如何測量真空壓力？

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現今，在真空技術下測量的壓力涵蓋了從 2000 mbar 到 10^-12 mbar 的範圍，即 15 個數量級。此處涉及的龐大動力學可透過如表 3.1 所述，對真空壓力測量與長度測量的類比分析展示出來。

表 3.1 真空壓力測量與長度測量的類比分析

指定為真空計的測量儀器用於在此廣大的壓力範圍內進行測量。由於一些物理原因，無法打造可在整個真空範圍內執行定量測量的真空計，因此提供了一系列的真空計，且每一個都具有通常會延伸為多個數量級的特性測量範圍 (請參閱圖 9.16a)。為了能夠向個別類型的真空計配置最大可能測量範圍，要接受在某些情況下，測量不確定性會在範圍上下限內非常快速地增加到高達 100 % 這一事實。因此，在型錄中所述測量範圍與「精確」測量的測量範圍之間，必須存在差別。物理效應會將個別真空計的測量範圍限制在上下範圍以內。

圖 9.16a 常見真空計的測量範圍

低壓測量的基本要素

真空計是用於測量從剛超過大氣壓力到遠低於大氣壓力 (DIN 28 400，第 3 部分，1992 年版) 之氣體壓力的裝置。在許多情況下，壓力指示都取決於氣體的特性。對特定氣體或蒸氣分壓的精確測量會在根據質譜儀原理 (請參閱氣體分析與質譜儀相關章節) 操作的分壓測量儀器協助下進行。

壓力指示對氣體類型的相依性

在下列真空計之間必須存在差別：

根據定義將壓力作為施加於區域之力進行測量的儀器，也就是所謂的直接或絕對真空計。根據氣體運動論，此力是粒子透過其對壁的撞擊產生，僅取決於單位體積的氣體分子數 (分子數密度 n) 及其溫度，但不取決於莫耳質量。測量儀器的讀數與氣體類型無關。此類單位包括填滿液體的真空計與機械式真空計。
進行間接壓力測量的儀器。在此情況下，壓力會經判定為氣體的壓力相關 (或者更精確地說是密度相關) 特性 (導熱性、離子化機率、導電性) 的函數。這些特性取決於莫耳質量以及壓力。測量儀器的壓力讀數取決於氣體類型。

這些壓力測量儀器的刻度一律以作為測試氣體的空氣或氮氣為基礎。針對通常以空氣或氮氣為基礎的其他氣體或蒸氣校正係數，必須予以提供 (請參閱表 3.2)。針對透過採用電能判定數密度之間接測量真空計進行的精確壓力測量 (間接壓力測量)，瞭解氣體成分很重要。實際上，只會大概知道氣體成分。但在許多情況下，瞭解是輕分子還是重分子在要測量壓力的氣體混合物中佔主導地位就已足夠 (例如氫氣或幫浦流體蒸氣分子)。

表 3.2 校正係數

範例

如果基本上由幫浦流體分子構成之氣體的壓力使用離子化真空計進行測量，則如表 3.2 所示，壓力讀數 (適用於空氣或 N2) 太高，高出約 10 倍。

在粗真空壓力範圍內測量 – 大氣至 1mbar

粗真空範圍內壓力的測量可透過採用直接壓力測量的真空計相對準確地執行。另一方面，<10^-3 較低壓力的測量幾乎一律受限於一些基本錯誤，這些錯誤會從一開始就限制測量準確度。因此，其與間接測量儀器通常可實現的準確度根本沒有可比性

為了能夠對粗真空中真空計指示的壓力進行有意義的描述，首先必須考慮測量系統的連接位置與方式。在層流佔主導地位的所有壓力區域 (1013 > p > 10^-1 mbar) 中，必須注意由抽氣導致的壓力梯度。在幫浦正前方 (從容器看過去)，會產生比容器中更低的壓力。即使具有高氣導的元件也可能會產生此類壓力梯度。最後，真空系統與測量系統之間連接線的氣導不得太小，因為連接線在層流壓力區域中抽真空的速度將會太慢，進而使得指示壓力太高。

在中度真空壓力範圍內測量 - 1mbar 至 10^-3mbar

在中度真空中測量需要使用低全量程電容式傳感器 (例如 CTR100 0.1Torr)，或者諸如 THERMOVAC 系列真空計 (例如 TTR91RN) 等更常用的熱傳導式真空計。通常，在此範圍內，您開始從層流過度到分子氣體流量，並因此需要開始考慮真空計的放置位置，以獲得最佳效能。使用熱傳導式真空計時，此範圍內的測量通常會 +-15%，因此您可以實現合理的準確度，但不會像可以使用直接真空計時一樣高 (這在粗真空中有詳細說明)。

在高真空與超高真空壓力範圍 10^-3mbar 至 <10^-12 內測量

若為高真空與超高真空，情況更為複雜。根據特定安裝功能，可能會記錄超高壓，或者在對測量管良好除氣的情況下，可能會記錄超低壓，而這是因為對真空計壁進行除氣，或對測量系統的除氣不足所致。在高真空與超高真空中，真空系統與測量管之間的壓力平衡可能會花費較長時間。必須一律對於測量製程本身對壓力測量的影響給予特殊考量。例如，在與熱陰極搭配使用的離子化真空計中，氣體粒子，尤其是較高碳氫化合物的粒子，會發生熱分解。這會改變氣體成分。此類影響會在超高真空範圍內的壓力測量中發揮一定作用。同樣的情況也適用於在離子化真空計中除氣，冷陰極真空計 (數量級為 10^-2 到 10^-1 l/s) 尤其如此。污染測量系統、干擾電場與磁場、絕緣錯誤以及不允許的高環境溫度會竄改壓力測量。

為了在測量不確定性低於 50 % 的中度真空與高真空範圍內測量壓力，進行實驗的人員在處理時必須格外謹慎。若壓力測量的準確度必須達到一定百分比，則需要巨大努力，一般而言，需要開發特殊的測量儀器。這尤其適用於超高真空範圍 (p < 10^-7 mbar) 內的所有壓力測量。

如何選擇合適的真空計

在選擇合適的測量儀器時，所需壓力範圍並不是唯一的考慮因素。真空計工作的操作條件也扮演著重要角色。如果要在嚴苛的操作條件下執行測量，即如果有較高風險發生污染、管中的震動無法排除、預計可能會發生空中爆炸等，則測量儀器必須堅固耐用。在工業設施中，會使用包登真空計、隔膜真空計、熱傳導式真空計、熱陰極離子化真空計以及潘寧真空計。其中一些測量儀器對不利的操作條件較為敏感。這些儀器應該且只能在盡可能地排除上述錯誤來源且遵循操作指示的情況下成功使用。

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