美国OMEGA---高压和真空计

美国OMEGA高压和真空

“高压”这个术语是相对的，适用于所有的压力测量。这个术语的确切含义取决于所讨论的特定工业应用。例如，在人工钻石合成工业，常规的反应压力水平在100,000psig（6,900bar）或更高，而光纤和塑料挤压机的工作压力为10,000psig（ 690bar） 。然而，在大多数工厂里，超过1,000psig（69bar）的压力就被认为是高压了。在挤压机上，高压经常伴随着高温，粘性材料会充入所有可能到达的型腔。因此，挤压机的压力传感器通常直接安装在管道的内壁并持续冷却。

高压设计

在膜塞中继器（图4-1A）中，隔膜可检测到高达10,000psig的压力，由于应用了自冷却设计， 可以工作在8000°F（4300°C）的高温下。它的工作原理是基于传感隔膜上的过程压力（P1）与平衡隔膜上的输出气压信号压力（P2）之间的力平衡状态。输出气压信号的压力与过程压力成正比，与两隔膜的面积比成反比。如果隔膜面积比为200：1，过程压力每升高1,000psig，则气压信号升高5psig。膜塞中继器可与挤压机排气管道的1/2英寸转接头通过螺纹连接，以确保316不锈钢隔膜与管道内壁平齐。自冷却由持续的仪表气流保证。另一种机械式高压传感器使用了螺线式波登管元件（图4-1B）。这种装置包含多达20个线圈状的环形管，可以测量超过10,000psig的压力。用于制造这种元件的标准材料是高强度不锈钢，测量误差约为量程的1%。螺线式波登管传感器可以提供很好的过压保护，适于波动较大的压力测量，但必须采取防堵措施。可以配合适用于10,000psig工况的膜塞式高压化学密封元件来进行堵塞防护。图4-1B所示，设计的另一个改进是自由端的移动，可由光学探测而非机械连接。从而消除了连接摩擦导致的误差，是一个很受欢迎的设计。在这类装置中通常设有一个参考二极管，用于补偿光源老化、温

度变化和光学表面的污垢影响。由于传感器的移动通常很小（0.02英寸），滞后效应和可重复性误差通常可以忽略。这类装置可用于测量高达60,000psig的压力。静重标定台也被当作高压传感器校准的基本标准（图4-1C）。把NIST鉴定过的静重砝码置于已知面积的标定台活塞上，然后向加注流体施加相应的压力。（更多细节参见本卷第3章）NIST的测试精度在40,000psig以上的高压环境下约为万分之一点五。工业应用的静重标定台准确度约为千分之一。在高压测量的电子传感器领域，应变计是唯一的选择。（更多关于应变计的工作原理参见第2章）应变计传感器可以探测超过100,000psig的压力，精度约为0.1%量程，或0.25%满量程。这种装置需要温度补偿和定期校准以消除每1000°F温度变化或六个月漂移所带来的0.25%的额外误差。其它类型的电子传感器（电容式、电势式、磁感式和磁阻式）也能用于探测高至10,000psig的压力信号，但都无法达到应变计的高压范围。

超高压

体积弹性模量传感器由一个内端封闭的中空钢制圆柱探针和一个连接在外端的指示杆组成（图4-2）。承受过程压力时，探针压缩，探针末梢在各向同性的收缩作用下向右移动，从而导致外侧的指示杆相应移动。指示杆的移动被转换为压力读数。这种装置的滞后现象和温度敏感度和其它弹性压力传感元件相似。它的最大优点是响应快速，安全性高：实际上，这个装置不可能失效。体积弹性模量传感器可以探测高达200,000psig的压力，误差约为满量程的1%至2%。在另一个高压设计中，锰铜、金铬、铂金或铅制导线传感器被螺旋绕在铁芯上。这些导线材料的电阻会与施加在表面上的压力成比例变化。这种装置对温度变化相当不敏感。锰铜的压力-阻值关系是正向、线性而且显著的。锰铜压力计支持高达400,000psig的压力范围，精度约为满量程的0.1%至0.5%。它的主要缺点是过于精密，容易被压力脉冲或粘度影响破坏。一些固体可在高压下液化。这个状态改变现象也可用作过程压力指示。例如：铋会在365,000到375,000psig之间液化，同时伴有体积的收缩。其它材料如汞等也有类似的属性，可被用于压力到达某一特定区间的指示。

真空测量

早在十七世纪，注意到水泵无法从30英尺以上深度抽水42 第3卷技术手册的工程师们开始关注真空的测量。意大利的托斯卡纳公爵委派伽利略来研究这一“问题”。与其他人一样，伽利略设计了许多实验来研究空气的属性。这些实验工具包括用于测力的活塞和一个高达34英尺的充水气压计，用于测量真空压力。伽利略于1642年去世后，埃万杰利斯塔托里拆利继续真空相关的研究，并发明了水银气压计（图4-3）。他发现大气压的极限力量是14.7磅每平方英寸（psi），在一个抽成真空的管子里可以将汞柱抬高到29.9英寸（760mm）。从此汞柱高度就成为大气压力的直接量度。1644年， 法国数学家布莱士•帕斯卡请一批登山者将气压计带上阿尔卑斯山，证明了气压随海拔高度而降低。海平面处的平均大气压力与760mm汞柱相当，并被定义为标准大气压力。它的1/760被称为一“托”，以纪念托里拆利。1872年， 麦克劳德发明了麦克劳德真空探测计，利用依次在未知低压状态和已知参考压力状态测量等量气体体积的方法来测量真空压力。增至参考压力下的体积读数即反映了初始状态的绝对压力。麦克劳德真空计的各种版本沿用至今，成为校准真空计的标准。•

应用

现代真空计主要分为三大类：机械式、传热式和离子式。图4-4显示了它们各自的压力范围。总体上，对于高真空应用（10-6torr左右），冷阴极真空计或贝阿德-阿尔珀特热阴极真空计较为适合。二者都算不上特别精准或稳定，也都需要经常校准。43对于毫托级的真空范围（常见于真空喷镀应用），可以考虑选用热阴极真空计。为了在这个中间区域获得更为精确的测量结果，电容式压力计是一个不错的选择。对于中等真空应用（在10-4到10-2托之间），电容式压力计可以提供最优的性能，但也最为昂贵。最便宜的是热电偶类压力计，但它的误差也最大。数显式皮拉尼真空计是一个不错的综合解决方案，能提供介于电容式和热电偶式真空计之间的准确度水平。对于在大气压和10-2托之间的低真空（更高的压力）应用，波登管、膜盒、应变计和电容传感器都可适用。

• 机械式设计

机械式压力计利用管或隔膜在承受不同压力时的形变来实现压力或真空的测量。元件的一侧通常暴露于参考真空下，然后仪器对元件另一侧承受未知真空压力时产生的机械形变进行测量。石英波登管：与标准波登管相似，这种压力计使用螺旋石英元件，但利用旋转形变替代了机械运动连接。当用于真空探测时，两个石英波登管合并为一个螺旋。参考端与密闭真空连通，测量端与未知过程真空连通。两端的压力差值使元件产生角度形变，并用光学方法测得。光学读数具有很高的分辨率，约为十万分之一。这种传感器的优点是较高的精度和石英的耐腐蚀性。主要缺点是价格太高。压力计：一个基本的压力计由贮液容器和竖管组成（图4-5。用于真空探测时，竖管顶部密封且抽成真空。没有贮液器的压力计就是一个简单的U型管，一端密封且抽真空，另一端与未知过程压力连接（图4-5A）。两管间的液面高度差即为过程真空的示数。倾斜式压力计（图4-5D）由一个贮液器和一根以一定角度安装的透明管组成。微小的真空压力变化即会导致相对较大的液面移动。压力计构造简单、成本低廉，可用于探测低至1毫托的真空。电容式压力计：电容式传感器通过测量传感隔膜相对于固定电容极板移动所导致的电容值变化来进行真空测量（图4-6）。过程真空度越高，测量隔膜距固定电容极板的距离就越远。在一些设计中，隔膜可以移动。另一些设计则使用可变直流电压将传感器的惠斯通电桥保持平衡。所需的直流电压即为压力示数。电容式压力计的最大优点42 第3卷技术手册是它可以探测到极微小的隔膜运动。准确度通常为示数的0.25~0.5%。薄隔膜可以测量低至10-5托的高真空，较厚的隔膜则可测量低真空至大气压力的范围。为了覆盖较广的真空范围，可以将两个或多个电容传感探头连接到一个复合量程套件中。电容式隔膜压力计在半导体工业得到了广泛的应用，这主要是由于它的镍铬合金壳体和隔膜十分适于这个行业的腐蚀性工况。它的高准确度和不易污染等特性也受到了一致好评。麦克劳德真空计：发明于1878年的麦克劳德真空计利用给定压力压缩已知体积的定量气体来实现压力测量。压缩后的体积即为初始绝对压力的示数。麦克劳德真空计主要用于其它真空计的校准，自诞生以来沿用至今，改动甚微。它适用的真空范围是1至10-6torr。分子动量式：这种真空计由一个定速旋转的转子驱动。过程样本中的气体分子与转子接触后被推入抑制缸中。冲击力推动抑制缸的行程正比于这一过程所传递的能量，从而成为气体分子数的一种度量。这种仪器的量程取决于待测气体的种类。每次使用前都需要进行校准。粘滞摩擦：在高真空环境下，粘度和摩擦力都与压力有关。这种仪器通过探测一个在磁场中转动的小球受气体分子摩擦产生的减速度，可以测量低至10-7torr的真空。真空度通过测量撤除驱动力后，小球转速从每秒425转下降至每秒405转所需的时间得出。真空度越高，摩擦力就越低，所需时间就越长。这种设计的准确度为1.5%读数，耐腐蚀，可工作于高达7500°F的高温环境。传热式设计：在真空范围内，气体的热导率与压力一同变化。若将被恒定电源加热的元件置于气体中，元件表面温度将为元件周围真空压力的函数。由于传感器本身是电加热的导线，传热式真空传感器常被称为热线压力计。通常下，热线压力计可用于测量低至10-3mmHg的真空。皮拉尼式：这个设计由一根电加热的传感导线构成，通过测量维持导线恒温所需的电流强度来测量导线周围的气体压力。不同气体的热导率是不一样的，因此在测量不同气体前需要对仪器进行校准。皮拉尼式真空计无法工作于1.0托以上的压力范围，因为在此范围内气体的热导率不再与压力相关。皮拉尼式真空计在10-2至10-4torr范围内是线性的。在此压力范围以上近似为对数输出。皮拉尼式真空计的成本低廉，便于使用，且具有相对不错的准确度。校准点的准确度约为2%，工作范围内的准确度约为10%。热电偶式：热电偶式真空计将过程真空中的电阻丝温度与真空度进行关联。电阻丝被4520-200mA恒定直流电流加热， 从而热电偶输出约为20mV左右的直流电压。加热导线的温度随着压力的降低而升高。典型的热电偶式真空计可测量1毫托至2托的真空范围。使用配备了数/模转换器和数字处理器的传感器控制装置可以扩展这个测量范围。使用工业标准的热电偶传感器，传感器控制装置可以将测量范围扩展到10-3至1,000托，从而以更为低廉的价格获得与对流式皮拉尼式真空计相近的测量范围。对流式真空计：与皮拉尼式真空计相似，这种传感器使用温度补偿的镀金钨导线来探测传导和对流的冷却作用，从而扩展了传感范围。在高真空下，传感器主要响应气体的热传导作用，在低真空下则主要依靠气体分子的对流冷却作用。测量范围为10-3至1,000torr。除适用范围拓宽外，这种传感器的优缺点与皮拉尼式真空计和大多数热电偶式真空计都基本相同。复合式真空计：为了解决单个传感器的应用范围限制问题，生产厂商开发了将多个传感器探头信号连接的方法。例如，某些厂商提供的宽量程真空计将两种传感器合并在一个外壳中：一个具有很高响应速率，用于测量1,500torr至2torr范围的隔膜传感器，和一个用于测量2torr至1millitorr范围的皮拉尼式真空计。控制器会在两个传感器间自动切换。离子式真空计种类：离子式探测器诞生于1916年。它们利用空气电离产生的离子电流来测量真空。主要包括两大类：热阴极式和冷阴极式。贝阿德-阿尔珀特于1950年改进完善了热阴极式真空计，这种真空计的炽热灯丝向真空中发射电子，与气体分子撞击从而产生离子（图4-7）。这些带正电荷的离子被加速并向收集器运动，从而在常规的离子计探测电路中产生电流。所产生的电流正比于气体密度或压力。大部分热阴极传感器的真空测量范围是10-2至10-10 torr。新型的仪器利用一个调制46 第3卷技术手册后的电子束对探测到的离子电流同时反馈两个测量值，从而拓宽了测量范围。在低于10-3torr的压力范围，这两个值几乎是相同的。在更高的压力范围，两个读数之间的比值单调增大，从而支持绝对压力高至1 torr的真空测量。在1950年，大多数真空系统都是用玻璃制造的，因此电极系统也顺理成章地都用玻璃包覆起来。然而，现在的真空系统可以完全采用金属制造。支持这一设计的观点是，玻璃会在每次抽真空时分解，产生干扰测量的钠离子或其它形式的污染。不过玻璃制热阴极真空计仍然是目前的主流应用。冷阴极式：热阴极和冷阴极式真空计的最大区别在于电子的产生方式。在冷阴极装置中，利用很强的电场将电子从电极表面俘获。在菲利普斯设计中（图4-8），管道周围的磁场使电子偏转，令穿过磁场向阳极运动的电子进行螺旋环绕。这种螺旋运动增大了电子相互碰撞进而将分子电离的几率。这种装置的典型测量范围是10-10 至10-2 torr。冷阴极装置的最大优点是不需要烧损灯丝，装置内不怕进入空气，并对振动影响较不敏感。