正壓漏孔校準(zhǔn)裝置

標(biāo)準(zhǔn)漏孔有兩種形式：一種，漏孔一端真空另一端為一個大氣壓的示漏氣體，稱做真空標(biāo)準(zhǔn)漏孔；另一種，漏孔一端氣另一端加高于一個大氣壓的示漏氣體，常稱做正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔。

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)漏孔 | MPCVD | 電容薄膜規(guī)真空計 | 高低真空校準(zhǔn)裝置 | 氦漏孔校準(zhǔn)裝置

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標(biāo)準(zhǔn)漏孔有兩種形式：一種，漏孔一端真空另一端為一個大氣壓的示漏氣體，稱做真空標(biāo)準(zhǔn)漏孔；另一種，漏孔一端氣另一端加高于一個大氣壓的示漏氣體，常稱做正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔。前一種漏孔大多用來對氦質(zhì)譜檢漏儀進行校準(zhǔn)；后者多用在對鹵素檢漏儀進行校準(zhǔn)的正壓漏孔。
目前正壓檢漏，以其操作方便、便攜、檢漏成本低等優(yōu)勢，在制冷、機械、汽車制造等行業(yè)被廣泛采用。正壓漏孔用于正壓檢漏儀靈敏度校準(zhǔn)，其漏率校準(zhǔn)的不確定度直接關(guān)系到檢漏儀的檢漏儀靈敏度和檢漏的有效性。目前國內(nèi)外許多國家標(biāo)準(zhǔn)漏孔的校準(zhǔn)規(guī)范包括了對正壓漏孔的校準(zhǔn)方法和對應(yīng)裝置。我國航天部門的有關(guān)單位針對正壓檢漏的需要，也建立了一套很復(fù)雜的正壓漏孔校準(zhǔn)系統(tǒng)，因該系統(tǒng)成本高，很難推廣。本文建立的改進型漏孔校準(zhǔn)裝置（以下簡稱裝置）具有成本低，不確定度小，自動化度高，操作簡單等優(yōu)點，易于推廣。

1.1裝置結(jié)構(gòu)
　　本裝置為體積補償結(jié)構(gòu)，裝置采用MKS公司生產(chǎn)差壓薄膜規(guī)120AD，量程為1Torr，測量精度為示值的0.15%，最小壓強分辨率為0.01Pa，不重復(fù)性為0.01%FS(FS為滿量程)，零點溫度系數(shù)30ppm.FS/℃，滿量程的溫度系數(shù)0.01%FS/℃，測量活塞外徑2.50mm，測量誤差不超過±5μm，活塞桿由千分尺推動，標(biāo)準(zhǔn)溫度計分辨率0.1℃，大氣壓力由setra公司生產(chǎn)的1000Torr電容薄膜真空計測量精度為0.2%。該裝置有恒壓、定容兩種操作方法。

1.2、恒壓操作方法和工作原理
　　Q=P0·X·A·Tτ/T·Δt (1)
　　式中：Q--標(biāo)準(zhǔn)漏孔的漏率，單位Pa·m3/s;
　　　　　P0--當(dāng)t1時校準(zhǔn)室內(nèi)的絕對壓力，(可以用t1時當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Υ妫?，單?Pa；
　　　　　A--活塞桿截面積，單位m2;
　　　　　X--活塞移動距離(L2-L1)，單位m;
　　　　　Tτ--標(biāo)準(zhǔn)漏孔的參考溫度，單位K;
　　　　　T--環(huán)境溫度，單位K;
　　　　　Δt--校準(zhǔn)開始、結(jié)束的時間間隔（t2-t1），單位 1。
　　此方法所校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)漏孔漏率不能太小，否則活塞移動所造成的壓力波動影響太大。通過試驗，大于 10-5Pa·m3/s的漏率可以方便地使用此方法。該種校準(zhǔn)方法以及其校準(zhǔn)不確定度已經(jīng)有文章做過介紹。對于小于10-5 Pa·m3/s的漏率需要采用另一種方法校準(zhǔn)，另外該方法無法實現(xiàn)瞬時漏率測量和計算機數(shù)據(jù)采集。

1.3、定容操作方法和工作原理
　　定容法不能利用Q=△P·Vx/△t公式來計算，因為薄膜計是靠薄膜的彈性變形原理來測量壓力的，所以 Vt、Vx都發(fā)生了變化，并且嚴(yán)重影響了校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的正確性。以本裝置為例會造成大約20%的負(fù)偏差。我們通過理論推導(dǎo)計算和試驗驗證發(fā)現(xiàn)漏入氣體量和壓力值大致成線性關(guān)系。
根據(jù)有在理想氣體狀態(tài)方程恒溫條件下：
　　P0·Vt=Pτ·(Vτ-△V) (2)
　　P0·Vx=Px·(Vx+△V)+Q·t (3)
　　根據(jù)上式可以得到：
　　Q·t=Vx·[P0·(Px/P0·Vx + Pτ/P0·Vτ)·△V+P] (4)
　　在△P小于1KPa時Px/P0和Pτ/P0近似于1，則
　　Q·t=Vx·[P0·(1/Vx+1/Vτ)·△V+P] (5)
　　根據(jù)差壓薄膜規(guī)工作原理， △V正比于P，則有Q·t 正比于P，可以得到
　　Q=k dP/dt=k· d(P0+P)/dt= k dP/dt (6)
　　表1數(shù)據(jù)證明了本裝置漏入氣體量和薄膜計壓力示值符合線性關(guān)系，其線性誤差不大于示值的0.3%，能夠滿足正壓漏孔漏率校準(zhǔn)的要求。體積系數(shù)k值可以通過以下方法測得：安裝好標(biāo)準(zhǔn)漏孔，將千分尺調(diào)節(jié)至0mm 的位置，關(guān)閉閥門1和閥門2，等系統(tǒng)穩(wěn)定后讀取薄膜計壓力示值p1，推進千分尺至 x mm 處，讀取薄膜計壓力示值 P2。k值可以按下式計算：
　　k=P0·x·A/(P2-P1) (7)
　　其中： k為體積系數(shù)，單位m3；A為活塞截面積，單位m2。
　　重復(fù)以上步驟至少三次，其k值計算偏差不超過±1%，否則必須檢查系統(tǒng)是否漏氣。然后系統(tǒng)放空后再重新關(guān)閉閥門1和閥門2，當(dāng)薄膜計壓力示值穩(wěn)定上升后開始計時，根據(jù)式（6）計算標(biāo)準(zhǔn)漏孔的漏率值。

2、裝置的測量范圍和校準(zhǔn)不確定度
2.1測量范圍是 1×10 -4 Pa·m3/s~ 1×10 -6 Pa·m3/s
2.2 校準(zhǔn)不確定度：U=5%（k=2)

3. 裝置的安裝條件
3.1.1電源要求：220V 不小于5A。
3.1.2 環(huán)境溫度（23±5）℃，校準(zhǔn)過程中室溫變化不超過±1℃。
3.1.3.相對濕度不大于80%。
3.1.4 氮氣，純度不低于99.9%。

4.設(shè)備操作
本設(shè)備是全自動校準(zhǔn)裝置.

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