低温泵抽气性能测试平台的抽速测量不确定度研究(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)合肥工业大学仪器科学与光电工程学院 作者:罗云

  抽速是决定低温泵抽气性能的关键参数,高质量的抽速测试结果可有效指导低温泵的工程设计与实验运行。介绍了低温泵抽气性能测试平台的组成和抽速测量的基本原理,分析了压力和充气量的不确定度分量来源,研究了各不确定度分量的估计与合成,确定了低温泵的抽速测量不确定度,给出了抽速测量结果的完整表述,探讨了降低抽速测量不确定度、提高测量结果质量所采取的措施。研究结果对合理配置低温泵抽气性能测试平台、优化实验方案、提高抽速测量结果可靠性有指导意义。

1、引言

  低温泵的抽速是衡量低温泵抽气性能的重要指标,利用专门设计的低温泵抽气性能测试平台,研究低温抽气面温度、单位时间进气量、气体种类等因素对低温泵抽速的影响,为低温泵的设计与运行提供理论指导,具有非常重要的意义。而由测量不确定度原理和测量不确定度表示指南可知,测量不确定度既是表征测量质量的重要标志,也是判定测试水平高低、测试设备质量的一个重要依据,它表征合理赋予被测量之值的分散性,是与测量结果相关联的参数,在测量结果的完整表述中,应包括测量不确定度[1, 2] 。为了合理配置低温泵抽气性能测试平台以提高抽速测量结果的可靠性,须研究其抽速测量不确定度。

2、低温泵抽气性能测试平台的基本组成与抽速测量原理

  所研制的低温泵抽气性能测试平台示意图如图1所示,它主要由专门设计的低温泵、测试罩、氦排气压力控制系统、真空测量仪表、充气系统及辅助抽气系统等部分组成。

低温泵抽气性能测试平台示意图

图1 低温泵抽气性能测试平台示意图

  有关低温泵抽气性能测试平台的研制详情可参阅文献[3] ,此处只简单介绍其各主要组成部分的功能。作为测试平台关键部件的低温泵,它以液氦(LHe)杜瓦底面作为低温抽气面,该泵的主要功能是以其低温抽气面的工作状态模拟大型低温泵低温抽气面的运行状态,通过性能测试研究获得该状态下低温抽气面的抽气性能,为大型低温泵的设计与运行提供理论指导;抽速测试罩的主要功能是提供符合抽速测量标准的气体流动条件,使测试抽速尽可能与泵的实际抽速吻合,本测试平台的抽速测试罩为单规测试罩,结构尺寸按照美国真空协会推荐的低温泵抽速测试罩制作标准[4]设计制作,根据文献[5] ,采用单规法获得的抽速测量结果更接近低温泵本身的真实抽速;氦排气压力控制系统的主要功能是通过控制氦气排气压力达到控制液氦杜瓦内的液氦的饱和温度的目的,以实现对低温抽气面温度的控制,为开展不同低温抽气面温度条件下的低温抽气性能测试研究服务;真空压力测量仪表的主要功能是监测实验过程中测试罩特定点压力的变化,为后续的抽速计算提供数据;充气系统的主要功能是按照设定的进气量通过测试罩上的充气口向测试系统充入测试气体;辅助抽气系统为低温泵的启动运行提供预真空,并抽出低温泵再生期间释放的气体。

  低温泵的抽速测量采用流量计法,其基本测量原理是利用专门设计的测试罩,通过分别测量不进气和一定进气量定量进气条件下测试罩特定位置处的稳态真空压力值P0 与P,利用专门的抽速计算公式来计算低温泵的抽速。考虑到设计该低温泵抽气性能测试平台的主要目的是研究低温泵的抽氢能力,为聚变研究中用到的大型LHe低温冷凝泵的设计和运行提供依据,而做LHe低温冷凝泵抽氢性能测试时的P比P0 一般至少低1个量级,根据文献[6] ,为了不失一般性,采用抽速计算公式:

S =Q / ( P - P0 ) (1)

  式中, Q为单位时间充气量, P为与Q 相对应的、测试罩特定位置处真空压力测量仪所测得的压力值, P0 为Q = 0时真空室内的本底压力。

3、低温泵抽速测量的不确定度分析

  为了提高抽速测试结果的可靠性,需要研究影响抽速测量不确定度的因素。根据低温泵的抽速测量原理表达式(1) ,实测抽速S 通过测量真空室内的本底压力P0、在给定的充气量Q 下的压力值P并加以计算得到,故抽速的测量不确定度取决于P、P0 和Q的测量不确定度。

3.1、压力P的测量不确定度

  传统的真空压力测量由真空规和真空计所组成的测量系统来完成,真空计为真空规提供符合要求的电力供应并对来自真空规的信号进行处理后予以显示。由于科技的进步,现已实现真空规与传统意义上的真空计的集成化,这种集成化处理后的真空压力测量仪器,抗干扰能力强、稳定性好。本低温泵抽气性能测试平台采用的是某公司生产的BCG 450型全量程压力测量仪。此时,压力P的测量不确定度由多个不确定度分量合成,它们分别为全量程压力测量仪误差所引起的不确定度分量、重复性所引起的不确定度分量、测量仪稳定性所引起的不确定度分量。

3.1.1、压力测量仪误差引起的不确定度分量

  在正常的低温泵抽气性能测试实验中,压力测量仪工作在10- 2 Pa 以下,根据厂家提供的资料,在此压力范围内仪器精度为读数的15% ,则由全量程压力测量仪误差所引起的不确定度分量可表示为:

  式中, p为n 次重复测量的平均值, kp 为包含因子。压力测量仪的示值误差服从均匀分布,取包含因子kp = 根号3 ,此时式(2)可表示为:

3.1.2、测量重复性引起的标准不确定度分量

  由于压力测量结果的重复性所引起的A 类不确定度分量s1P要根据实际测量数据得到。假设实际实验过程中对应于给定充气量Q的压力P的测量次数为n,单次测量结果为pi ( i = 1, 2 ⋯n) ,则根据贝塞尔公式,测量结果p- 的标准差σ1P为:

  式中, p为n次重复测量的平均值, pi 为第i次测量的压力值。s1p1p ,自由度为n - 1。

3.1.3、压力测量仪的稳定性引起的不确定度分量

  稳定性通常指测量系统保持其计量特性随时间恒定的能力。通常是通过对某一被测量在一段时间(远远超过实际测量时所需的时间)内测得值的变化来反映稳定性的影响。根据实验观察,所选压力测量仪的稳定性好,由稳定性引起的不确定度分量对总体不确定度的贡献可忽略,故不予考虑。

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