電阻真空計測量線路的三種模式
實用的電阻真空計測量線路常采用惠氏電橋或文氏電橋。根據測量熱絲電阻變化的方法不同,可分為三種模式:
(1)定電壓法:保持電橋兩端電壓不變,觀察失平衡電流與壓力的關系。
(2)定電流法:保持熱絲電流(或電橋電流)不變,觀察失平衡電壓與壓力的關系。
(3)定電阻法(即定溫度法):在任何壓力下都用改變電橋電壓的方法,保持電橋于平衡狀態。電橋電壓與壓力的關系即為校準曲線。在此方法中,熱絲電阻及其溫度基本為定值,具有熱輻射及邊桿導熱均為恒定的優點。
在以上三種模式中,常用的是定電壓法和定溫度法。
定壓型電阻真空計的測量線路原理如圖4-4所示。此乃一惠氏電橋,規管Rw為電橋一臂,其鄰臂有一個補償管Rc,以進行溫度補償。補償管Rc的結構尺寸與規管 Rw相同,并預先抽真空至10-2~10-4 Pa后封離。由于Rc與Rw性能一致,且兩者處于電橋相鄰兩臂,因此環境溫度的影響相互抵消,在指示儀表CB中反映不出來。電橋其他兩臂由電阻R1、R2及可變電阻Rv組成,電橋由可調穩壓電源E供電。此真空計一般在高真空下用可變電阻Rv調節電橋平衡,即調零點。
圖4-4 定電壓型電阻真空計測量線路原理圖
當規管內的壓力變化時,由于被氣體傳導走的熱量不同于開始時的平衡狀態,因而熱絲的溫度發生變化,引起其電阻值改變,電橋失去平衡。壓力的變化由指示儀表CB讀出,CB指示的電流值與壓力的關系,通過校準曲線給出。規管熱絲用半徑r1 =0.01mm的鎢絲繞制成圓柱螺旋形,其室溫下電阻Rw =200Ω。由于各種氣體的導熱系數不同,因此,對不同種類氣體的校準曲線是不同的。
定壓型測量線路的優點是結構簡單;不足之處是電橋電壓是固定的,故在壓力高時由于氣體導熱快,熱絲溫度降低,導致規管靈敏度下降,測量高于100Pa的壓力就甚為困難。實際上,定電壓型測量線路的測量上限并未達到規管的理論值(即λ≈r1所對應的壓力)。真空技術網(http://smsksx.com/)認為為了保證高壓力時有較高的靈敏度,必須使熱絲此時處于足夠高的溫度,然而在壓力變低時它的溫度將增高到有可能使熱絲氧化或燒毀的程度。
圖4-5 定溫型電阻真空計測量線路原理圖
定溫型電阻真空計測量線路原理圖如圖4-5所示。其工作原理是:先在10-2~10-3 Pa真空度時,將電橋調于一定的電壓V0(使熱絲溫度為一定值);改變電阻Rv使電橋平衡,即指示儀表CB指向零;當壓力增高時,熱損耗大,熱絲溫度降低,電阻變小,電橋失去平衡,CB有指示;再增高電橋輸入電壓至V使電橋再次平衡,則熱絲溫度及電阻回復原值。
文氏橋定溫型電阻真空計測量線路原理圖如圖4-6所示,電橋采用一種文氏交流電橋電路。R1、C1,R2、C2,R3和規管Rw為電橋四臂。K~為交流振蕩器,其輸出交流電壓V施加于電橋A端與地間,并對規管熱絲加熱。振蕩器的頻率決定于下式
頻率一般選在1~10kHz,以減小分布電容及機械振動對測量的影響。加于熱絲上的電功率Pw視V、R3、Rw值而定,即
圖4-6 文氏橋定溫型電阻真空計測量線路原理圖
熱絲保持定溫的原理如下:當規管壓力降低時,氣體導熱減少,熱絲溫度升高,Rw 增大。真空技術網(http://smsksx.com/)認為此時振蕩器從電橋對角線即M、N兩點輸入的電壓 V1降低,使得放大器輸出電壓 V降低,從而熱絲加熱功率降低,直至恢復原來溫度為止。反之,如果氣體壓力升高,則出現相反的過程,亦能將熱絲溫度恢復原值。
文氏橋定溫型電阻真空計壓力測量上限可達1×103~1×104Pa,反應時間較短,一般為1~5s;但低壓力下的靈敏度比定壓型電阻真空計低,測量下限一般為1×10-1 Pa;測量線路比較復雜。