)合(he)气(qi)体(ti)各组成(cheng)成(cheng)分(fen)(fen)的分(fen)(fen)压(ya)力(li)。这样,混(hun)(hun)合(he)气(qi)体(ti)的全压(ya)力(li)就等(deng)于其各组成(cheng)成(cheng)分(fen)(fen)的分(fen)(fen)压(ya)力(li)之和。

  现代分(fen)压力真空计都属于电离(li)类(lei),即先将(jiang)(jiang)气体(ti)电离(li),然后将(jiang)(jiang)所得的各成分(fen)离(li)子(zi)加速,再把(ba)离(li)子(zi)引进分(fen)析(xi)器(qi),将(jiang)(jiang)离(li)子(zi)分(fen)开,分(fen)别测出(chu)各成分(fen)离(li)子(zi)流强(qiang)度,便可知(zhi)气体(ti)的成分(fen)和数量。分(fen)析(xi)器(qi)有(you)磁的、电的、电磁结合和其它方式等。有(you)时只需知(zhi)晓被测系(xi)统(tong)残(can)余气体(ti)成分(fen)和相对含量,并不要求测出(chu)分(fen)压力值,这种(zhong)仪器(qi)称为残(can)余气体(ti)分(fen)析(xi)仪。

  正确(que)的压(ya)力(li)测量(liang)必须对真(zhen)(zhen)(zhen)空(kong)(kong)计(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)进行(xing)校(xiao)准。因为多(duo)数真(zhen)(zhen)(zhen)空(kong)(kong)计(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)是(shi)通(tong)过与压(ya)力(li)有关的物(wu)理(li)量(liang)来(lai)间接(jie)反应压(ya)力(li),而不能直接(jie)通(tong)过真(zhen)(zhen)(zhen)空(kong)(kong)计(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)有关参数计(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)算求得(de)压(ya)力(li)值。这种真(zhen)(zhen)(zhen)空(kong)(kong)计(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)必须用标准真(zhen)(zhen)(zhen)空(kong)(kong)计(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)或(huo)能产生已知低压(ya)的校(xiao)准装置进行(xing)校(xiao)准。可以(yi)说,真(zhen)(zhen)(zhen)空(kong)(kong)计(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)校(xiao)准是(shi)真(zhen)(zhen)(zhen)空(kong)(kong)测量(liang)的基础(chu),是(shi)发展真(zhen)(zhen)(zhen)空(kong)(kong)测量(liang)的有力(li)工具。

  真空(kong)计(ji)量(liang)器(qi)(qi)(qi)(qi)具(ju)分(fen)三(san)类(lei):计(ji)量(liang)基准(zhun)器(qi)(qi)(qi)(qi)具(ju)、计(ji)量(liang)标(biao)准(zhun)器(qi)(qi)(qi)(qi)具(ju)和(he)工作计(ji)量(liang)器(qi)(qi)(qi)(qi)具(ju)。前两类(lei)用于复现(xian)和(he)传递真空(kong)度(du)量(liang)值(zhi),统(tong)一全国真空(kong)量(liang)值(zhi);而后一类(lei)是在现(xian)场应用。三(san)种计(ji)量(liang)器(qi)(qi)(qi)(qi)具(ju)的不(bu)确定度(du)依次降低。

2、真空度的表征及单位

  用(yong)压力表示真(zhen)空度是由历史(shi)上采用(yong)U型压力计测量真(zhen)空所形成的,这并(bing)不十分合理。

  在一(yi)般真(zhen)空系统中,通常(chang)以(yi)各向同性(xing)的中性(xing)气体的压(ya)力(li)这一(yi)流体静(jing)力(li)学(xue)的物理量表(biao)示真(zhen)空度,因(yin)此,真(zhen)空度的测(ce)量仅(jin)仅(jin)归结于压(ya)力(li)的测(ce)量。但特别应注意测(ce)量条件。测(ce)量的对象是在有限的容器内、静(jing)止(随机运(yun)动(dong))、稳态、各向同性(xing)单一(yi)的中性(xing)气氛。在这种情况下,麦(mai)克斯(si)威(wei)速(su)度分布(bu)、余弦散(san)射定律和流体静(jing)力(li)学(xue)压(ya)力(li)概念( p = nkT,v = 1/4nc,p = ρgh)都较好地(di)符合(he)客观实际,真(zhen)空度的测(ce)量也比(bi)较简单容易。

  根据真空(kong)(kong)度定(ding)(ding)义(yi),真空(kong)(kong)度最(zui)好用(yong)(yong)分(fen)(fen)子密(mi)度n表(biao)示(shi)(shi),而以(yi)压力(li)(li)(li)表(biao)示(shi)(shi)真空(kong)(kong)度与此(ci)并不(bu)矛(mao)盾。测(ce)量(liang)压力(li)(li)(li)时,一般(ban)气体处于平(ping)衡态并满足(zu)麦(mai)克斯威速度分(fen)(fen)布定(ding)(ding)律,即 p = nkT 成立(li)。测(ce)量(liang)时气体温度T一定(ding)(ding),所以(yi)气体压力(li)(li)(li)p正(zheng)比(bi)于分(fen)(fen)子密(mi)度n。也就是(shi)说(shuo),此(ci)时压力(li)(li)(li)是(shi)分(fen)(fen)子密(mi)度的量(liang)度,所以(yi)可以(yi)用(yong)(yong)压力(li)(li)(li)表(biao)示(shi)(shi)真空(kong)(kong)度。

  在空间(jian)研究(jiu)中,研究(jiu)对象是无限(xian)空间(jian)运动(1~lOkm·s-1或(huo)更高)、非稳(wen)态、综合(he)环境作用下的(de)(de)复(fu)杂(za)气氛(fen),此时麦克斯(si)威速度分(fen)布(bu)定律和余弦散射定律就不一定成立,所以(yi)压(ya)力也失去(qu)了(le)原来的(de)(de)物理意义,真空度的(de)(de)测量比较复(fu)杂(za)和困难了(le)。

  在(zai)一般情况下,以(yi)压力表示真空(kong)度是流行、沿用的(de)(de),但(dan)也(ye)不是唯(wei)一的(de)(de),还可以(yi)用如下参(can)数表示真空(kong)度:

  真空(kong)度表示(shi)方法

  当真空度很高时(shi),即分(fen)子(zi)密(mi)度很小(xiao)时(shi),统计(ji)涨落(luo)十分(fen)明显,如(ru)压力 p = 10-12pa时(shi),统计(ji)涨落(luo)已(yi)(yi)大于5×10-2,压力已(yi)(yi)失去真实意义。由此(ci)看(kan)来,在某些(xie)情况下(xia),压力只是其它量的相(xiang)对指示(shi)而已(yi)(yi)。

  根据气体分子(zi)(zi)对表(biao)面碰撞(zhuang)而定义的气体压力(li),是碰撞(zhuang)单位表(biao)面积(ji)气体分子(zi)(zi)动(dong)量垂直分量的时间变化率,即单位面积(ji)上所受的力(li),单位为(wei)“帕斯卡(ka)”(Pascal),简称“帕”(Pa)。

  1Pa = 1Nm-2

  在工程上有(you)时(shi)嫌帕(pa)的量值太小,常采用kPa和MPa表示(shi)压力。

  低真(zhen)空(kong)时,有时用“真(zhen)空(kong)度(du)百(bai)分数”表示(shi),比(bi)如水环式(shi)真(zhen)空(kong)泵(beng)、往复式(shi)真(zhen)空(kong)泵(beng)和直排大气(qi)罗茨真(zhen)空(kong)泵(beng)常用此单(dan)位表示(shi)真(zhen)空(kong)度(du)。

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