正壓漏孔校準裝置

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

關鍵詞：標準漏孔 | MPCVD | 電容薄膜規(guī)真空計 | 高低真空校準裝置 | 氦漏孔校準裝置

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標準漏孔有兩種形式：一種，漏孔一端真空另一端為一個大氣壓的示漏氣體，稱做真空標準漏孔；另一種，漏孔一端氣另一端加高于一個大氣壓的示漏氣體，常稱做正壓標準漏孔。前一種漏孔大多用來對氦質譜檢漏儀進行校準；后者多用在對鹵素檢漏儀進行校準的正壓漏孔。
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，其漏率校準的不確定度直接關系到檢漏儀的檢漏儀靈敏度和檢漏的有效性。目前國內(nèi)外許多國家標準漏孔的校準規(guī)范包括了對正壓漏孔的校準方法和對應裝置。我國航天部門的有關單位針對正壓檢漏的需要，也建立了一套很復雜的正壓漏孔校準系統(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裝置結構
　　本裝置為體積補償結構，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，標準溫度計分辨率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--標準漏孔的漏率，單位Pa·m3/s;
　　　　　P0--當t1時校準室內(nèi)的絕對壓力，(可以用t1時當?shù)卮髿鈮毫Υ妫瑔挝?Pa；
　　　　　A--活塞桿截面積，單位m2;
　　　　　X--活塞移動距離(L2-L1)，單位m;
　　　　　Tτ--標準漏孔的參考溫度，單位K;
　　　　　T--環(huán)境溫度，單位K;
　　　　　Δt--校準開始、結束的時間間隔（t2-t1），單位 1。
　　此方法所校準的標準漏孔漏率不能太小，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。該種校準方法以及其校準不確定度已經(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，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，并且嚴重影響了校準數(shù)據(jù)的正確性。以本裝置為例會造成大約20%的負偏差。我們通過理論推導計算和試驗驗證發(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的要求。體積系數(shù)k值可以通過以下方法測得：安裝好標準漏孔，將千分尺調節(jié)至0mm 的位置，關閉閥門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)放空后再重新關閉閥門1和閥門2，當薄膜計壓力示值穩(wěn)定上升后開始計時，根據(jù)式（6）計算標準漏孔的漏率值。

2、裝置的測量范圍和校準不確定度
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.設備操作
本設備是全自動校準裝置.

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