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电容式真空计原理
发布时间:2014/10/29 浏览:2815 次

  在薄膜真空计中,薄膜在压力差作用下所产生的弹性变形量,可以采用机械的、光学的和电学的多种方法测量。由于采用电学方法,尤其是电容法,进行测量的灵敏度高,因此近年来利用电容法所制成的电容式薄膜真空计,已经逐渐地代替了传统的机械式薄膜真空计,获得了广泛的应用。

  电容式薄膜真空计是由电容式薄膜规管(或称电容式压力传感器)和测量线路两部分组成。双电容差动式薄膜规管的结构如图1所示。它包括两个结构完全相同的圆形固定电极和一个公用的膜片构成的活动电极。

  活动电极薄膜将规管内部空间分成相互密封的测量室和参考室,固定电极和活动电极薄膜构成差动电容器,并作为电桥的两个臂布置在线路中。

  当活动电极处于中间位置时,两个电容器的电容量相等;一旦活动电极由于压差作用偏离中间位置时,如图1中虚线所示的位置,则会出现其中一个电容器的电容量增加,而另一个电容器的电容量减少的现象。

  这时由于电容变化使电桥不再平衡,因而会产生输出电压,将该输出电压经过放大器放大后,再由检波器转换成直流电压后即可进行测量。不同的输出电压对应不同的气体压力,这就是电容薄膜式真空计进行压力测量的基本原理。

  目前这种真空计可根据测量电容方法的不同分成两种结构,即零位法和偏位法。前者是一种补偿法,具有较高的测量精度,目前大都作为低真空测量的标准真空计被计量部门所采用。

电容式薄膜真空计规管的结构示意图

福建快3APP下载  图1 电容式薄膜真空计规管的结构示意图

  1-固定电极:2-膜片活动电极

  一种只使用单侧电容的零位法电容式薄膜真空计的结构原理如图2所示,它是由电容式薄膜规管测量电桥电路,直流补偿电源,低频振荡器、低频放大器、相敏检波器和指示仪表等元件所组成。

  在图2中的电容式真空计规管中间放置一张金属弹性膜片,在膜片的一侧装有一个固定电极,当膜片两侧的压力差为零时,固定电极与膜片形成一个静态电容C0,并与线路中电容C1串联后作为测量电桥的一条桥臂后,再与电路中的电容C2、C3和C4与C5的串联电容组成其他的三条桥臂。

零位法薄膜真空计的结构原理图

  图2 零位法薄膜真空计的结构原理图

  由于金属膜片1将薄膜真空规管中分为A、B两室并将A室与被测真空系统相连接,B室与压力为P0的高真空系统(P0<10-3 Pa)相连接。在两室的连通管道上设置高真空阀门7。测量时,先将阀门7打开,用高真空抽气系统将规管内膜片两侧的空间抽至参考压力Pb。同时调节测量电桥电路,使之平衡,即指示仪表指零。

福建快3APP下载  然后关闭阀门7,测量室A接通被测真空系统。

  当被测压力P1>Pb时,由于规管中的压力差为P1- Pb,膜片发生应变引起电容C0改变,破坏了测量电桥电路的平衡,指示仪表上亦有相应的指示。

  调节直流补偿电源电压对电容C0充电,使其静电力与压差相等,此时,电桥电路重新达到平衡,指示仪表又重新指零。

  根据补偿电压的大小,就能得出被测压力P1。故有:

  P1 - Pb = KU2

  式中

  P1-被测压力;

  Pb-参考压力;

  U-补偿电压;

  K-规管常数,K=C0/d0,C0和d0分别为固定电极与膜片平衡状态下的静态电容和间距。

  当P1 》Pb时,测量结果就是绝对压力,即

  P1 = KU2

  单电容零位法电容式薄膜真空计的测量范围为10-1~101Pa,其规管常数K可通过校准得到。而差动式双电容薄膜真空计,不但提高了电容式薄膜真空计的测量精度,而且扩大了量程范围,其测量下限可达到10-3Pa。

  电容式薄膜真空计为全压计,即所测结果是气体与蒸气的全压强。同时具有测量结果与气体成分无关、测量精度高(一般 ≤(0.1~2)%)、反应速度快(<2~100ms)、温度影响小和测量范围宽的特点。

福建快3APP下载  其测量下限可达l0-3~10-2Pa。由于其性能稳定,重复性好,目前已被用做标准真空计。其响应时间快,抗过载能力强,结构牢固,使用方便,非常适合于对氧、水蒸气及油蒸气等气体压力的测量。因此是比较理想的一种真空计。

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