定容式流导法微流量校准装置(2)
2、校准装置的设计
定容式流量计的测量范围为(10-2～10-8)Pa·m3/s，为了扩展测量下限，采用流导法，测量范围为(10-6~10-11)Pa·m3/s。在校准装置的设计中，采用定容式流量计和流导法组合，使流量的测量范围宽。
2.1、定容式流量计
定容式流量计可测量流入定容室中的流量，直接对质量流量计和真空漏孔进行校准，称为流量流入法；也可测量流出定容室的气体流量，为流量比较系统提供标准流量，称为流量流出法。定容式流量计结构如图1所示。
当流量从定容室中流入或流出时，引起定容室中的压力变化，在温度T和定容室容积V 不变的条件下，通过测量定容室中的压力变化值△P和所用的时间△t，同时考虑到流量测量的温度修正，由式 Qv=V(△p/△t)(Tr/T) (1)
可计算流量，式中Qv为气体流量，Pa·m3/s;V为定容室容积为定容室中的压力变化值，pa；△t为定容室中的压力变化△P所用的时间，s;Tr为参考温度296.15K;T为气体温度，K。 从式(1)可知，流量与定容室容积V和压力变化量△p成正比，与测量时间△t成反比，当测量较大的流量时，定容室中压力最大允许变化量△p 为出口压力(一个大气压力)的1% ，即1kPa，应适当增加定容室的容积V和减小测量时间△t，以控制定容室中的压力变化量△P。当测量较小的流量时，为了增加定容室中的压力变化量△P和减少测量时间△t，应尽量减小定容室容积V。
根据气体流量的测量范围，定容室设计了10L、1L、和0.1L的三个容积，采用电容薄膜规测量定容室中压力变化值。
定容式流量计的测量上限主要取决于定容室容积，若定容室容积为10L，则最大气体流量约10-2pa·m3/s；若增加定容室容积，还能延伸流量的测量上限。它的测量下限主要受到温度波动、真空系统的漏气和材料表面的放气的影响，一般流量的测量下限为10-8pa·m3/s。
2.2、流导法.2.1、工作原理
如果小孔的流导为C，小孔两端的压力分别为P和P’，则通过小孔的流量可表示为 QC=(P-P')C (2)
小孔的入口压力是定容室中的压力P，小孔的出口压力是流量比较系统的压力P'，小孔入口的压力P远远大于小孔的出口压力P'，即p>>P'，则有 Qc=P×C (3)
式中：P是定容室的压力，用磁悬浮转子规或电容规测量，压力变化范围为10-3Pa~10-4Pa。C是小孔的流导值，可用定容式流量计测量。
在分子流条件下，随着压力的减小，小孔的流导值是常数，采用流导法可测量较小的流量，流量的测量范围为（5×10-6~5×10-11）Pa·m3/s。
2.2.2、小孔直径计算
在分子流状态下，对于20℃的氦气(He)，可用公式C=24.1d2估算小孔的直径d，其中流导的单位L/s，d的单位是cm。如果小孔的流导值C为3×10-6L/s，可计算出小孔的直径3.5×10-4cm。
在流量的测量过程中，小孔流导的几何尺寸是不变的，对于某一压力来说，通过小孔流导流出的流量也是某一定值，可以通过实验得到压力与流量对应关系，测量流量比较方便。
2.2.3、分子流条件与小孔直径之间的关系
对于20℃的空气，气体分子的平均自由程λ为
λ=6.67×10-3/P (4)
式中：P为定容室中的压力，Pa；λ为气体分子的平均自由程，m。
根据气体流动状态的判别方法，当气体分子的平均自由程λ>d/3为分子流，即d<3λ，则有：当P=10 3Pa时，气体分子的平均自由程λ为6.67×10-6m,d<2×10-5m;当P=105时，气体分子的平均自由程λ为6.67×10-7m，d<2× 10-6m。
如果小孔孔径为3.5×10-6m，当压力小于1000Pa时，气体通过小孔的流动状态是分子流，小孔的流导值基本上保持不变，压力与流量成正比。
在粘滞流的情况下，小孔的流导值C不是常数，压力与流量成非线性，也可通过实验求出流量与压力的对应关系。
