便携式真空漏孔校准装置

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)清华大学 作者:卢耀文

  针对现场检漏对漏率校准的需求,研制出具有体积小、重量轻、成本低等特点的便携式真空漏孔校准装置。采用标准流量系统提供可调的气体流量,通过质谱计作为比较器分别测量标准气体流量和被校准漏孔提供示漏气体(He气)的分压力实现校准。标准气体流量系统采用直径约为1Lm的小孔获得了10-10m3/s量级的分子流导,仅用一台满量程为1.33×104Pa的电容薄膜规真空计(CDG)作为参考标准,通过直接测量和膨胀衰减压力两种方法为小孔入口提供标准压力,从而获得较宽范围的标准气体流量。研究结果表明,装置的校准范围为3.5×10-6~4.6×10-11 Pa.m3/s,合成标准不确定度为1.8%~2.0%,外形尺寸减小到400mm×300mm×400mm,总重量小于35kg。

  真空漏孔作为标定检漏仪或被测量漏率的参考标准,在航空航天、电子工业、电力工业及制冷工业等领域得到广泛应用。目前,随着检漏技术的发展,许多应用领域提出了现场校准真空漏孔的需求。

  真空漏孔是向真空端(出口压力小于1000Pa)提供稳定气体流量的装置,目前国际上大多数计量实验室建立了相应的校准装置,常用的方法有定容法、恒压法、质谱比较法等。定容法通过多台不同量程的电容薄膜真空计(CDG)测量定容室中压力的变化率实现校准,通常的校准范围为10-1~10-6 Pa.m3/s;恒压法是保持压力不变的条件下,采用自动伺服系统控制活塞移动,通过测量体积的变化率实现校准,该装置的特点是设计和使用相对复杂,通常的校准范围为10-3~10-8Pa#m3/s;质谱比较法是用标准流量系统提供气体流量,采用四极质谱计(QMS)或检漏仪作为比较器,通过测量示漏气体在质谱分析室中形成的动态平衡分压力(实际是离子流)实现校准,标准流量通常由恒压法、小孔流导法、分流法流量计提供,装置的校准范围取决于所采用流量计提供的标准流量范围。由于实验室校准装置由于结构复杂、体积和重量都比较大、成本昂贵,不能满足现场真空漏孔的校准需求。

  本文在质谱计比较法校准原理的基础上,研制出一种便携式真空漏孔校准装置。采用直径约为1Lm的小孔获得了10-10 m3/s量级的分子流导,将小孔入口分子流上限压力延伸至104Pa,仅用一台满量程为1.33×10-4 Pa的CDG作为参考标准,通过直接测量和取样膨胀衰减压力两种方法为小孔入口提供标准压力,拓展了标准流量范围。此外,装置设计了一套抽气系统,通过切换阀门独立或同时对质谱分析室和稳压室进行抽气,减小了装置的外形尺寸和重量。因此,与实验室校准装置相比较,所研制校准装置具有成本低、体积小、重量轻、便携等优点,适合实验室和现场校准真空漏孔。

  1、校准装置

  校准装置主要由标准流量系统、质谱计比较系统、被校准漏孔及抽气系统四部分组成,整体尺寸为400mm×300mm×400mm,总重量小于35kg,原理结构如图1所示。图1中RP为机械泵;TMP为分子泵;VC1为质谱分析室;VC2为稳压室;C1为提供标准流导的小孔;V1为电磁阀;V2、V3、V5、V6、V8、V9为截止阀;V4为角阀;V7为带有标准体积的取样阀;G1、G2为监测真空计;G3是满量程为1.33×104Pa的CDG;QMS为四极质谱计;Gas为高纯He气瓶(纯度为99.999%);Leak为被校准真空漏孔。

真空漏孔校准装置原理图

图1 真空漏孔校准装置原理图

  标准流量系统主要由小孔C1、稳压室VC2、高纯He气Gas、取样阀门V7、阀门V2、V3、V5、V6、V8及真空计G2、G3等组成。小孔是标准流量系统中的标准流导元件,其直径和厚度分别为1Lm、1mm,两端可承受一个标准大气压的压力差;稳压室VC2是采用SUS316L不锈钢材制成的体积约为1L的柱形容器,校准过程中为小孔入口提供一定压力的气体,其上安装了复合型真空计G2、G3作为参考标准用于测量小孔入口和取样气体压力。

  漏率比较系统主要由真空室VC1、四极质谱计QMS、监测真空计G1、阀门V4等组成,其中VC1是采用SUS316L不锈钢材制成的体积约为4L的柱形容器。

  被校准真空漏孔Leak通过阀门V9与质谱分析室连接,该漏孔可以是自带气室和通道型两种,后者需要配置相应的气源系统。

  抽气机组由主抽分子泵TMP、前级机械泵RP及阀门管道等组成。TMP对N2气的标称抽速为80L/s,RP对N2气的标称抽速为0.8L/s,抽气机组由标准流量系统和质谱分析系统共用,在校准过程中通过切换阀门对不同真空室抽气。

3、结论

  为了满足许多应用领域现场校准的需求,研制出便携式真空漏孔校准装置。通过标准流量系统提供标准气体流量,采用QMS作为比较器测量示漏气体(He气)在质谱分析室中形成的分压力实现校准。标准流量系统采用直径约为1Lm的小孔获得了10-10 m3/s量级的分子流导,仅用一台满量程为1.33×104Pa的CDG作为参考标准,通过直接测量和取样膨胀衰减压力两种方法为小孔入口提供较宽范围的标准压力,从而使装置获得了3.5×10-6~4.6×10-11 Pa.m3/s的校准范围,其合成标准不确定度为1.8%~2.0%。此外,装置设计了一套抽气系统,通过切换阀门可独立或同时对质谱分析室和稳压室进行抽气,将尺寸和重量分别减小到400mm×300mm×400mm和35kg。总之,所研制校准装置具有体积小、重量轻、便携、成本低等优点,适用于实验室和现场校准真空漏孔。

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