ULVAC 爱发科现货皮拉尼真空计（代表机型 GP-1G/2G、GP-G 系列、GC10 系列）是低-中真空（10³~5×10⁻² Pa）领域的主流传感器。它把“气体分子带走的热量"转换成电信号，再经恒温桥式电路、线性化算法、温度补偿、数字滤波等多级处理，最终输出与压力呈线性关系的 DC 0-10 V、RS-232/485、BCD 或 Profibus 信号。以下从工作原理、结构细节、关键特性、典型选型、安装维护、故障诊断、应用案例七个维度展开 1500 字以上的深度解析，供设计、工艺、维护人员参考。
────────────────一、工作原理：从宏观热传导到微观分子碰撞
热传导真空规的宏观定义
在克努森数 Kn<0.01 的粘滞流区域，气体热传导系数 k 与压力 p 成正比；在 Kn>1 的分子流区域，k 与 p 成线性关系。皮拉尼真空计正是利用 0.5~100 Pa 之间 k∝p 的过渡区，通过测量热丝（Sensor Wire）因分子碰撞损失的热量，来反推压力。
恒温桥式电路（Constant-Temperature Pirani）
ULVAC 采用两级惠斯通电桥：
第一级：Pt 细丝与参考电阻 Rref 组成主桥臂；
第二级：运算放大器+功率晶体管形成闭环，使灯丝温度恒定在 110 ℃（典型值）。
当压力升高 → 热损失加大 → 闭环立即提高加热电流 IH 以维持温度；IH 与 p 的关系由实验标定为
IH = I0 + k·p /(1+α·p)
其中 I0 为零压残余电流，k、α 为灯丝常数。数字 MCU 将 IH 经 12-bit ADC 采样后，查表线性化，输出标准信号。
温度补偿与环境修正
ULVAC 在传感器头部内置 10 kΩ NTC 热敏电阻，实时检测环境温度 0-50 ℃，MCU 以 1 Hz 频率对 k 值进行二阶补偿，保证全温区精度 <±3 %。
对于含氢、氦等高热导率气体的工艺，用户可通过面板或串口输入气体系数（N₂=1.00，H₂=2.40，He=1.85），MCU 自动修正读数，避免 50 % 以上误差。
────────────────二、结构细节：从灯丝到表头
测定子（Sensor Gauge Head）
灯丝：φ15 µm 纯铂，表面溅射 0.2 µm 氧化铝绝缘层，防止碳氢聚合；
支架：双云母片+不锈钢 304L 弹簧，抗 200 ℃ 烘烤；
外壳：KF16/25/40、CF16/35、NPT1/8 可选，内部抛光 Ra 0.2 µm，减少放气；
防护：灯丝上方 100 µm 金属网，防止机械冲击；
互换性：同一表头±10 % 互换误差，无需重新校准。
控制单元（Controller）
电源：DC 24 V±10 %，功耗 5 W；
显示：4½ 位 OLED，亮度 7 级可调，真空单位 Pa/mbar/Torr 一键切换；
设定点：2-3 组 SPST 继电器，触点 250 VAC 2 A，带 LED 状态指示；
通讯：标准 RS-232C（115200 bps），可选 RS-485/Profibus DP；
面板：DIN 96×48 mm，IP40 前面板，插入深度 110 mm，可 90° 旋转安装。
────────────────三、关键性能指标（以 GP-1G 为例）
测量范围：1×10⁵ Pa（大气）~5×10⁻² Pa
再现性：±2 %/year（灯丝老化补偿后）
响应时间：T90<30 ms（粘滞流区），T90<500 ms（10⁻¹ Pa）
温度系数：<0.05 %/°C
抗污染：灯丝可在 1000 ppm C₃H₈ 下长期工作 3000 h
电磁兼容：EN 61326-1 Class A，CE 认证
防护等级：表头 IP40，远程传感器 IP54（加波纹管）
────────────────四、选型与订货号
标准型
GP-1G-S（KF16 表头）+ GC10-RS（控制单元）
防腐型
GP-1G-HC（灯丝镀金 0.5 µm，耐氟化工艺）
高温烘烤型
GP-1G-BK（可 200 ℃ 烘烤 24 h，CF35 法兰）
多通道型
GC10-4CH（一台控制器带 4 路表头，节省机柜空间）
────────────────五、安装与配管
位置选择
电气连接
传感器电缆：ULVAC 原装 3 m 屏蔽线，延长不得超过 100 m（>50 m 需加中继器）；
继电器输出：建议加 RC 吸收回路（47 Ω+0.1 µF）抑制电弧；
通讯：RS-485 总线最多 32 节点，末端 120 Ω 终端电阻。
零点校准
安装或更换灯丝后，在 <1×10⁻³ Pa 的极限真空下长按“ZERO"3 s，MCU 自动写入 EEPROM，完成后指示灯闪烁 5 次。
────────────────六、维护与故障诊断
日常检查
常见问题
读数偏高：灯丝污染 → 用 IPA 超声清洗 5 min；
读数无变化：电缆断线 → 测量线间电阻 10-14 Ω；
继电器不动作：检查设定点是否被误设为“手动关闭"；
通讯中断：RS-232 交叉线 TX/RX 接反。
────────────────七、典型案例
半导体 LPCVD 多晶硅炉
需求：监控 10 Pa 工艺压力，互锁泵组。
方案：GP-1G-S（KF25）+ GC10，设定点1=15 Pa（报警），设定点2=5 Pa（停泵）；通讯 RS-232 接入 PLC，实现配方自动切换。
液晶面板 OLED 蒸镀线
需求：粗抽 100 Pa→20 Pa→2 Pa 三阶段，需 3 组设定点。
方案：GP-2G（双灯丝冗余）+ GC10-3SP，灯丝寿命预测算法 100 h 提示更换，避免停机。
制药冷冻干燥机
需求：0.5 Pa 终点判断，满足 GMP 数据追溯。
方案：GP-1G-HC（316L 表头）+ Profibus 网关，数据上传 MES；在 CIP/SIP 135 ℃ 蒸汽灭菌后，一键重新零点，无需拆表。
────────────────八、寿命与经济性
灯丝 MTBF：>5000 h（N₂ 环境，平均 10 Pa）；
整机质保：3 年或 25 000 h，先到为准；
备件成本：灯丝组件 300-400 元/套，控制单元 2000-3000 元，更换时间 <5 min；
与热偶规相比，皮拉尼无需易碎的热电偶结点，综合拥有成本低 30 %。
────────────────九、未来演进ULVAC 正在开发 MEMS 皮拉尼芯片，尺寸 3×3 mm，功耗 <50 mW，预计 2026 年推出。该芯片将灯丝、测温电阻、参考腔集成在硅基上，通过晶圆级真空封装，可批量生产，成本降至现有 1/5，适合 IoT 真空监测节点。
────────────────结语
ULVAC 现货皮拉尼真空计凭借宽量程、高可靠、可互换、易维护的优势，已成为真空粗抽/中抽系统的“标配"。正确理解其热传导原理、合理选型、规范安装与定期校准，可确保 5-10 年的稳定运行，为半导体、光伏、制药、科研等行业提供值得信赖的低-中真空测量基准。
热线电话：13530735388
ULVAC 爱发科现货皮拉尼真空计的工作原理和产品特性
更新时间：2025-07-26
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