Loại máy đo chân không này không đo áp suất trực tiếp dưới dạng lực liên quan đến diện tích, mà gián tiếp bằng các biến vật lý khác tỷ lệ thuận với mật độ số lượng hạt và do đó với áp suất. Các đồng hồ đo chân không có chỉ số áp suất phụ thuộc vào khí bao gồm: đồng hồ đo giảm dần, đồng hồ đo chân không dẫn nhiệt và đồng hồ đo chân không ion hóa có thiết kế khác nhau. 

Các thiết bị bao gồm cảm biến thực tế (đầu đo, cảm biến) và bộ điều khiển cần thiết để vận hành nó. Thang đo áp suất hoặc màn hình kỹ thuật số thường dựa trên áp suất nitơ; nếu áp suất p_T thực tế của khí (hoặc hơi) phải được xác định, áp suất p_I được chỉ định phải được nhân với hệ số đặc trưng cho khí này. Những yếu tố này khác nhau, tùy thuộc vào loại thiết bị, và được đưa ra dưới dạng bảng dưới dạng các yếu tố độc lập với áp suất (xem Bảng 3,2) hoặc, nếu chúng phụ thuộc vào áp suất, phải được xác định dựa trên sơ đồ (xem Hình 3,11). 

Những điều sau đây áp dụng: 
Áp suất thực p_T = áp suất chỉ định p_I · hệ số hiệu chỉnh 
Nếu áp suất được đọc trên "thang đo nitơ" nhưng không được điều chỉnh, thì có nghĩa là các giá trị "tương đương nitơ". 

Trong tất cả các máy đo chân không điện (bao gồm các máy đo chân không phụ thuộc vào loại khí) việc sử dụng máy tính ngày càng tăng đã dẫn đến mong muốn hiển thị áp suất trực tiếp trên màn hình, ví dụ: để chèn nó vào vị trí thích hợp trong sơ đồ quy trình. Để có thể sử dụng các giao diện máy tính được tiêu chuẩn hóa nhất có thể, những máy phát được gọi là (bộ chuyển đổi tín hiệu với đầu ra dòng điện được tiêu chuẩn hóa) được xây dựng thay vì một cảm biến và thiết bị hiển thị (ví dụ: máy phát THERMOVAC, máy phát Penning, máy phát IONIVAC, v.v.). Bộ hiển thị yêu cầu điện áp cung cấp (ví dụ: +24 volt) và cung cấp tín hiệu dòng điện phụ thuộc vào áp suất tuyến tính trên toàn bộ phạm vi đo từ 4 đến 20 mA hoặc 0 - 10 V. Chỉ số áp suất được cung cấp cho đến khi tín hiệu này được cung cấp cho máy tính và xử lý bởi phần mềm thích hợp và sau đó được hiển thị trực tiếp trên màn hình. 

Vật lý cổ điển dạy và cung cấp xác nhận thử nghiệm rằng độ dẫn nhiệt của khí tĩnh không phụ thuộc vào áp suất ở áp suất cao hơn (mật độ số lượng hạt), p > 1 mbar. Tuy nhiên, ở áp suất thấp hơn, p < 1 mbar, độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào áp suất.

Nó giảm trong khoảng chân không trung bình bắt đầu từ khoảng 1 mbar tỷ lệ thuận với áp suất và đạt đến giá trị không trong phạm vi chân không cao. Sự phụ thuộc vào áp suất này được sử dụng trong máy đo chân không dẫn nhiệt và cho phép đo chính xác (tùy thuộc vào loại khí) áp suất trong khoảng chân không trung bình. 

Dụng cụ đo lường phổ biến nhất thuộc loại này là máy đo chân không Pirani. Dây dẫn dòng có bán kính r₁ được gia nhiệt đến khoảng 212 đến 302°F (100 đến 150°C) (Hình 3,10) giải phóng nhiệt tạo ra trong đó cho khí xung quanh nó thông qua bức xạ và dẫn nhiệt (cũng như, tất nhiên, cho các giá đỡ ở đầu sợi). Trong phạm vi chân không thô, độ dẫn nhiệt thông qua khí đối lưu hầu như không phụ thuộc vào áp suất (xem Hình 3,10). Tuy nhiên, nếu ở một vài mbar, đường dẫn tự do trung bình của khí có cùng cường độ như đường kính sợi, loại truyền nhiệt này sẽ ngày càng giảm, trở nên phụ thuộc vào tỷ trọng và do đó áp suất. Dưới 10 _-3 mbar, đường dẫn tự do trung bình của khí tương ứng xấp xỉ với kích thước bán kính r₂ của ống đo. Dây cảm biến trong đầu dò tạo thành một nhánh của cầu Wheatstone. 

I Phát tán nhiệt do bức xạ và dẫn điện ở các đầu kim loại
II Phân tán nhiệt do khí, phụ thuộc vào áp suất
III Phát tán nhiệt do bức xạ và đối lưu

Trong các máy đo độ dẫn nhiệt THERMOVAC với điện trở không đổi là loại phổ biến ngày nay, sợi cảm biến cũng là một nhánh của cầu Wheatstone. Điện áp gia nhiệt áp dụng cho cầu này được điều chỉnh sao cho điện trở và do đó nhiệt độ của sợi chỉ vẫn không đổi, bất kể mất nhiệt. Điều này có nghĩa là cầu luôn được cân bằng. Chế độ điều chỉnh này liên quan đến hằng số thời gian vài mili giây để các thiết bị này, trái ngược với các thiết bị có điện trở thay đổi, phản ứng rất nhanh với các thay đổi áp suất. Điện áp áp dụng cho cầu nối là một phép đo áp suất. Điện áp đo được điều chỉnh điện tử để đạt được tỷ lệ logarit xấp xỉ trên toàn bộ phạm vi đo. Máy đo chân không dẫn nhiệt với điện trở không đổi có phạm vi đo từ 10_^-4 đến 1013 mbar. Do thời gian phản hồi rất ngắn, chúng đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng kiểm soát và giám sát áp suất. Trong phạm vi nhạy nhất, tức là từ 10 ^-3 đến 10 mbar, điều này tương ứng với khoảng 15% chỉ số áp suất. Độ không đảm bảo đo lớn hơn đáng kể bên ngoài phạm vi này. 

 Giống như tất cả các máy đo chân không phụ thuộc vào loại khí, thang đo của thiết bị chỉ báo và màn hình kỹ thuật số trong trường hợp máy đo chân không dẫn nhiệt cũng áp dụng cho nitơ và không khí. Trong giới hạn lỗi, áp suất của các khí có khối lượng phân tử tương tự, tức là O₂, CO và các khí khác, có thể được đọc trực tiếp. Đường cong hiệu chuẩn cho một loạt các khí được minh họa trong Hình 3,11.

Một ví dụ cực đoan về sự chênh lệch giữa áp suất thực tế pT và áp suất chỉ định pI trong phép đo áp suất là việc đưa không khí vào hệ thống chân không với argon từ xi lanh áp suất để tránh độ ẩm (thời gian bơm). Theo hình minh họa 3,11, người ta sẽ có được chỉ số p_I chỉ 40 mbar khi đạt đến "Áp suất khí quyển Ar" p_T với THERMOVAC làm thiết bị đo áp suất. Argon có thể thoát ra khỏi bình (nắp mở ra, bình chuông nâng lên). Đối với các ứng dụng như vậy và tương tự, phải sử dụng công tắc áp suất hoặc máy đo chân không độc lập với loại khí.  

Máy đo chân không ion hóa là công cụ quan trọng nhất để đo áp suất khí trong phạm vi chân không cao và siêu cao. Chúng đo áp suất theo tỷ trọng số lượng hạt tỷ lệ với áp suất. Khí có áp suất cần đo đi vào đầu đo của thiết bị và được ion hóa một phần với sự trợ giúp của trường điện. Ion hóa xảy ra khi các electron được tăng tốc trong trường điện và đạt đủ năng lượng để tạo thành các ion dương khi tác động với các phân tử khí. Những ion này truyền điện tích của chúng đến một điện cực đo (bộ thu ion) trong hệ thống. Dòng điện ion, được tạo ra theo cách này (hoặc, chính xác hơn, dòng điện tử trong đường cấp điện của điện cực đo cần thiết để trung hòa các ion này) là một phép đo áp suất vì năng suất ion tỷ lệ thuận với mật độ số lượng hạt và do đó với áp suất. 

Sự hình thành ion là kết quả của việc phóng điện ở cường độ điện trường cao (cathode lạnh là thuật ngữ ô cho phóng điện magnetron đảo ngược, xem đo áp suất trực tiếp) hoặc tác động của electron phát ra từ catốt nóng (thuật ngữ ô cho Bayard-Alpert/Extractor/triode) (xem đo áp suất trực tiếp)

Trong các điều kiện không đổi khác, năng suất ion và do đó dòng ion phụ thuộc vào loại khí vì một số khí dễ ion hóa hơn các loại khác. Giống như tất cả các máy đo chân không có chỉ số áp suất phụ thuộc vào loại khí, máy đo chân không ion hóa được hiệu chuẩn bằng khí nitơ làm khí tham chiếu (áp suất tương đương nitơ, xem đo áp suất trực tiếp). Để có được áp suất thực tế cho các khí khác ngoài nitơ, áp suất đọc phải được nhân với hệ số hiệu chỉnh được cung cấp trong Bảng 3,2 cho khí liên quan. Các yếu tố nêu trong Bảng 3,2 được giả định là độc lập với áp suất, mặc dù chúng phụ thuộc một chút vào hình dạng của hệ thống điện cực. Do đó, chúng được xem là giá trị trung bình cho các loại máy đo chân không ion hóa khác nhau (xem Hình 3,16).  

Đồng hồ đo chân không ion hóa catốt lạnh

Máy đo chân không ion hóa hoạt động với xả lạnh được gọi là máy đo chân không catốt lạnh hoặc máy đo chân không Penning/magnetron đảo ngược. Về nguyên tắc, quy trình xả trong ống đo giống như trong hệ thống điện cực của bơm ion phúnxạ. Một tính năng chung của tất cả các loại máy đo chân không ion hóa catốt lạnh là chúng chỉ chứa hai điện cực không được làm nóng, một catốt và một cực dương, giữa đó một cái gọi là xả lạnh được bắt đầu và duy trì bằng điện áp d.c. (khoảng 2 kV) để xả tiếp tục ở áp suất rất thấp. Điều này đạt được bằng cách sử dụng từ trường để làm cho đường dẫn của các electron đủ dài để tốc độ va chạm của chúng với các phân tử khí đủ lớn để tạo thành số lượng chất mang điện tích cần thiết để duy trì xả. Từ trường (xem Hình 3,12) được sắp xếp sao cho các đường lực từ trường ngang qua các đường từ trường điện. Bằng cách này, các electron bị giới hạn trong một đường xoắn ốc. Các giá đỡ điện tích dương và âm được tạo ra do va chạm di chuyển đến các điện cực tương ứng và tạo thành dòng điện xả phụ thuộc vào áp suất, được hiển thị trên máy đo. Chỉ số tính bằng mbar phụ thuộc vào loại khí. Giới hạn trên của phạm vi đo được đưa ra bởi thực tế là trên một mức 10 ^-2 mbar, xả catot lạnh thay đổi thành xả phát sáng với đầu ra ánh sáng mạnh, trong đó dòng điện (ở điện áp không đổi) chỉ phụ thuộc một phần nhỏ vào áp suất và do đó không phù hợp cho mục đích đo lường. Trong tất cả các máy đo catot lạnh, độ hấp thụ khí cao hơn đáng kể so với máy đo chân không ion hóa hoạt động với catot nóng. Ống đo catot lạnh bơm khí tương tự như bơm ion phún xạ (S ≈ 10 ^-2 l/s). Một lần nữa, các ion được tạo ra trong xả được tăng tốc về phía catot, nơi chúng được giữ lại một phần và một phần gây phún xạ vật liệu catot. Vật liệu catôt phún xạ tạo thành một màng bề mặt lộn xộn trên thành ống đo. Mặc dù có những nhược điểm này, dẫn đến mức độ không chính xác tương đối cao trong chỉ số áp suất (lên đến khoảng 50%), máy đo ion hóa catốt lạnh có ba ưu điểm rất nổi bật. Thứ nhất, nó rẻ nhất trong tất cả các thiết bị đo chân không cao. Thứ hai, hệ thống đo không nhạy cảm với sự xâm nhập đột ngột của không khí và rung động; và thứ ba, thiết bị dễ vận hành. 

Đồng hồ đo chân không ion hóa catốt nóng

Nói chung, các máy đo này đề cập đến các hệ thống đo bao gồm ba điện cực (cathode, anode và bộ thu ion) trong đó catot là catot nóng. Catot trước đây được làm bằng vonfram nhưng hiện nay thường được làm bằng iridium phủ oxit (Th₂ O₃, Y2O₃ ) để giảm công việc đầu ra điện tử và làm cho chúng kháng hơn với oxy. Máy đo chân không ion hóa loại này hoạt động với điện áp thấp và không có từ trường bên ngoài. Catot nóng là nguồn điện tử có năng suất rất cao. Các electron được tăng tốc trong trường điện và nhận đủ năng lượng từ trường để ion hóa khí trong đó hệ thống điện cực nằm. Các ion khí dương được hình thành được vận chuyển đến bộ thu ion, bộ thu ion âm so với catot, và từ bỏ điện tích của chúng ở đó. Dòng ion do đó tạo ra là một phép đo tỷ trọng khí và do đó là áp suất khí. Nếu i- là dòng điện electron phát ra bởi catot nóng, dòng điện tỷ lệ áp suất i+ được tạo ra trong hệ thống đo được xác định bởi: 

Biến C là hằng số chân không của hệ thống đo.  Đối với nitơ, biến số này thường khoảng 10 mbar ^-1. Với dòng điện tử không đổi, độ nhạy S của đầu đo được định nghĩa là tỷ lệ của dòng ion và áp suất. Vì vậy, đối với dòng điện electron 1 mA và C = 10 mbar-1, độ nhạy S của đầu đo là: 

I - Đọc áp suất mà không có hiệu ứng tia X
II - Giới hạn áp suất thấp rõ ràng do hiệu ứng tia X
III - Tổng I và II

C - Cathode
A - Anode
I - Bộ thu ion

Các electron phát ra từ catot va chạm với cực dương, giải phóng photon (tia X mềm). Đổi lại, các photon này kích hoạt các photoelectron từ các bề mặt mà chúng va chạm. Các quang điện tử được giải phóng từ bộ thu ion chảy đến cực dương, tức là bộ thu ion phát ra dòng điện electron, được biểu thị theo cùng một cách như dòng điện ion dương chảy đến bộ thu ion. Dòng quang này mô phỏng áp suất. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng tia X dương và phụ thuộc vào điện áp cực dương cũng như kích thước bề mặt của bộ thu ion. 

Tuy nhiên, trong một số trường hợp nhất định, cũng có tác động tiêu cực của tia X. Photon chạm vào thành xung quanh đầu dò sẽ giải phóng các electron quang ở đó, chúng lại chảy về phía cực dương, và vì cực dương là một cấu trúc lưới, chúng cũng chảy vào không gian bên trong cực dương. Nếu bức tường xung quanh có cùng điện thế như bộ thu ion, ví dụ như điện thế đất, một phần các electron được giải phóng tại bức tường có thể đến được bộ thu ion. Điều này dẫn đến dòng điện tử chảy đến bộ thu ion, tức là dòng điện âm có thể bù cho dòng điện ion dương. Hiệu ứng tia X tiêu cực này phụ thuộc vào điện thế của thành ngoài của đầu dò. 

Khí hấp thụ có thể được giải hấp từ bề mặt bằng tác động điện tử. Đối với máy đo ion hóa, điều này có nghĩa là nếu có một lớp khí hấp thụ trên cực dương, các khí này sẽ được giải hấp một phần dưới dạng ion bởi các electron va chạm. Các ion đi đến bộ thu ion và dẫn đến chỉ báo áp suất ban đầu không phụ thuộc vào áp suất nhưng tăng khi dòng điện electron tăng. Nếu dòng điện electron nhỏ như vậy được sử dụng để số lượng electron đi vào bề mặt nhỏ so với số lượng hạt khí hấp thụ, mỗi electron sẽ có thể giải hấp các ion dương. Nếu dòng điện electron sau đó tăng lên, sự khử hấp thụ ban đầu sẽ tăng lên vì nhiều electron hơn va chạm với bề mặt. Cuối cùng, điều này dẫn đến việc giảm các hạt khí hấp thụ trên bề mặt. Chỉ số giảm lại và thường đạt đến các giá trị có thể thấp hơn đáng kể so với chỉ số áp suất quan sát được với dòng điện electron nhỏ. Do hậu quả của hiệu ứng này trong thực tế, người ta phải xác định xem chỉ số áp suất có bị ảnh hưởng bởi dòng điện khử hấp thụ hay không. Điều này có thể được thực hiện đơn giản nhất bằng cách tạm thời thay đổi dòng điện electron bằng hệ số 10 hoặc 100. Chỉ số cho dòng điện electron lớn hơn là giá trị áp suất chính xác hơn. 

Ngoài máy đo ion hóa thông thường, có cấu trúc điện cực tương tự như máy đo chân không triode thông thường, còn có nhiều hệ thống máy đo chân không ion hóa khác nhau (hệ thống Bayard-Alpert, hệ thống chiết xuất) ức chế nhiều hơn hoặc ít hơn hai hiệu ứng, tùy thuộc vào thiết kế, và do đó được sử dụng để đo trong phạm vi chân không cao và siêu cao. Ngày nay, hệ thống Bayard-Alpert thường là hệ thống tiêu chuẩn. 

a) Máy đo chân không ion Bayard-Alpert (hệ thống đo tiêu chuẩn được sử dụng ngày nay)

Để đảm bảo độ tuyến tính giữa áp suất khí và dòng ion trên phạm vi áp suất lớn nhất có thể, hiệu ứng tia X phải được ức chế càng nhiều càng tốt. Trong bố trí điện cực do Bayard và Alpert phát triển, điều này đạt được nhờ thực tế là catốt nóng nằm bên ngoài cực dương và bộ thu ion là một dây mỏng tạo thành trục của hệ thống điện cực (xem Hình 3,16 a). Hiệu ứng tia X giảm hai đến ba cường độ do giảm đáng kể diện tích bề mặt của bộ thu ion. Khi đo áp suất trong phạm vi chân không siêu cao, bề mặt bên trong của đầu đo và các kết nối với bình sẽ ảnh hưởng đến chỉ số áp suất. Các ảnh hưởng khác nhau của hiện tượng hấp thụ, khử hấp thụ, phân ly và dòng chảy không thể được giải quyết trong bối cảnh này. Bằng cách sử dụng các hệ thống Bayard-Alpert làm hệ thống đo trần được đặt trực tiếp trong bình, có thể tránh được nhiều lỗi đo lường do các hiệu ứng nêu trên. 

b) Đồng hồ đo chân không ion hóa thông thường

Một triode có thiết kế thông thường (xem Hình 3,16 b) được sử dụng làm đầu đo, nhưng nó được sửa đổi một chút để điện cực bên ngoài đóng vai trò là bộ thu ion và lưới bên trong đóng vai trò là cực dương. Với cách bố trí này, các electron bị ép phải đi đường rất dài (dao động xung quanh dây lưới của cực dương) để xác suất va chạm ion hóa và do đó độ nhạy của máy đo tương đối cao. Vì hệ thống triode thường chỉ có thể được sử dụng trong chân không cao do hiệu ứng tia X mạnh, hiệu ứng hấp thụ khí (bơm) và hàm lượng khí của hệ thống điện cực chỉ có ảnh hưởng nhẹ đến phép đo áp suất. 

c) Đồng hồ đo chân không ion hóa áp suất cao (lên đến 1 mbar)

Một triode lại được sử dụng làm hệ thống điện cực (xem Hình 3,16 c), nhưng lần này với thiết kế thông thường không sửa đổi. Vì máy đo được thiết kế để cho phép đo áp suất lên đến 1 mbar, catot phải chịu được áp suất oxy tương đối cao. Do đó, nó được thiết kế như một catot không bị cháy, bao gồm một dải iridium phủ yttria. Để có được đặc tính tuyến tính (dòng điện ion dưới dạng chức năng tuyến tính của áp suất) lên đến áp suất 1 mbar, một điện trở có điện trở cao được lắp đặt trong mạch anốt. 

d) Đồng hồ đo chân không ion hóa bộ khử trùng

Các tác động gây nhiễu ảnh hưởng đến phép đo áp suất cũng có thể được loại bỏ rộng rãi bằng cách sử dụng một hệ thống quang học ion được Redhead đề xuất đầu tiên. Với hệ thống hút này (xem Hình 3,16 d) các ion từ xi lanh anốt tập trung vào bộ thu ion rất mỏng và ngắn. Bộ thu ion được thiết lập trong một không gian, thành sau của nó được hình thành bởi một điện cực hình chén được duy trì tại điện thế anốt để nó không thể đạt được bởi các ion phát ra từ không gian khí. Do hình dạng của hệ thống cũng như tiềm năng của các điện cực riêng lẻ, các ảnh hưởng gây nhiễu thông qua hiệu ứng tia X và hấp thụ ion gần như được loại bỏ hoàn toàn mà không cần bộ điều biến. Hệ thống chiết xuất đo áp suất từ 10 ^-4 đến 10 ^-12 mbar. Một ưu điểm khác là hệ thống đo được thiết kế như một đồng hồ đo trần với đường kính chỉ 35 mm để có thể lắp đặt trong thiết bị nhỏ.

p = áp suất khí 
r = bán kính của quả cầu ρ = tỷ trọng của vật liệu quả cầu 
c- = tốc độ trung bình của các hạt khí, tùy thuộc vào loại khí 
σ = hệ số ma sát của quả bóng, độc lập với loại khí, gần bằng 1. 

Miễn là độ không đảm bảo đo 3% là đủ, điều này thường xảy ra, có thể áp dụng σ = 1 để độ nhạy của đồng hồ đo rôto quay (SRG) với bi thép quay được quy định bởi kích thước vật lý có thể tính toán của bi, tức là bán kính sản phẩm x mật độ r · ρ (xem phương trình 3,2). Sau khi bi đã được "hiệu chuẩn", nó phù hợp để sử dụng làm "tiêu chuẩn chuyển", tức là làm thiết bị tham chiếu để hiệu chuẩn một đồng hồ đo chân không khác thông qua so sánh, và được đặc trưng bởi độ ổn định lâu dài cao.

Trong trường hợp lý thuyết động học của khí với SRG, việc đếm các hạt trực tiếp đại diện cho nguyên tắc đo (chuyển các xung hạt sang quả cầu quay, do đó làm chậm lại). 
Với các phương pháp đo điện khác phụ thuộc vào loại khí, tỷ trọng số lượng hạt được đo gián tiếp bằng cách đo lượng nhiệt bị mất qua các hạt (máy đo độ dẫn nhiệt chân không) hoặc bằng cách đo số lượng ion hình thành (máy đo chân không ion hóa). 

Với tất cả các loại máy đo trên, bạn bị giới hạn trong phạm vi có thể đo. Với sự chuyển đổi sang các thiết bị nhỏ hơn và nhỏ hơn, không gian để có nhiều cổng để phù hợp với các loại đồng hồ đo khác nhau để bao phủ toàn bộ phạm vi đã trở nên không thể. Do đó, bây giờ bạn sẽ thấy các đồng hồ đo với các kết hợp để bao phủ toàn bộ phạm vi. Chúng thường là Pirani / catot lạnh, Pirani / catot nóng để bao phủ khí quyển đến chân không cao/siêu cao. Hoặc bạn cũng sẽ thấy các máy đo Pirani/Piezo, trong đó piezo làm tăng độ chính xác ở đầu khí quyển của phép đo.