真空概念和测量单位

（一） 真空概念

“真空”是指在指定空间内低于环境大气压力的气体状态，也就是该空间内气体分子数密度低于该地区大气压的气体分子数密度。不同的真空状态，就意味着该空间具有不同的分子数密度。在标准状态（STP：即0°C，101325Pa）下，气体的分子数密度为2.6870×1025m-3，而在真空度为1×10-4Pa时，气体的分子数密度只有2.65×1016m-3。 完全没有气体的空间状态成为绝对真空。绝对真空实际上时不存在的。

（二） 真空度及测量单位

在真空技术中常用真空度来度量真空状态下空间气体的稀薄程度。通常真空度用气体的压力值来表示。压力值越高，真空度越低；压力值越低，真空度越高。

常用的压力单位有：

①帕斯卡（Pa）：国际单位制中的压力单位，我国法定压力单位。1Pa压力就是1m2面积上作用1N的力，即

1Pa=1N/m2

②微巴（μbar）：1μbar的压力就是1cm2面积上作用1dyn的力，即

1μbar=1dyn/cm2

③标准大气压（atm）：1927年在第七次国际计量大会上，给标准大气压下了定义，即在重力加速度为980.665cm/s2，水银温度为0°C，水银密度为13.5951g/cm3的条件下，760mm高的汞柱产生的压力称为1atm，即

1atm=760mmHg=1013250.144354dyn/cm2

这种标准大气压依赖于汞的密度测量精度，是不够严格的。 1954年在第十次国际计量大会上，又重新定义了标准大气压，即

1atm=1013250dyn/cm2=101325Pa

④工程大气压（at）：由于大气压力约为1kgf/cm2，所以把1kgf/cm2称为1at，即

1at=1kgf/cm2

⑤毫米汞柱（mmHg）：1mmHg是指0°C时1mm高水银柱（汞柱）作用在1cm2面积上的力。由于纯水银0°C时的密度是13.5951g/cm3，所以

1mmHg=13.5951g/cm2

⑥托（Torr）：1Torr定义为

1Torr=1/760atm

由于1927年与1954年定义的标准大气压有差值，因而造成1mmHg比1Torr大1.9×10-4dyn/cm2，即

1mmHg=1Torr+1.9×10-4dyn/cm2

但由于两者差值很小，故通常认为

1mmHg≈1Torr

⑦英寸汞柱（inHg）：英制压力单位，它是1英寸高水银柱作用在1cm2面积上的力，即

1inHg=25.4mmHg

⑧普西（Psi）：英制压力单位，它是1平方英寸面积上作用1磅的

力，即

1Psi=1lb/in2

⑨真空度的百分数（δ%）：用真空度的百分数表示压力的大小，一般只有在压力高于100Pa时才采用。真空度的百分数为

δ%=[(1×105-p)/(1×105)]×100%

式中 p——以Pa作单位时的压力数值。 已知真空度的百分数，可用下式求气体压力p

p=1×105（1-δ/100 ）

真空区域划分

为实用上便利起见，人们常把真空度粗划为几个区段，根据GB/T3163—93，真空区域大致划分如下

低真空 105Pa～102Pa 中真空 102Pa～10-1Pa

高真空 10-1Pa～10-5Pa 超高真空 ＜10-9Pa

第一节 真空及真空度的概念

在真空技术中，把低与一个大气压的气体状态，统称为真空。与正常的大气压相比，这是一种较稀薄的气体状态。

真空中残存气体的稀薄程度就是真空程度的高低，即真空度。 第二节 真空度的单位和真空区域的划分

一、真空度的单位

依据真空度的定义，衡量真空度高低最直接的物理量应是每单位体积中的分子数，但由于历史和技术上的原因，真空度的高低是用被抽空中残存气体的绝对压强来表示的。“压强”是指单位面积容器壁上所承受的压力，它是目前国际上通用的表示真空度的物理量，1958年第一届国际技术会议曾建议用“托”（Torr）作为测量真空度的单位，定义为“1Torr是1个大气压的1/760”，因1个大气压为760mmHg，故Torr可以与mmHg通用。国际单位制（SI）中规定压强的单位为（Pa），帕（Pa）是牛顿/米2（N/m2）的专门名称。目前，包括我国在内的许多国家已逐步用Pa取代Torr作为真空压强的标准基本单位。 真空度越高，则气体的压力越低，炉内气体分子数目也越少，反之，气体压力越高，意味着真空度越低。可见，压强的大小与真空度的高低成反比。

在各种文献中，压强的单位除了Pa和Torr外，还有标准大气压、bar、kgf/cm2。几种常用单位之间的换算关系见（式1-1）。 1Torr=133.3Pa 1Pa=75×10-3Torr 1Torr=1mmHg

1Torr=1/760大气压 （式1-1） 二、真空区域的划分

真空区域的划分方法很多，目前，我国将真空区域划分为：低真空、

中真空、高真空和超高真空。各真空区域所对应的真空值分别为： 低真空：105~102Pa（760~1Torr） 中真空：102~10-1Pa（1~10-3Torr） 高真空：10-1~10-5Pa（10-3~10-7Torr） 超高真空：≤10-5Pa（≤10-5Torr）

在不同的真空区域内分子运动的物理现象是不同的。离子渗氮是在低真空中进行的，其压力范围通常为7~103Pa。 第三节 真空的测量 一、真空测量的概念

测量低于大气压的气体压强的工具称为真空计。真空计可以直接测量气体的压强，也可以通过与压强有关的物理量来间接测量压强。前者称为绝对真空计，后者称为相对真空计。 二、常用真空计简介

真空计的种类繁多，下面简要介绍一下目前国内离子氮化设备中常用的几种真空计。 1.压缩式真空计

压缩式真空计又称麦克劳真空计，简称麦式真空计。麦式真空计属绝对真空计的范畴。其优点在于测量准确性高，可作为真空计量的标准器，其缺点是使用不够方便、反应缓慢、不能连续测量。 2.电阻式真空计

电阻式真空计系利用真空系统中分子数与传导热量有关的原理制造作而成的电阻式真空计属于相对真空计的范畴。

电阻式真空计的优点在于结构简单、能连续测量、可以测量总压强、使用方便（可用导线进行远距离测量）。缺点在于即该类型真空计的测量值与被测量气体种类有关，这是因为该类型真空计出厂时大多是利用空气标定的，由于离子渗氮炉中氢的存在，氢的热导率与氮、空气等的热导率相比相差太大，故所测真空度值误差较大。但由于该类真空计实用方便、读数直观，勇于测量炉体的极限真空度和压升率准确可靠，因而仍然是我国大多数企业的首选产品。 第四节 真空的获得——真空泵

真空泵是产生、改善和维持真空的装置。依据其获得真空的工作原理不同，可划分为多种类型。

离子氮化炉中所使用的通常是2X系列旋片式机械真空泵。表1-1中列出了其中几种常用规格的主要技术性能指标，供参考。 表1-1

型 号

在0.1Mpa压强时的抽

8

气速率（L/s） 极限真空度（Pa） 转速（r/min） 电机功率（kW） 进气口径（mm） 排气口径（mm） 用油量（L）

320 1.1 50 50 2.0

6.7×10-2 320 2.2 50 50 2.8

315 4 63 65 4.2

300 7.5 80 100 5.2

15

30

70

2X-8

2X-15

2X-30

2X-70

787×431×787×431×932×648×1150×830×

外型参考尺寸（mm）

540

参考重量（Kg）

165

540 190

630 396

810 665