磁懸浮轉子真空計的結構及工作原理
磁懸浮轉子真空計屬于衰減型黏滯性真空計,是基于磁懸浮轉子轉速的衰減與其周圍氣體分子所產生的外摩擦有關的原理制成的。依據轉子懸浮方式的不同,磁懸浮真空計可分為非對稱型和對稱型兩種型式。前者利用作用在轉子上的螺旋線圈的磁力與轉子自重之間的平衡,使轉子懸浮在預定的高度;后者利用永久磁鐵的強磁力懸浮轉子,完全可以忽略轉子自重。對稱型結構已被西歐各國推薦為計量部門互校用傳遞副標準。下面僅就非對稱型結構介紹磁懸浮轉子真空計的工作原理。
非對稱型磁懸浮轉子真空計的結構示意圖如下圖所示。除了用于磁懸浮轉子的螺旋線圈2外,在真空室下邊還設置一敏感線圈5,通過伺服電路控制螺旋線圈2的電流,使轉子懸浮在預定高度。在真空室兩側的一對驅動線圈3產生旋轉磁場,驅動轉子以每秒200~400轉的速度自轉。雖然轉子在給定的垂直位置會自動地趨向磁場最強處(一般在垂直對稱軸上),但若受外界擾動,轉子將圍繞軸作水平振動。圖中緊鄰真空室下方的阻尼鋼針6可使這種振動衰減。
圖 非對稱型磁懸浮轉子真空計結構
這種真空計是基于氣體分子對自由旋轉鋼球的減速作用而工作的。當鋼球被驅動線圈的磁場從靜止加速到每秒400轉的轉速之后,停止驅動場,由于氣體分子摩擦的積分作用引起鋼球自轉速度衰減,其轉速衰減與氣體壓力p有著嚴格的對應關系。
假如磁支撐及外界因素產生的摩擦與氣體摩擦相比較可以忽略的話,在真空室內氣體分子的平均自由程大于轉子的特征尺寸時,可以導出氣體壓力p為
由于入射氣體分子到達轉子表面之后,要在表面上停留一定時間,離開表面時分子已失去了方向記憶性而遵守余弦定律,因此,vT′≈0,σ ≈1。測試表明,對于各種惰性氣體(He、Ne、Ar、Kr,Xe)和活性氣體(H2、O2、CO、CO2、CH4),σ值均為1.03左右,真空技術網(http://www.lalazzu.cn/)覺得可以認為 σ與氣體成分無關。
由公式3 -6可知,只要測得不同時刻的轉速ω,就能計算出壓力p。近年來采用小型感應線圈檢測轉速ω,通過微處理機直接處理和顯示p值。