低压力下复杂结构真空容器容积比的测量方法研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:吉康

  真空容器容积比的测量方法通常有称重法和静态膨胀法。目前,复杂结构真空容器容积比主要是在较高的压力下通过气体静态膨胀进行测量。但当膨胀压力低于10-2Pa 时,真空容器器壁的放气会对容积比的测量带来很大的影响。为了确保在膨胀前后气体量不改变,即减小在低压力下真空容器的放气对测量的影响,提出了利用非蒸散性吸气泵选择性抽气的特性,结合静态膨胀法利用惰性气体氩气(Ar)、氦气(He)来测量真空容器的容积比。

  引言

  复杂结构真空容器容积比的测量广泛应用于真空计量领域,例如真空检漏技术、高精度真空标准压力的产生、气体微流量测量校准技术等,这些技术都应用于航空、航天、制冷、高能物理等领域。使用称重法等对容积比进行测量时,通过测量容器装满液体(通常为水)前后的质量来测量容积比,但由于液体中的气泡和阀门死空间的影响,使得容积比的测量不够准确,对复杂结构的真空容器来说,由此引起的不确定度更大。使用静态膨胀法对容积比进行测量时,通常是在高压力的条件下测量真空容器容积比。为了保证真空容器容积比的测量结果的准确性,需要考虑真空容器器壁放气对测量结果的影响。

  在低压力的条件下,测量真空容器容积比会受到器壁放气的严重影响。文章提出利用非蒸散型吸气泵具有选择性抽气的特性,采用惰性气体作为实验膨胀气体,在低压力下对复杂结构真空容器容积比用静态膨胀法进行了精确测量研究。

1、测量原理

  静态膨胀法最早是1910 年由Knudsen提出的作为真空标准,静态膨胀法是基于波意尔一马略特定律,当一定质量的气体在温度保持不变时,其压力和体积的乘积保持不变。即式(1)

低压力下复杂结构真空容器容积比的测量方法研究

  式中:P 为压力,Pa;V 为体积,m3。在静态膨胀法中,将起始压力为P0的高压力气体从小容器v 膨胀到已预先抽空的大容器中,通过压力衰减得到大容器V 中的气体压力P1,用式(2)表示:

低压力下复杂结构真空容器容积比的测量方法研究

  起始压力P0在膨胀过程中的衰减率为初态和终态容积之比v/v +V,即RV,运用静态膨胀法公式计算膨胀后在大容器内产生气体的标准压力时,需要精确测量容积比。实验装置的结构原理如图1所示,主要由抽气泵组、标准容器VC0、待测容器VC1、气源(GAS)、非蒸散型吸气泵(NEGP)、磁悬浮真空计(SRG)和真空阀门等组成。

真空容器容积比测量原理结构图

图1 真空容器容积比测量原理结构图

  利用静态膨胀法测量真空容器容积的原理基于理想气体的状态方程:

低压力下复杂结构真空容器容积比的测量方法研究

  由理想气体的状态方程可得,两个真空容器的容积比RV 通过式(4)计算:

低压力下复杂结构真空容器容积比的测量方法研究

  式中: RV 为被测容器与标准容器的容积比;P1 和P2 分别为膨胀前、后的压力,Pa;T1 和T2 分别为膨胀前、后的气体温度,K;n1 和n2 分别为膨胀前、后的气体摩尔数,mol。使用静态膨胀法测量容器容积比,为了确保式(4)中的n1/n2=1,即膨胀前后气体量不变,主要存在漏气和容器器壁放气两大因数。在全金属真空系统中漏气很容易消除,但是器壁放气却很难消除。

  所以低压力环境中测量容器容积比存在最大的因素就是器壁放气对测量结果的影响。在VC0 真空容器中连接一台非蒸散型吸气剂泵(NEGP)。利用NEGP吸收器壁的放气,采用He、Ar作为实验气体然后进行容器容积比的测量。

  为达到式(4)中的T1/T2=1,采用铂电阻温度计进行温度测量。为了消除环境温度波动对实验结果带来的影响,在实验开始前的24 h打开实验设备(例如分子泵),同时打开实验室温控设备并设定温度23° C,记录铂电阻温度计的温度波动小于0.2 °C/h开始实验。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为这为磁悬浮转子真空计的使用提供了较好实验条件,同时也是在低压力下容积比准确测量的前提条件。

5、结论

  文章提出了一种利用非蒸散性吸气泵选择性抽速的特点用在低压力条件下对真空容器容积比测量的方法,完成了在10-2Pa量级的条件下进行容积比的测量,解决了在低压力环境中器壁放气对测量带来的问题。

  研究结果证实该方法可以成功的应用在静态气体膨胀实验的校准之中。为在低压力条件下对真空容器容积比的测量提供了参考,合成标准不确定度为2.1%。

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