石英真空计的工作原理与测量范围
石英真空计的工作原理是应用石英晶振在谐振时谐振阻抗的变化Z- Z0 与气体压强有关的特性。Z 为晶振在被测气体压强的谐振阻抗, Z0为晶振的固有阻抗, 它是在气体压强为零时的谐振阻抗。Z- Z0 随P 的增长单调上升,。测量Z- Z0 即可知气体的压强。
石英晶振的特性曲线
谐振阻抗的测量电路如图2 所示。
阻抗
Z =UAB/I
UAB —是谐振时晶振AB 两端电压
I—是谐振时通过晶振的电流
在本电路中
I=UBC/R
UBC —— —是电阻两端电压
所以Z = UAB/UBC×R =(UAC- UBC)/UBC×R
在测量过程中, 振荡电路电压UAC 保持恒定, 约100 mV, Z0 在温度不变时为常数, R 为固定电阻, 可见Z- Z0 单值地决定于UBC , 气体压强也单值地决定于UBC 。在P=0 时, 将晶振调至谐振, 即调振荡电路的频率, 使UBC 调至最大值( 因为晶振谐振为串联谐振) 。在此条件下UBC 与气体压强是单值关系。UBC 经放大, 检波后由电压测量电路输出, 输出电压读数V 与压强P 的关系。
在压强为零时, V 约为800 mV, 在大气时约为10 mV。不同的晶振略有不同。本电压测量电路还设置了两个调节电位器,一是零点调节, 即在压强为零时调节测量电路使输出电压读数就是固定数值800 mV, 另一是大气调节, 即在压强为大气时调节测量电路使输出电压就是固定数值10 mV。这时电压测量电路输出电压读数V 与压强P 的关系曲线称晶振的特性曲线。实验发现, 特性曲线是稳定、重复性好的曲线, 用该曲线可以测量气体压强。本文采用φ2×6 晶振做试验, 标称频率为32.768 kHz 。
在真空计中, 数码显示器显示特性曲线对应的压强值, 零点调节是在压强为零时使数码显示器显示0.0×100 , 大气调节是在压强为大气时,使数码显示器显示9.9×104。
石英真空计的测量范围
石英真空计的上限为105 Pa, 由特性曲线可知, 压强从105 Pa 到9×104 时, 电压读数从10 mV变化到13 mV。在合理的测量时间(4h) 内实际读数的漂移为2 mV, 因此在105 Pa , 误差小于10% 。石英真空计的下限由误差小于10%的范围决定。φ2×6 晶振在10±1 Pa , 对应电压读数的变化为765±3 mV。实测电压读数值在4 h 内的漂移约为±3 mV, 因此下限约为10 Pa。 影响下限的因素是温度对Z0 的影响。控制温度可以扩展下限。制作专门测量气体压强的石英晶振也是一条扩展下限的途径。
讨论
(1) 根据上述石英真空计的性能, 按计量部门真空计量器具的分类, 石英真空计可属于工作用计量器具。
(2) 本文设计方案已不要测量Z0 值, Z0 变化的影响由零点调节来解决。
(3) 作为批量生产的真空计产品, 误差还应当适当放宽些。
(4) 石英晶振的谐振阻抗与晶振谐振时的机械振动所受气体阻力有关, 而阻力与气体性质有关, 因此石英真空计的读数与气体种类有关。
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