壓力與真空度測量原理與單位
壓力與真空度是許多儀器會使用的測量參數、或是儀器的環境控制因素。比如流體吸附測試儀、熱分析儀、氣體分析儀、高壓鑽石砧等等。這些儀器除了用壓力錶、真空錶來測量壓力或真空度之外,也會利用加壓泵浦或真空泵浦,來製造必要的壓力條件或真空條件。 各家的壓力錶顯示單位各不相同,有的標示 psi,有的標示 Pa,有的標示kgF/cm3,五花八門。使用者往往被這些壓力單位,搞的頭暈腦脹。了解壓力與真空度的度量方式與表示單位,才能獲得正確的測量結果與合適的壓力數值描述。
壓力表示單位
帕斯卡 (Pasca),簡稱「帕 (Pa)」是最基本的壓力公制單位,定義是每平方公尺,受到 1 牛頓的力量。對於比較大的壓力,除了「百萬帕」 MPa,也常用「巴」 (bar) 來表示,相當於十萬帕斯卡。1 bar = 100000 Pa,「毫巴」(mbar) 則等同於 100 Pa。英制常見壓力單位是 psi (pounds per square inch ),也就是每平方英吋受到多少英磅的壓力。常見的壓力錶,通常同時顯示兩種單位,Pa 跟 psi 。
各式各樣的壓力錶
大氣壓力 Atmospheric Pressure
大氣壓力的單位是 atm,可從氣壓測量儀器測得,例如水銀液柱壓力計 (Mecury Liquid Column Gauge) 或晴雨氣壓錶 (Barometer),前者是利用水銀本身的質量,在U型管兩端,因為壓力差產生的高度差異來測量,測出的壓力以毫米汞柱高度 (mmHg 表示)。最早義大利科學家,便是從水銀液柱測量到大氣壓力。後者則是用金屬薄膜,或空心金屬管 (Bourdon Tube, 巴登管),被外在壓力施壓後產生機械形變,來帶動指針讀值,常見的盒式氣壓錶、壓力錶便是屬於此類。
真空中的液柱壓力計
不過大氣壓力在不同地點、不同海拔高度,都不盡相同。因此,一大氣壓 (1atm) 被定義為海平面的平均壓力。目前國際定義 1atm 等同於 760mmHg (毫米汞柱),也就是 101325 Pa。換算其他常用壓力單位還有 1013.25 mbar,14.696 psi,1.033231 kg/cm2, 29.9212 inches Hg 英吋汞柱。托 (Torr) 這個單位也很常見,原始定義為 1/760 atm,由於 1atm=760mmHg 是後來國際標準才出來, 跟古早的 1atm 有些差異,因此在科學標示的場合,會寫 1 Torr ≈ 1mmHg,而不是 1 Torr = 1mmHg,然而在實用上,兩個單位可以說是一樣的。
相對與絕對 Relative & Absolute
壓力與真空度的測量過程,通常處於一般大氣環境下,而大氣壓在不同溫度下與不同的海拔高度,會有不同的差異。由此可知,壓力表或真空表所測量的結果,會包含了來自另一個方向由大氣壓力 (相當於 1 atm) 推回來的力量。也就是說,待測物的實際壓力,應該要再多 1 atm 才對。像我們在大氣壓力大的平地,把一包零食帶到大氣壓力小的山區,袋子會膨脹起來的狀況,就是因為大氣推回去的力量變小了。
壓力錶或真空錶所測得的結果為「相對壓力」、「相對真空度」,也就是俗稱的錶壓 (Gauge Pressure),當壓力錶沒有通氣、通液之前,刻度顯示為 0,不受當地氣壓的影響。絕對壓力則是計入當地氣壓的結果,跟相對壓力的關係,可用下面的公式來表示:
錶壓(Pg) = 絕對壓力 (Pabs) - 當地氣壓 (Patm)
如果測量的目標,其絕對壓力低於大氣壓,壓力錶所測得的結果會是負壓,該壓力值的絕對值稱為真空度,等同於以下公式:
真空度 (真空錶壓) = 當地氣壓 (Patm)- 絕對壓力 (Pabs)
真空錶多半以負壓表示。在接錶之前,指針在刻度 0 的位置。接上真空設備之後,顯示負值,直到 -760mm 或 -1 kg/cm2 或 100KPa 、0.1MPa (實際上應為 101.325 KPa、0.101325MPa)。習慣上在描述真空度時,會忽略負號,直接講數值跟單位。了解了這些,便可知道真空錶怎麼讀。
另外,在工業或實驗室領域,也有把真空度程度分級的習慣,用來描述條件或真空泵浦的能力,大約如下表的分級(非絕對標準):
真空等級 |
真空度 |
絕對真空 |
0 Torr (基本上真實世界不存在) |
極真空 (Extreme High Vacuum) |
<10E-12 Torr |
超真空 (UHV, Ultra High Vacuum) |
1E-9 to 1E-12 Torr |
高真空 (HV, High/Hard Vacuum) |
1E-3 to 1E-9 Torr |
中真空 (Medium/Intermediate Vacuum) |
25 to 1E-3 Torr |
低真空 (Low/Soft/Rough Vacuum) |
760 to 25 Torr |
無真空大氣壓 (Atmospheric Pressure) |
760 Torr |
「絕對真空」,是一個理論說法,也就是在某個封閉空間中,完全沒有任何東西存在的時候,絕對壓力為 0。這種絕對真空環境,基本上不存在於現實中,但用來表示整個壓力、真空的概念,便可以把本文前面提及的壓力/真空名詞圖表化,更容易了解它們之間的相對關係,圖中從人類定義的絕對真空、海平面標準大氣壓,以及某地的大氣壓力,便能計算出錶壓與絕對壓力。