电容薄膜规(CDG)热流逸效应修正方法

2009-04-10 孙　海真空低温与物理国家级重点实验室

　电容薄膜规(CDG)的测量下限主要取决于分辨率和零点稳定性,而温度的变化会对零点稳定性产生较大的影响。为了改善CDG的零点稳定性能,减少外界温度变化对测量的影响,使用中,通常将传感器恒温控制在45 ℃。这时,传感器所在的测量室与被测容器(温度一般为23 ±3 ℃) 产生较大的温差,从而产生了热流逸效应,这使CDG的传感器不能精确反映校准室的实际压强。

假定CDG连接在一个校准容器上,连接管道的直径为d 。当系统内的压强处于稳态时,CDG测量室内的气体压强为P1 ,温度为T1 ;校准室内的气体压强为P2 ,温度为T2 。当压强较高时,气体分子的平均自由程€λ 远远小于d ,系统内气体分子处于粘滞流状态。当两室之间的气体压强处于平衡状态时,两室中虽然温度不同,但压强值相等,即

当压强较低时,气体分子的平均自由程€λ远远大于d ,系统内气体分子处于自由分子流状态。当平衡时,分子穿越两室的几率相等,则

Rk 称为克努曾值,由此可见,在低压强下,相连两室的温度不同导致压强不同,这种现象即为CDG的热流逸现象。

当压强适中时,系统内气体分子处于过渡流(克努曾流) 状态, 热流逸效应使得p2/p1介于1 和根号下T2/T1值之间,即

为了确定这一范围内压强比p2/p1的准确值, 国外很多学者进行过研究, 真空技术网也对此加以探讨。本文定义p2/p1为CDG的校准因子, 即CDG的示值压强除以校准室里的标准压强, 标准压强的测量和计算均根据文献进行了温度修正。

所有试验在一台静态膨胀式真空校准装置上进行,装置工作原理图如图1 所示。

图1 　静态膨胀式真空校准装置工作原理图

该装置通过直接比对以及一至三级膨胀,可以产生10- 5 Pa～105Pa的压强,最佳校准范围为10^-4Pa～10⁴Pa 。直接比对法是将校准室17、18 抽至某一本底压强后,把石英规的测试口与17 或18 或17 加18 连通,关闭抽气阀门,通过放气阀向校准室注入气体,用石英规作为标准进行校准,石英规的最佳量程为20kPa～100kPa 。一级膨胀法是将气体从3 或5 膨胀到17 或18 ,压强由初始值衰减10^-2 (或10^-3) 倍。二级膨胀法是将气体在一级膨胀的基础上,由二级取样小容器8 或12 在17 或18 中取样,向另一大容器18 或17 膨胀,初始压强衰减10 ^{- 4}～10 ^{- 6}倍。三级膨胀法是将气体在一级膨胀的基础上,由二级取样小容器8 或12在17 或18 中取样,然后将8 或12 隔离起来,将17或18抽空后再封闭起来,用8 或12中的气体再次向17 或18 膨胀,最后用取样小容器8 或12 在17 或18 中取样,向另一大容器18 或17 膨胀,初始压强衰减10^-6～10^-9倍。实验用2.26 ×10 ^{- 2} Pa～2.88×10²Pa 的压强通过一级膨胀和二级膨胀即可得到。

将MKS 公司生产的两只满量程133.33Pa 的绝压式电容薄膜规(ACDG) 和一只满量程1333.3Pa 的ACDG连接到校准室1上, 连接管道内径为d =4.76mm。实验气体是纯度为99.99 %的N2 、Ar和He 。

ACDG传感器由热控单元恒温控制到厂家事先设定好的温度T2 = 45 ℃。采用N2 、He 、Ar 三种气体实验时,校准室的温度分别为: (23.49 ±0.27) ℃、(21.78 ±0.20) ℃、(23.17 ±0.31) ℃。校准室的温度用12 只均匀分布在校准室外壁的Pt100 铂电阻温度计测量,可以瞬时采集温度数据,测量标准不确定度为0.01 ℃。实验的压强范围为2.26 ×10^{- 2} Pa～2.88 ×10²Pa ,标准压强用一级膨胀和二级膨胀路径获得,实验中校准室本底压强始终低于8 ×10 ^{- 6} Pa 。三只ACDG测量单一气体的热流逸曲线几乎相同,图2(a)、2(b)、2(c)显示了实验结果。