5.4　熱傳導真空計

熱傳導真空計是通過測量保持在不同溫度的兩固定元件表面間熱能的傳遞來測量壓力的一種真空計。這種基于與壓力有關的氣體熱傳導性的真空計有電阻真空計、熱偶真空計、熱敏真空計、雙金屬片真空計。最常用的是電阻真空計和熱偶真空計。

5.4.1　電阻真空計（皮拉尼真空計）

由于熱傳導真空計最終歸結為測量真空中熱絲的溫度，所以如何測量這個溫度就成為問題的焦點。電阻真空計又稱皮拉尼真空計，電阻真空規如圖5-5所示，它主要由熱絲、外殼和支架等三部分組成。上面真空計管的開口端與被測真空系統相連接。熱絲采用電阻溫度系數大的金屬絲（鎢、鉑等），兩條支架引線與測量線路連接。當熱絲加熱電流恒定時，熱絲溫度是隨壓力而變化的。當壓力p降低時，由于氣體熱傳導散失的熱量Q也減少，因此熱絲溫度T就上升，熱絲的電阻R就增大，用測量熱絲電阻值R的大小來間接地確定壓力p值，即

這就是電阻真空計的工作原理。

1—外殼；2—熱絲；3—支架；p—被測壓力

電阻值的變化，用一惠氏電橋來測量，如圖5-6所示。真空規管的熱絲作為電橋的一臂，另一個完全與規管相同，預先抽到10-2～10-3Pa的封離管D作為電橋的另一臂，電橋的另兩臂由性能穩定的電阻R1、R2組成。Rv為可變電阻，用于調節電橋平衡。

使用前，將真空規管抽到10-2～10-3Pa的高真空，此時調節電阻Rv將電橋調到平衡，電流表M指示為零。當待測壓力p逐漸上升時，由于氣體將規管熱絲熱量導走，引起熱絲溫度下降，熱絲電阻降低，電橋失去平衡，電流表M讀數增加。經絕對真空計校準后，可給出壓力與電流表讀數的關系曲線，即電阻真空計的校準曲線，如圖5-7所示。由圖可見，不同氣體有不同的校準曲線，這是因為氣體的熱傳導系數與氣體種類有關。還可看出，電阻真空計的測量范圍在100～10-1Pa之間。

上述測量熱絲電阻的方法稱為恒電壓法。當壓力較高時（p>100Pa），測量靈敏度下降，為此通常采用恒溫法，即維持熱絲溫度不變，當壓力變化時，熱絲的加熱功率隨之變化，調節Rv，以保持電橋平衡，從而保持規管熱絲溫度恒定，其原理如圖5-8所示。Rv為可變電阻，供調節電橋平衡用。電橋的供電由電子放大器供給，電橋的不平衡信號用以控制放大器。測量時，將電子放大器輸出調到一定數值，并將電橋調到平衡，這時熱絲就處于一定溫度，當壓力升高時，熱絲溫度下降，電橋失去平衡，送出信號到放大器輸入端，使放大器提高輸出電壓，于是整個電橋的輸入電流增大，使熱絲溫度重新升高，直到恢復到原來溫度為止。此時電橋恢復平衡，放大器的輸出電壓就停止在這個新位置上。

R—規管電阻；p—被測壓力

恒溫型電阻真空計的靈敏度穩定，其測量上限壓力可到105Pa。受電表精度、室溫變化、零點漂移等因素影響，測量下限約為10-1Pa。恒溫型電阻真空計的校準曲線見圖5-9。

5.4.2　熱偶真空計

熱偶真空計的熱絲溫度由一細小的熱電偶來測量。所謂熱電偶是指任何兩根不同的金屬（圖5-10），當其兩個接頭的溫度不相等時便出現溫差電效應的裝置。實驗證明：當材料選定后，回路的熱電勢僅取決于兩接點的溫度T、T0。熱電勢的大小僅與熱電偶的材料和接點溫度有關，而與材料的具體形狀及幾何尺寸無關。

利用熱電偶進行真空測量的規管如圖5-11所示。它有一根鎢或鉑制的加熱絲，另由兩根不同的金屬絲組成一對熱電偶。熱電偶的一端（熱端）與熱絲在O點焊住，另外兩端分別焊于芯柱引線上。多數熱偶真空計是按定流型方式工作的，即熱絲的加熱電流為常數。使用時，通一定電流于熱絲，熱絲溫度增高，熱電偶出現熱電勢，它的大小可由毫伏（mV）表或電位差計讀出。在加熱電流保持一定情況下，熱絲的平衡溫度取決于氣體壓力。當壓力p下降時，氣體熱傳導Q下降，O點溫度T升高，熱電偶熱電勢ε增加，毫伏表指示上升，即

Pt—加熱鉑絲；A，B—熱電偶絲；O—熱電偶接點；mV—毫伏表；mA—毫安表；Rv—可變電阻；K—開關

因此，熱電勢ε的大小亦就取決于氣體壓力p。國產DL-3型熱偶真空計的校準曲線見圖5-12。

5.4.3　熱傳導真空計的優缺點

熱傳導真空計具有下列優點：

①它反映的是總壓力，即被測容器的真實壓力；

②能連續測量，并能遠距離讀數；

③結構簡單，容易制造；

④即使突然遇到大氣，亦不燒壞。

熱傳導真空計存在的缺點是：

①校準曲線因氣體種類而異，故對于空氣測得的校準曲線，不能直接用于其他氣體；

②有熱慣性，壓力變化時熱絲溫度的改變常滯后一些時間，讀數亦滯后一些時間；

③受外界溫度的影響較大，故規管必須安裝于不易受輻射熱或對流熱的地方；

④老化現象較嚴重，必須經常校準。