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了解真空技术中普遍存在的导热压力表以帮助它们正确应用

编辑:ca88会员登录入口发表时间:2018-09-14

    对于几乎所有的真空工艺和真空从业者来说,测量压力是必需的,但压力范围和所需精度和精度的程度有很多变化,因此不可能识别出对所有人都有用的单一类型的压力表。应用可能不同于简单地监控抽空循环的全部或部分,仔细测量严格的极限压力,或测量和控制关键工艺气体。但是,有两种类型的仪表可以说是许多仪表类型中最常用的仪表:电离仪表和导热仪表。

    需要在高真空过程中提供测量,该测量遵循从大气压通过容积区并进入干燥区的抽空循环。导热系统可以在整个容积区域内跟随压力,但是当系统进入低于约10 -3托的干燥区时,水蒸气成为主要的残余气体,需要一个电离计。一般情况下,除了一些扩展范围计的修改,这两个仪表一起可用于覆盖整个抽空循环。这就是为什么如此多的电子仪表将两种类型的仪表组合在一起。

   (上)热电偶测量仪示意图:加热线传感元件是惠斯登电桥的一条腿,当电线根据压力变化改变温度时,电桥失去平衡,提供压力读数的模拟。 
   (下)皮拉尼仪表示意图:加热线传感元件根据压力变化改变温度,热电偶测量电线的温度。

    导热系数和压力:
    放置在外壳内的热线将热能从线传递到与其接触的任何气体分子,并且能量将再次传递到外壳的壁上。随着气体分子的连续运动,只要气体分子的数量(压力)保持恒定,就会达到热平衡。但是,如果压力发生变化并且电线被来自恒定电源的电流电阻加热,则将达到新的热平衡,并且电线的温度将改变以反映可以带走热量的新的气体分子数量从电线。这意味着电线的温度可以用作包络内压力的指示。

    这是所有导热压力表的基本原理。在约10 -3 -1托的压力范围内,压力与线温度的变化保持相当线性。低于此范围,传热主要来自电线表面的辐射,主要是通过其上方的热对流。覆盖该范围的导热系数已经使用多年,分为两大类:热电偶测量仪和皮拉尼测量仪。

    热电偶测量仪:
    热电偶测量仪,顾名思义,使用连接到热线的热电偶来测量其温度。例如,如果使用热电偶测量仪来监测抽气循环,则随着压力下降,导线将变得更热和更热,并且越来越少的分子可用于将热量从导线传递出去。

    热量也通过热电偶线和热线的支撑/馈通销流动传递。

    这意味着整个传感阵列必须由导电金属引线构成,其直径尽可能小,以避免过多的热量损失。当电线最热时,这个问题在仪表的最低压力下变得更加严重。由于加热线在大多数热电偶测量仪中需要在200-300°C的最高温度下工作,因此它由贵金属(如铂)制成,以避免氧化问题。

    在最低压力下,如果使用油密封机械泵,则热线经常暴露于油蒸汽。油蒸汽可以破裂以留下碳沉积物或聚合以在金属丝上留下一层隔热层。由于泵油的回流速率在低压下最大,这可能是一个重大问题,因为它会改变仪表的校准。虽然有时可以通过用溶剂冲洗来清洁压力表,但是不能确保成功。溶剂可能无法完全去除涂层,电极阵列需要足够精细,以至于晃动液体很容易造成机械损坏。必要的美味也意味着他们将无法承受错误处理的冲击,例如自由落入水泥地面。

    校准热电偶仪表,使电线的温度显示为压力读数。这允许考虑诸如通过支撑电极的热流的变化之类的问题。无法校准的一个问题是基于电线必须随压力变化而改变温度的事实。即使传感阵列的热容量和热流特性保持最小,但是存在与温度变化相关的一些滞后时间以响应压力变化。在大多数应用中,这不是问题,但是在快速抽空或回填操作中可能发现的快速压力变化会显示响应时间的显着延迟。

    皮拉尼压力表:
    皮拉尼压力表还可以利用加热丝的温度变化,但与热电偶压力计不同,它们不直接测量导线温度。相反,他们利用金属线的电阻随着线的温度而变化的事实。如果将加热线制成惠斯通电桥的一条腿,其中平衡腿暴露在环境温度下作为补偿器,并且这两条线都设置在两个固定电阻器上,当传感器线变化时,平衡电路将失去平衡压力变化阻力会改变导线的温度。一般来说,皮拉尼压力表使用比热电偶测量仪更冷(120-200°C)的加热线,这使得它们不太可能被机械泵油污染。

    由于诸如较小电极之类的差异,用恒定电流加热的皮拉尼压力表通常比热电偶压力计具有更快的响应时间。现在许多现代仪表都以恒温模式运行。单独的电路不断改变功率输入以保持恒定的传感器电阻。这会产生完整的响应时间(以毫秒为单位)。

    气体物种灵敏度:
    热电偶和皮拉尼压力表都有一个潜在的应用问题,因为它们对被测量的特定气体物种的灵敏度差异很大。这是由于不同气体显示的导热率变化很大。由于这些仪表最常用于监测大气压下的抽空,这很少成为问题,但如果需要对特定气体进行仔细的压力测量,则可能会出现问题。当已知待测气体时,大多数商业单元将提供校准表,曲线或因子,以便转换压力读数。如果非常精确的压力读数,例如工艺气体所需的压力读数,最好考虑一个均衡响应所有气体的电容压力计。

    对流增强:
    尽管早期的导热压力表被限制在低于约1托的高压范围内,因为热传递从热导率转移到高压下的对流,新的测量仪已经解决了这个问题。现在有许多仪表可以将其范围扩展到大气压力。已经应用各种技术来解决由于对流气体运动引起的线温度的变化。该列表包括补偿电极和小到足以阻止对流运动的间距。在许多情况下,增强技术要求管子以特定的姿态安装以考虑更高范围内的气体运动。

    扩大范围还引入了额外的特定气体敏感性问题。如果使用压力表用氩气等重气体将腔室回填到大气压力,那么校准氮气的读数读数会很低,以至于腔室在大气显示之前很久就会变得压力过大,并且出现明显的安全问题结果。

    应用:
    与所有真空设备一样,导热压力表对应用敏感。通常,这些设备在用于监控抽空循环时处于最佳状态。它们便宜且可靠,但它们通常不具有严格测量工艺气体所需的精度。它们对不同气体物种的不同响应使它们成为良好的实用泄漏检测器,因为除了空气之外的探测气体(例如氦气)将产生突然且大的读数差异。适当的应用可以使它们成为非常有用的设备。

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