热阻式真空度测量

基本结构与工作条件

热阻式真空计的核心是一个被电流加热的电阻体（热敏电阻或铂丝），置于与被测真空系统连通的玻璃管中。电阻体通过电流获得焦耳热，同时向周围环境散热。在稳态下，电功率等于散热功率，电阻体维持某一平衡温度，其电阻值由该温度决定。当环境压力改变时，散热条件改变，平衡温度和电阻值随之改变，因此可通过测量电阻（或电桥失衡）来反映真空度。

三种散热途径

电阻体的散热包括：

• 热辐射：与电阻体温度和环境壁温度有关，在较高真空度下成为主要散热途径之一。
• 热传导：通过电阻体引线和支撑结构向管壁导热，属于固体导热，与气体压力基本无关。
• 气体导热（稀薄气体传热）：气体分子与电阻体碰撞带走热量。在稀薄气体条件下，气体导热能力随分子数密度（即压力）变化。

总散热功率可写为

其中 $P_{\text{rad}}$ 为辐射散热，$P_{\text{cond}}$ 为固体导热，$P_{\text{gas}}(p)$ 为气体导热，$p$ 为气体压力。

稀薄气体碰撞散热与压力关系

在低压力（稀薄气体）区域，气体分子平均自由程与管径可比，气体导热主要取决于分子与热丝表面的碰撞频率。压力升高使单位时间碰撞次数增加，气体导热增强；压力降低使碰撞次数减少，气体导热减弱。因此，在某一压力范围内，气体导热功率随压力单调变化，电阻体的平衡温度与电阻值也随之单调变化。

当压力低到气体导热可忽略时，散热主要由辐射和固体导热决定，曲线趋于平坦，这是该方法的测量下限。压力过高时，气体导热趋于饱和，灵敏度下降，这是测量上限。

伏安特性与负阻现象

热敏电阻的伏安特性曲线在低电流区电压随电流上升；当电流增大到一定程度，电阻体自热显著，温度升高使 NTC 热敏电阻阻值下降，电压反而随电流增大而下降，呈现负阻特性。改善散热条件（如增强气体导热）后，同一电流下电阻体温度降低，伏安特性曲线整体向高电压方向移动。真空度检测正是利用散热条件改变导致伏安特性曲线移动这一效应。

测量电路与温度补偿

常用电桥电路测量电阻体阻值变化。由于环境温度变化会改变电阻体基准温度和气体导热条件，必须采取恒温措施或补偿措施。例如采用参考电阻体置于相同环境但不感受被测压力变化，或采用温度补偿电路抵消环境温度影响。

气体成分与流量的影响

气体导热系数随气体种类和成分比例变化。不同气体的导热能力不同，因此当被测气体成分改变时，同一压力下散热功率不同，读数会发生变化。同样，气体流速变化会增强或减弱对流散热，使电阻体温度改变。因此，用于真空度测量时要求气体成分稳定、无显著气流；若用于检测介质成分或流速，则需保持压力或其他条件恒定。

适用范围与条件

该方法适用于稀薄气体压力范围，课件给出可测至 $133.322\times {10}^{-5}\text{ Pa}$。测量结果受环境温度、气体成分和流量影响，需在恒温或补偿条件下使用，并保证气体成分稳定。