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直圧式真空計はどのように機能するのか?

ガスの種類に依存しない圧力測定が可能な真空計

機械式真空計は、気体が充填した空間内の粒子(分子と原子)がその熱速度によって表面に作用する力を記録することで、圧力を直接測定します。 

ブルドン真空計

円弧状に曲げた管(いわゆるブルドン管)(3)の内部を、排気する容器に接続します(図3.2)。外気圧の影響により、チューブの端は排気中に多少たわみ、付属のポインター機構(4)と(2)が作動します。圧力測定値は外部大気圧に依存するため、周囲大気圧の変化を補正しない場合、約10 mbarの精度しか得られません。 

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図3.2 ブルドンゲージの断面図

  1. 接続フランジとの接続チューブ
  2. ポインター
  3. ブルドン管
  4. レバーシステム

ダイヤフラム真空計

カプセル真空計

ダイヤフラム式真空計の最もよく知られた設計は、アネロイドカプセルを測定系とする気圧計です。銅とベリリウムの合金でできた、密閉された真空の薄壁ダイアフラムカプセルを備えています。圧力が下がると、カプセルダイヤフラムが拡張します。この動きはレバーシステムによってポイントに伝達されます。この原理に従って設計されたカプセル真空計は、外部の大気圧に左右されず、リニアスケールで圧力を示します。

DIAVACダイヤフラム真空計

50 mbarに満たないレベルでは、可能な限り正確な圧力測定が要求されることがよくあります。この場合、別のダイヤフラム真空計のほうがより適しています。すなわち、圧力スケールが1~100 mbarの間でかなり拡張されているDIAVACです。ゲージヘッドのレバーシステム(2)がある内側の部分(図3.3を参照)は、10-3 mbar未満の基準圧力prefまで排気されます。容器の閉鎖は、特殊鋼の波形ダイヤフラム(4)の形をしています。容器を排気しない限り、このダイヤフラムは壁にしっかりと押し付けられています(1)。排気量が増加すると、測定される圧力pxと基準圧力の差は減少します。ダイヤフラムは最初はわずかにしか曲がりませんが、100 mbar未満ではより大きく曲がります。DIAVACでは、ダイヤフラムのたわみが再びポインター(9)に伝わります。特に、1~20 mbarの測定範囲が大幅に拡張され、圧力がかなり正確に読み取られるようになります(約0.3 mbar)。この装置の振動に対する感度は、カプセル真空計よりも若干高くなっています。 

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図3.3 DIAVAC DV 1000ダイヤフラム真空計の断面図

  1. ベースプレート
  2. レバーシステム
  3. 接続フランジ
  4. ダイヤフラム
  5. 基準圧力 pref
  6. ピンチオフエンド
  7. ミラーシート
  8. プレキシガラスシート
  9. ポインター
  10. ガラスベット
  11. 取付板
  12. ハウジング

カプセル真空計は、10 mbarまでの圧力を正確に測定します(リニアスケールのため、スケールの低圧側で最も精度が落ちます)。30 mbar未満の圧力しか測定しない場合は、DIAVACの測定値(上を参照)の方が精度が高いので、こちらをお勧めします。非常に精密な測定精度が要求される場合は、精密ダイヤフラム真空計を使用する必要があります。低圧を正確に測定する必要があり、そのために例えば100 mbarまでの測定範囲を選択した場合、それより高い圧力を測定することができなくなるのは、これらのゲージがリニアスケールだからです。すべての機械式真空計は、ある程度振動に敏感です。バックポンプに直接接続した場合に生じるような小さな振動は、一般に有害ではありません。 

ひずみ / ピエゾダイヤフラムゲージ

ダイヤフラムのたわみは、「ひずみ」として、あるいは静電容量の変化として電気的に測定することもできます。これまでは、ダイヤフラムがたわんだとき、つまり、引張り荷重がかかったときに抵抗値が変化する4つのひずみゲージが、ブリッジ回路の金属製ダイヤフラムに取り付けられていました。ライボルトでは、このような計器にMEMBRANOVACという特別な名称が付けていました。その後、このような「ひずみ抵抗」を直接表面に4つ持つシリコン製のダイヤフラムが使われるようになりました。電気的配置はやはりブリッジ回路で構成され、対向する2隅に定電流を流し、他の2隅で圧力に比例した直線電圧信号を拾っていました。図3.4に、この配置の原理を示します。これらの機器はPIEZOVAC、現在はDI/DU2000ユニットとして指定され、現在でも多くのケースで使用されています。 

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図3.4 圧電センサー(基本図)

静電容量式ダイヤフラムゲージ

ブリッジ回路の一部としてひずみを測定すると、高い精度が得られますが、範囲が限定されます。より高度な方法として、ダイヤフラムのたわみをプレートコンデンサーの容量の変化として測定する方法があります。一方の電極が固定され、もう一方の電極がダイヤフラムによって形成されます。ダイヤフラムがたわむと、電極間の距離が変化し、コンデンサーの静電容量が変化します。図3.5は、この配置の原理を示しています。これはCEREVAC CTRシリーズで使用されています。金属ダイヤフラムを使用したセンサーとセラミックダイヤフラムを使用したセンサーに分類されます。キャパシタンスダイヤフラムゲージは大気圧から1·10-4 mbarまで使用されます(10-4 mbar未満では測定の不確かさが急速に上昇します)。このような低い圧力でダイヤフラムの十分なたわみを確保するために、さまざまな厚さのダイヤフラムがさまざまな圧力レベルに使用されます。いずれの場合も、圧力をセンサーの10の3乗の精度で測定することができます。

1000~1 Torr 
100~10–1 Torr 
10~10–2 Torr 
1~10–3 Torr
10–1~10–4 Torr

精度レベルをより高めるために、容量性セルを加熱することもできます。この場合、容量性セルは周囲温度に対して大きく絶縁されており、小さな加熱フィラメントがセルを一定の温度まで加熱します。これにより、周囲温度の変動による変動をなくすことができます。また、ガスがゲージ内で凝縮し、システムのコールドスポットになってしまうのを防ぐために、ガスを使用する場合にも使用されます。

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図3.5 静電容量式センサー(基本図)

測定する圧力がこの範囲の限界を超える場合は、2~3個のセンサーを備えたマルチチャネルユニットを使用することをお勧めします。 

このように静電容量式ダイヤフラムゲージは、実用上、ガスの種類に依存しない唯一の絶対圧測定器であり、1 mbar未満の圧力用に設計されています。現在、2種類の静電容量式センサーがあります。 

  1. DI/DU 200 
  2. CTR100N/101N
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