真空漏孔的校准方法(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所 作者:孟 扬

  在检漏工作中,要定量地确定被检漏孔的漏率,需要将漏率的量值从气体微流量标准或漏率标准正确地传递到质谱检漏仪。在这个传递过程中,对参考漏孔的校准是一个很重要的环节。以国内外有关的标准和文献为基础,对真空漏孔的常用校准方法-定容变压法恒压变容法、变容变压法比较法分别给予分析和介绍。

1、引言

  在检漏工作中,定量地确定被检漏孔的漏率更具实际意义。定量地确定被检漏孔的漏率需要有三个基本条件:(1)漏率稳定、数值可靠的参考漏孔;(2)正确地用参考漏孔对检漏仪进行校准;(3)检漏仪的检漏条件与校准条件一致。

  按照参考 漏孔使用时两端的压力状态,可以分为真空漏孔正压漏孔两类。真空漏孔是在人口压力为一个大气压、出口压力小于1kPa条件下校准和使用的漏孔。正压漏孔是在人口压力大于一个大气压、出口压力为一个大气压条件下使用的漏孔。由于真空漏孔和正压漏孔的使用条件不同,故它们的校准方法也不完全相同。国际上对真空漏孔的校准已经研制了多种测量原理的校准装置,并在不同标准装置间进行了比对研究。对正压漏孔的校准,因为受到正压检漏定量性差和正压漏孔校准条件较难满足的局限,以前在国际上研究得不够;但是,随着吸枪式质谱计检漏法的应用和普及,对正压漏孔的校准问题已经开始引起重视了。本文主要介绍真空漏孔的校准方法,正压漏孔的校准方法将另文介绍。

2、校准方法的分类

  参考漏孔的漏率就是在规定条件下,在单位时间内通过漏孔流出的气体量。如果将参考漏孔的一端与密闭容器相通,通过测量容器内气体的压力、体积、温度的变化,则可以由下式得到参考漏孔的漏率

QL=d [pV/(RT)]/dt=(1/R)d(pV/T)/dt   (1)

  式中QL为参考漏孔的漏率,mol/s;p为气体的压力,Pa;V为气体的体积,m 3;R 为摩尔气体常数,J/(mol·K);T为绝对温度,K;t 为时间,s。

  由于温度变化不仅不易控制,而且还会带来其他效应,例如改变参考漏孔的漏率,所以参考漏孔的漏率都是在恒温条件下进行测量的,恒温是漏孔校准成功的基本条件。测量时,如果压力和体积都改变,则为变容变压法;如果压力保持不变,则为恒压变容法;如果体积保持不变,则为定容变压法。

  将从参考漏孔流出的气体产生的效应与参考标准相比,从而判定参考漏孔的漏率,则为比较法。如果是在动态系统中进行比较,则为动态比较法;根据采用参考标准,又可分为气体微流量计动态比较法和参考漏孔动态比较法等。如果是在静态容器中进行比较,则为静态比较法;根据采用的参考标准,又可分为定量气体静态比较法和参考漏孔静态比较法等。

3、真空漏孔的校准方法

3.1、恒压变容法

  将从真空漏孔流出的气体引人到一容器中,在温度、压力恒定不变的情况下,真空漏孔的漏率可以通过测量容器中气体的体积变化率△V/△t,压力P温度T而得到。

QL=(p/RT)(△V/△t)  (2)

  如果在测量过程中,容器中气体温度变化△T,压力变化仰;p9T,△V和△t分别为δp,δT,δ(△V),δ(△t),则参考漏孔的漏率测量误差δQL[5]

  在式(3)中,温度变化△T和压力变化△p引起的误差最大,因此需要严格恒温和恒压。若要减小该项误差,应当尽量增大体积变化量△V和减小初始体积V。但是增大△V,会延长测量时间,使恒温和恒压困难增大。目前,此方法可以测量的下限为10 -12 mol/s。

  恒压变容法的下限因素是系统的吸、放气,其工作压力不可低于1Pa。

  图1示出了由中国兰州物理研究所(LIP)研制的气体微流量标准装置的原理图。校准室为采用波纹管制作的变容室,波纹管外为密封油室,利用液压油的体积随压力改变极小的特性,通过控制活塞在油室中的体积来改变变容室的容积,变容室与参考室之间用差压式电容薄膜规测量压力差。在测量过程中,参考室中的气体压力调在10~10 3Pa之间,测控系统用慢速恒力矩电机驱动活塞在密闭油室中运动,连续增加变容室的体积,使变容室与参考室之间的压力差维持在零附近,则变容室内的气体压力就恒定不变了。活塞的横截面积与移动速度之积就等于变容室内气体体积的变化率。变容室为波纹管结构,密封性能好。它可以校准10-7~10-11 mol/s范围内的参考漏孔,标准不确定度小于2%  [6~8]

  美国Sandia国家实验室(SNL)研制了一台活塞位移式真空漏孔校准系统。它利用步进电动机驱动活塞在变容室中运动,连续改变变容室的体积,维持变容室中压力恒定。由于活塞与变容室之间采用“O”型圈密封,其漏、放气相对来说比较严重。这套系统可以校准10 -6~10 -11 mol/s范围内的真空漏孔。

  在式(3) 中,OP指的是两个测量点的压力变化,在这两次测量之间只要压力的变化不改变真空漏孔的漏率就可以。SNL还研制了一台漏孔校准装置(见图2),采用增加固定体积的方法,即在t1时刻打开、1或阀2或阀3,使V1内压力P二下降,随着气体通过漏孔流人V1,直到t2时刻P二恢复到t1时刻前的压力,则△V和△t都可以确定。这个装置结构简单,操作方便,但仅是一种近似的恒压变容法,恒压效果差。SNL用它可以对5 ×10-10~5× 10- 8 mol/s范围内的真空漏孔进行校准,不确定度为5%。

  图3示出玻璃毛细管变容室示意图,毛细管为真空漏孔提供气源,其中的液柱起到密封、变容、恒压、标识体积变化等作用。这种方法很简单,可以用来校准漏率大于5×10-10 mol/s的参考漏孔,但是有它自身的缺陷。首先,毛细管不能太粗(直径小于1 mm ;其次,毛细管的内径要均匀,否则误差太大;还有,液体与管壁的浸润会给测量带来较大的误差,环境大气压的变化、液体的蒸发和温度变化引起的液体体积变化都会给漏率测量带来一定的误差。另外,液体蒸气会沿毛细管返流至被校漏孔,易引起漏孔堵塞或腐蚀。

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