旋轉型粘滯性規這類規中z*典型的結構是旋轉圓盤型粘滯規。下圖中,下圓盤A是一個由鎢軸H支撐的鋁的薄片,上圓盤C為25 μ m厚的云母片,由直徑為2 μ m、長為15mm的石英絲懸吊起來,J是小鏡。小型磁鐵NS與H軸連成一體,用線圈G形成的旋轉磁場使圓盤A旋轉,轉速為1000r/min~10000r/min。盤A通過氣體對盤C作用一個力偶矩,此力偶矩與壓力成正比。用光學方法測量小鏡J的扭轉角,就可計算出壓力,則有:
式中 θ——小鏡J的扭轉角;
K-與氣體性質和動量傳遞適應系數有關的常數;
τ ——振蕩周期;
r——旋轉圓盤A的半徑;
I-一圓盤C的轉動慣量;
w——旋轉角速率。
旋轉圓盤粘滯性規的量程為10Pa~l0-4 Pa。
衰減型粘滯性規在低壓氣體中,用細絲懸吊的圓盤作水平擺動時,會因氣體的阻尼作用使圓盤擺動的振幅逐漸衰減,其運動方程如下
式中 θ——擺動角;
I一轉動慣量;
Ra——氣體粘滯性產生的阻尼;
Ri——細絲本身引起的阻尼;
K-常數。
圓盤振幅衰減一半所需的時間tr 與壓力p的關系為
式中 A和B-常數。
石英絲粘滯規是此類規中z*簡單的結構形式。上圖中,石英絲的直徑為0.13mm,長為70mm,其一端固定在玻璃殼上,敲擊玻璃殼就可使石英絲振動。用光學方法測量半衰期tl,在10-2 Pa時,t約為200s。石英絲粘滯性規的量程約為10Pa—10-4 Pa。特別適于測量蒸氣和腐蝕性氣體。但是此規操作不方便,半衰期過長,結構脆羈,對外部振動干擾敏感,故不適宜在工業上使用。
磁懸浮轉子粘滯性規是一種新型的衰減型粘滯性規。雖然它的原理早在1937年就由赫爾姆斯( Helmes)進行了描述,但直到1973年Fremerey應用一小尺寸磁體懸浮才真正完成了磁懸浮轉子粘滯性規的實用性,通過在轉子頻率信號測量方面的一些改進,于1979年正式投入商業使用。磁懸浮轉子粘滯性規的結構如下圖所示,規管內有一個懸浮在真空中自由旋轉的直徑約4.5mm的金屬小球(轉子),規管外有一對磁體和三組電磁線圈。轉子受到的重力和磁體所施加的磁力相互抵消,但這種懸浮不穩定,因此一組垂直布置的電磁線圈用以調節轉子的懸浮位置,使轉子懸浮在穩定位置。另兩組水平對稱布置的正交電磁線圈采用相移900的雙相電源供電,以形成旋轉磁場,使轉子加速到410Hz左右。當旋轉磁場停止后,轉子在真空中自由旋轉,在氣體分子的作用下轉子轉速將衰減,轉子轉速的衰減率通過一組旋轉電磁線圈來測量,磁懸浮轉子粘滯性規就是利用轉子轉速的相對衰減率與氣體壓力成正比的關系來測量壓力的。
磁懸浮轉子粘滯性規測量壓力的基本公式為
p-壓力
v-氣體分子的平均速度;
ρ-轉子材料的密度;
d-轉子的直徑;
σ ——切向動量傳遞系數;
——轉子轉速的相對衰減率。
上式在分子流條件下成立,隨著氣體壓力的增大,氣體的性質將從分子流向粘滯流過渡,本式不再適用,磁懸浮轉子粘滯性規的測量范圍約為1Pa—l0-4 Pa。
磁懸浮轉子粘滯性規在氣體分子存在的條件下工作時,轉子轉速將衰減,其原因有兩個,一是轉子的動量傳遞給與轉子發生碰撞的分子(分子阻尼),二是轉子磁矩的旋轉分量產生的渦旋電流引起的損耗及雜散磁場產生的阻尼(殘余阻尼)。考慮這兩種阻尼,上式應修正為
種阻尼是測量壓力的依據,第二種阻尼與氣體的壓力無關,測量時應扣除。中項代表兩種阻尼的總和,第二項代表與壓力無關的殘余阻尼,二者抵消后就是氣體分子引起的阻尼。因此實際測量時應采用式,這就要求在壓力測量前準確確定殘余阻尼。測量殘余阻尼要在足夠高的真空條件下進行,這時殘余阻尼相對于分子阻尼成為主要的,分子阻尼可以忽略。
磁懸浮轉子粘滯性規的轉子無需機械懸吊,內部沒有電子、離子、熱和輻射產生,測量時不改變氣體成分和壓力,規殼體積小(僅幾毫升),吸放氣現象可以忽略,無抽氣效應,這些顯著優點使磁懸浮轉子粘滯性規獲得越來越多的應用。該規還具有很好的穩定性,是目前中高真空范圍內性能z*為優良的一種真空規,經常作為參考標準對其它真空規進行校準或作為真空標準之間比對的傳遞標準。
諧振型粘滯性規此類規的早期結構是在規管的垂直方向安置一根張緊的細絲,當細絲在諧振頻率下振動時,氣體的阻尼效應會使細絲的振幅衰減,如采用一驅動信號使細絲維持等幅振蕩,則通過測量驅動信號的大小就可以求得氣體壓力。
下圖是一種稱為“Reva”型的粘滯性規。把放置在磁鐵2的縫隙間的金屬絲3通以交流電,并使絲振動,隨著壓力的增減,要維持絲的振幅不變,絲中電流需隨之增減,借此來測量真空度。此規量程為10^5Pa—10^ -1Pa。但z*常用的測量范圍是10Pa—l0^ -1Pa。在壓力區間內,規的輸出信號與壓力p間呈線性關系。
另一種諧振型粘滯性規是一個由石英晶體組成的振蕩系統。借助電子學反饋技術,當壓力改變時,要維持晶體在等幅諧振下工作,則必須改變驅動信號的大小,借此達到測量的目的。
振動薄膜規是一種更先進的諧振型粘滯性規。
振動薄膜規的外殼直徑為25.5mm,兩個對稱電極的直徑均為15mm,薄膜厚度為3μ m,兩側的電極與薄膜之間距離為70μ m左右,在兩電極上同時加有直流偏置電壓Vs (薄膜接地),當驅動電極上疊加一個頻率與薄膜的固有頻率相同的交流電壓時,在靜電力作用下薄膜會產生諧振。因氣體的阻尼效應,薄膜振幅會隨壓力而變化,并引起振膜與測量電極之間的電容的變化,從而導致測量電極輸出一個隨壓力而變化的交流電壓,借以指示壓力。
此外,還可以用改變驅動電壓大小,維持振膜振幅不變的方法,來測量氣體壓力。驅動電壓與氣體壓力的關系如下:
在低壓力時
在高壓力時
式中 v 1——交流驅動電壓幅值
rp-電極半徑;
Xp-薄膜與電極間距;
a0-振膜平均振幅;
e-介電常數;
β-一氣體動量傳輸系數;
w——振動的角頻率;
η ——氣體粘滯系數。
當維持振膜的振幅不變時,驅動電壓幅值V1可用來指示氣體壓力。在低壓力時,vl與壓力p成正比;在高壓力時,VI與p成正比(n≈1.4)。
在更高壓力時,由于規中存在聲學諧振和薄膜振蕩模式的跳變,甚至由于氣體粘滯性過大而使薄膜不能起振,從而限制了振膜規測量更高的壓力。另一方面由于薄膜自身的內摩擦損耗和電子線路的靜電損耗,限制了振膜規測量更低的壓力。振膜規的量程約為3.3×10^4Pa—l0^-2Pa。
振動薄膜規閉環電路方塊圖
振動薄膜規具有量程寬、精度高(≤±2%)、反應快、結構牢固等特點,但由于結構復雜、制作工藝困難等原因,各規管特性之間零散性較大。因此要求每個規管與電子線路配套,逐臺進行校準,這給成批生產和在工業上大量使用帶來一定困難。