石英真空計的工作原理與測量范圍
石英真空計的工作原理是應用石英晶振在諧振時諧振阻抗的變化Z- Z0 與氣體壓強有關的特性。Z 為晶振在被測氣體壓強的諧振阻抗, Z0為晶振的固有阻抗, 它是在氣體壓強為零時的諧振阻抗。Z- Z0 隨P 的增長單調上升,。測量Z- Z0 即可知氣體的壓強。
石英晶振的特性曲線
諧振阻抗的測量電路如圖2 所示。
阻抗
Z =UAB/I
UAB —是諧振時晶振AB 兩端電壓
I—是諧振時通過晶振的電流
在本電路中
I=UBC/R
UBC —— —是電阻兩端電壓
所以Z = UAB/UBC×R =(UAC- UBC)/UBC×R
在測量過程中, 振蕩電路電壓UAC 保持恒定, 約100 mV, Z0 在溫度不變時為常數, R 為固定電阻, 可見Z- Z0 單值地決定于UBC , 氣體壓強也單值地決定于UBC 。在P=0 時, 將晶振調至諧振, 即調振蕩電路的頻率, 使UBC 調至最大值( 因為晶振諧振為串聯諧振) 。在此條件下UBC 與氣體壓強是單值關系。UBC 經放大, 檢波后由電壓測量電路輸出, 輸出電壓讀數V 與壓強P 的關系。
在壓強為零時, V 約為800 mV, 在大氣時約為10 mV。不同的晶振略有不同。本電壓測量電路還設置了兩個調節電位器,一是零點調節, 即在壓強為零時調節測量電路使輸出電壓讀數就是固定數值800 mV, 另一是大氣調節, 即在壓強為大氣時調節測量電路使輸出電壓就是固定數值10 mV。這時電壓測量電路輸出電壓讀數V 與壓強P 的關系曲線稱晶振的特性曲線。實驗發現, 特性曲線是穩定、重復性好的曲線, 用該曲線可以測量氣體壓強。本文采用φ2×6 晶振做試驗, 標稱頻率為32.768 kHz 。
在真空計中, 數碼顯示器顯示特性曲線對應的壓強值, 零點調節是在壓強為零時使數碼顯示器顯示0.0×100 , 大氣調節是在壓強為大氣時,使數碼顯示器顯示9.9×104。
石英真空計的測量范圍
石英真空計的上限為105 Pa, 由特性曲線可知, 壓強從105 Pa 到9×104 時, 電壓讀數從10 mV變化到13 mV。在合理的測量時間(4h) 內實際讀數的漂移為2 mV, 因此在105 Pa , 誤差小于10% 。石英真空計的下限由誤差小于10%的范圍決定。φ2×6 晶振在10±1 Pa , 對應電壓讀數的變化為765±3 mV。實測電壓讀數值在4 h 內的漂移約為±3 mV, 因此下限約為10 Pa。 影響下限的因素是溫度對Z0 的影響。控制溫度可以擴展下限。制作專門測量氣體壓強的石英晶振也是一條擴展下限的途徑。
討論
(1) 根據上述石英真空計的性能, 按計量部門真空計量器具的分類, 石英真空計可屬于工作用計量器具。
(2) 本文設計方案已不要測量Z0 值, Z0 變化的影響由零點調節來解決。
(3) 作為批量生產的真空計產品, 誤差還應當適當放寬些。
(4) 石英晶振的諧振阻抗與晶振諧振時的機械振動所受氣體阻力有關, 而阻力與氣體性質有關, 因此石英真空計的讀數與氣體種類有關。
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