略论绝对真空计量标准(1)

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

  仅就“绝对真空计量标准”略加评论,对真空计量标准的“绝对性”含义作一讨论。随着真空度的提高,真空度计量标准的绝对性越来越下降;相对真空度计量标准而言,气体微流量标准的绝对性还要更差些。

1 引言

  真空计量学(vacuum etorlogy)这一术语,在国际上许多文献中出现,并被较普遍采用还是近十多年的事。真空计量标准已具备了较高的准确度,进行了真空度标准的国际比对,建立了微流量、分压力等多参量标准。真空测试技术和仪器向精密、准确和可靠方向发展。它标志着真空计量学已经到达一个新阶段,已成为计量学的一个新的独立分支。

  发展中的真空计量学,有必要对一些重要的名词术语给与更准确的定义和规范。本文仅就“绝对真空计量标准”略加评论,对真空计量标准的“绝对性”含义作一讨论。

2 绝对真空计A标准的特性

  在ISO3529/Ⅲ文件中对绝对真空规的定义是:仅由所测量的物理量就能确定压力的真空规。

  英国国家物理实验室(NPL)的K.F.Poulter对绝对真空规的定义是:由所测量的国际单位制(SI)中的基本量就能计算压力的真空规。

  以上两个定义相比,K.F .Poulter的定义更严格,即指明所测量的物理量是SI中的基本量。但此两个定义,仅定义了绝对真空规,还没涉及能够用于校准真空规的整个校准系统。

  德国物理技术研究院(PTB)的G.Messer是这样定义校准真空规的基本方法的:此方法仅涉及到Si基本量的直接测量。

  综合这三个定义并加以扩展,绝对真空计量标准的定义或所具有的特征是:

  (1) 直接测量的物理量是SI基本量,并由此依据基本理论公式计算出真空量(压力P,微流量Q,抽速S)。

  (2) 标准的校准容器中的气体处于热力学平衡态。

  几点说明如下:

  ①真空计量学中主要涉及到SI中四个基本量(长度、质量、时间、温度),目前这四个量的测量不确定度非常小,分别为10-11,10-10,10-14,10-6

  ②计算要依据基本理论公式,以保证计算的准确性。

  ③气体只要在热力学平衡态时,P,Q,S才有明确的物理意义。三者之间才有P=Q/S的关系。

  具有上述两个基本特征的真空计量标准通常认为具有“绝对性”,才有可能具有高的准确度,故称为绝对真空计量标准。

3 绝对真空计f标准的现状

  本文对真空计量标准仅从“绝对性”角度进行简要评述。

3.1 真空度计且标准

3.1.1 直接比对法真空规校准系统—低、高真空

  直接比对法校准真空规的方法是在静态或动态的校准室中,将被校规与参考规进行直接比较。其绝对性主要由校准室的设计合理性和参考规的绝对性确定。

  国际标准化组织(ISO)公布的标准ISO/DIS5 300中对直接比对法真空规校准系统的设计作了如下具体规定:

  (1) 校准室的体积至少应该是接在校准室上的所有规管的总体积的20倍;

  (2) 校准室的形状应该使其表面积与体积之比尽可能小;选用球形容器最理想,若选用圆柱形容器,则要求筒长与筒径之比不大于4;

  (3) 规管的连接要保证气体分子进人规管的工作区域前,至少能够与管壁碰撞一次;

  (4) 安装在校准室上的所有规管之间的压力差和温度差不应该导致明显的测量误差;

  (5) 规管连接处的流导至少应该为规管吸附速率或解吸速率的100倍;

  (6) 校准室的极限压力应该小于最低校准压力的2%。

  采用直接比对法校准真空规时,绝对性较好的参考规有U形压力计和压缩式真空计;在粗、低真空范围一般采用静态方式进行比对;在高真空采用动态平衡方式进行比对,此时气流状态要偏离热平衡态,绝对性有所下降,设计系统时要尽可能降低这种偏离的程度。

  U形压力计测量压力时,涉及的物理量为长度、质量和时间,其原理公式为

P=ρ g △ h (1)

  式中ρ为工作液体密度,kg·m-3;g为重力加速度,m·s-2;△h为两液面高度差,m。

  压缩式真空计的测量原理是根据波义耳定律,测量的物理量涉及长度、质量和时间,压力计算公式采用式(2)。

  P=(V0/V)ρg △h (2)

  式中V为压缩前体积,m3; V0为压缩后一段毛细管体积,m3

3.1.2 静态膨胀法真空规校准系统—低、高真空

  其测量原理是根据波义耳定律

  P= (V0/V)P0  (3)

  式中Q为膨胀前高压气体压力,Pa;Vo为内含高压气体(Po)的小容器的体积,m3;V为校准室的体积,m3

  测量的物理量除涉及长度外,还需测量压力p0,其绝对性主要由测量OP的真空规的绝对性确定。

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