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真空計介紹真空計概論真空計是真空系統的眼睛，讓我們看清系統工作的情況，在真空技術領域，真空度涵蓋了由760torr到10–13torr的範圍，相當於1016的大小，真空計是依據各種物理原理來量測壓力或是分子數目的多少，到目前為止，尚無任何一種真空計可以量測一大氣壓到10–13torr之高真空範圍。I.真空計之分類真空計之設計需具備高靈敏度(Sensitivity)、高準確度(Accuracy)及高可靠性(Reliability)等性能，同時要擁有使用壽命長、價格低及安裝簡單等優點。傳統真空壓力計依工作原理區分可分類成：(1)機械式，(2)電氣式，(3)熱導式，(4)離子式，(5)黏滯式等五大類。若依工作方式來區分又有(1)直接式-依作用力大小分類，(2)間接式-依氣體種類分類等兩大類，如圖所示。這些真空計皆是依據所欲量測壓力範圍之不同氣流狀態來設計適當感測元件。然而，這些真空計或多或少在量測壓力範圍、精確度及靈敏性上受到相當限制，在未來應用上仍有許多可改進發明之空間。1‧直接式：利用壁或膜受力作用產生位移變化以作壓力指示。2‧間接式：透過某些物理量〈如熱導度、電離式、黏滯度〉的量測以量度壓力，該物理量的大小與氣體分子數目多少亦即壓力高低有關。依量測範圍分：真空壓力單位真空壓力單位及各單位間之互算如表：II.機械式真空計1.波爾登真空計〈BourdonGauge〉A.量測範圍：1atm~1torrB.結構：A.工作原理：波爾登管一端接系統，一邊封閉彎成橢圓形，管內壓力變化時，內外側管壁受力大小不同而改變該管的彎曲率，透過槓桿與齒輪裝置，把微小之機械變化量放大並轉換成壓力指示。2.膜盒真空計：〈DiaphragmGauge〉A.量測範圍：1atm~0.1torrB.結構：C.工作原理：使用銅鈹合金材料膜片(Diaphragm)或膜盒(Bellow)，內部密封並維持參考真空狀態，隨著膜片〈盒〉另一面壓力之改變，膜片產生偏折，由偏折量之多少以指示壓力之大小。3.電容式真空計：〈CapacitanceManometer〉A.量測範圍：1atm~10torrB.結構：C.原理：電容真空計實際上市膜盒真空計之形成，只是此時壓力變化是透過機械偏折量轉變成電〈電容改變〉的信號，為一種電容性電位計。-5III.熱導真空計1.熱導真空計概論A.量測範圍：1atm~10torrB.工作原理：真空中發熱體〈Heatedelement〉之熱傳遞〈HeatTransfer〉與氣體分子數目多少〈即壓力大小〉成正比關係，但此種關係僅在某一特定之壓力範圍成立，因此由熱漏失量的多少，可反求壓力之大小。C.熱導式真空計種類：1)巴喇尼真空計〈PiraniGauge〉2)熱偶真空計〈ThermocoupleGauge〉3)熱敏電阻真空計〈ThermisterGauge〉2.熱偶真空計A.量測範圍：1~10torrB.裝置：包括一電子控制器與一感測頭。-3-3C.原理：系統內之氣體分子與發熱體碰撞並帶走熱量，壓力越高，則氣體分子數目越多，因此發熱體的溫度變低，熱電偶壓降減少，反之則溫度較高，熱電偶壓降較大，由熱電偶電動勢之大小〈約為0~15mV〉可校正為壓力之指示。3.巴喇尼真空計A.量測範圍：1atm~10torrB.裝置：包括電源供應器，惠登斯電橋〈Wheatstonebridge〉及指示電表。C.原理：與熱電偶真空計相似，感測頭內有一熱阻係數大的發熱體，氣體分子可帶走發熱體之熱量，當壓力大時，帶走之熱量多，發熱體溫度降低，其電阻值隨之下降，巴喇尼真空計利用電阻值的改變以量測壓力。R2=R1/R3×R4壓力大小可由電流表M之電流校正得知。-3IV.離子式真空計1.放電管〈DischargeTube〉A.量測範圍：10torr~10torrB.結構：C.工作原理：利用高壓〈幾千伏特大小〉氣體輝光放電〈GlowDischarge〉的現象以作真空系統真空指示。壓力大小─由放電形狀判定氣體種類─由放電顏色判定-3放電管放電現象與壓力大小之約略關係：放電外觀與壓力變化之關係：a)壓力達到10torr上下時，開始跳動的火花放電。b)壓力再1torr上下時，由火花放電轉變成兩電極之間細長之輝光放電區c)在0.5torr時，開始有較明顯的條紋產生。d)在0.1torr上下，條紋漸失克魯克斯暗區增長。e)0.01torr以下，管壁有螢光但不易察覺。2.冷陰極真空計〈ColdCathodeGauge〉冷陰極真空計又稱為彭甯真空計〈PenningGauge〉量測範圍：10~10torr結構：冷陰極真空計典型構造包含一高壓電源與永久磁鐵，放電電極等。-2-7•陽極電壓：2000~4000伏特，陰極接地•電流表：微安培表〈μ-Amp〉電子＋離子•陰極材料：鋁，鎳或不鏽鋼•磁場強度：約1000高斯C.工作原理：陰陽極間加以高壓，由陰極放出電子，磁場使帶電離子或電子局限於放電區，並造成電子在兩陰極間作螺旋用動，此作用增長電子運動路徑，並增加電子與氣體碰撞的機會，促使產生更多之離子以增大電流信號。由不加熱之高壓電極間產生所謂的冷放電〈Colddischarge〉現象，即冷陰極真空計名稱由來。3.離子真空計〈IonizationGauge，HotCathode〉A.量測範圍：10~10torrB.結構：離子真空計有不同形式，以最常用的B‧A‧型而言，-1-12包括感測頭以及控制單元，控制單元含電子發射電流調節器，電流信號放大器，各電極間偏壓穩定器，以及除氣電源，燈絲過壓保護線路等。C.工作原理：熱燈絲放射之電子被加速後，與系統中之氣體分子碰撞並將之游離，正離子被集極(Collector)收集，所造成之電流大小與分子數目多少，即系統壓力成正比，由電流之量測來指示壓力之大小。VII.真空計之安裝位置1.真空計感測頭與真空裝置的連結應注意A.安裝位置可指示實際真空製程的壓力位置2壓力指示最接近真空室中工作壓力。B.便於操作若為離子真空計，則位置1較佳，因為每次真空室見大氣時，真空計位於高真空閥門之下不必費心開關，各電極一直在高真空狀態而不吸附氣體，但此時壓力較實際工作壓力低。C.有時遷就系統現有之接口而使用長窄之管路，如位置3，則視真空計之淨潔度與管路之大小，其壓力讀數則會不準確。D.有些真空計之安裝與其為垂直或水平有關係，垂直安裝可避免凝結物等雜質沉積或高熱燈絲彎曲造成短路現象。E.安裝位置必須盡量避免震動產生。F.對溫度靈敏之真空計必須避免安裝在熱源或輻射照射位置。