恒压式气体微流量计的性能测试(2)

2009-07-24 冯焱兰州物理研究所

　　δ= k₂ / k₁(4)

　　流量测量时，流量测量结果与δ 相乘后的流量值为流量真实值。我们在2004年4月14日和2004年4月21日分别测量了两次油传递灵敏度，并计算出油传递修正系数δ 为0.996。可见，在对油室抽气后一个星期后，液压油中确实进入了少量气体，如果用油传递修正系数对流量结果进行修正，仍可保证流量测量的准确性。

2.5、温度测量和恒温效果测试

　　温度变化对电容薄膜规(CDG)的测量影响非常大，恒温效果的好坏对流量测量起决定性作用，是必须解决的问题。

　　将三个铂电阻温度计分别贴在变容室、稳压室和恒温箱器壁上，恒温箱内部填充隔热材料，实验室恒温为23 ℃。通过温度采集程序，每隔1 min 测量一次变容室、稳压室及恒温箱温度，测量12 min(流量计提供一次流量所需最大时间)，图2为测量结果曲线。从测量结果看，温度波动的最大不确定度为0.013%，恒温效果非常理想，完全满足流量计的恒温要求。

图2 温度T 随时间t 变化

2.6、分子流下小孔流导的测量

　　恒压式流量计共安装了两个小孔(23，26)，用于提供稳定流量。根据设计指标，流量计的测量下限为10 ^{- 8} Pa·m³ / s，分子流下小孔的流导为2 × 10 - 9 Pa·m3 / s 左右。小孔厚0.5 mm，直径有：0.018、0.020、0.022、0.024、0.025 mm 等规格。由于满足L > 20d的条件，所以小孔流导按分子流时管道的流导计算：

　　C =(3.81d³ /L)√T / M (5)

　　式中：C—流导，单位：m³ / s；d—小孔直径，单位：cm；L—管道长度；单位：cm；T—气体温度，单位：K；M—气体摩尔质量，单位：g / mol。当气体N2温度296 K、摩尔质量28 g / mol，管道长0.05 cm 时，不同小孔直径下的流导计算结果为：

　　d = 0.018 mm C = 1.44 × 10 ^{- 9} m³ / s；
　　d = 0.020 mm C = 1.98 × 10 ^{- 9} m³ / s；
　　d = 0.022 mm C = 2.64 ×10 ^{- 9} m³ / s/ s；
　　d = 0.024 mm C = 3.42 × 10 ^{- 9} m³ / s；
　　d = 0.025 mm C = 3.87 × 10 ^{- 9} m³ / s；

　　直径0.020 mm 的小孔流导为1.98 × 10 - 9m ³ /s，与设计值接近，被实际选用。小孔加工时为减少小孔流导，采用了对小孔镀膜的方法，必须用实验的方法测量小孔的真实流导。变容室的充气压力不高于1000 Pa，理论上就可以保证小孔处在分子流状态。但根据实际经验，此压力要远远低于1000 Pa，在200Pa 左右。

　　在PID 恒压控制模式下，活塞体积的变化即为小孔的流导，用式(6)计算。

　　C = v_s × A (6)

　　式中：C—小孔流导，单位：m³/ s；vs—活塞速度，单位：m/ s；A—活塞面积，单位：m²。

　　变容室充入50 Pa N₂作为充气压力，活塞速度由计算机自动给出，活塞面积为1.96×10 - 6 m²，小孔流导的计算值为1.475 × 10^{- 9} m³/ s。测量一致性好于0.23%，保证了流量计提供流量的稳定性和测量的准确性。流量计烘烤后或小孔两侧压力差很大时，小孔的流导会发生变化，需要重新测量。

2.7、恒压控制效果测试

　　在PID 控制模式下，活塞以可变速度前进使差压规的压力波动(Δp)小于某一阈值。此时，可以认为变容室的压力(P)恒定不变，则Δp / P 曲线收敛，曲线收敛效果决定流量控制水平。

　　在分子流条件下，通过控制软件自动绘制恒压收敛曲线，验证恒压控制效果。图3为PID 恒压控制曲线，变容室压力为96.8 Pa，活塞速度为95.4μm/ s，曲线收敛后，Δp/P小于0.01%，满足恒压控制要求。

　　这里需要说明，由于开关差压规之间的阀门会使差压规两端的压力不平衡，而导致差压规在开始测量流量的读数并不为零，这就使图3 中控制曲线收敛在这个初始压力值所带来的Δp / P 值，而不是收敛在绝对的零点。

2.8、全量程流量测量

　　对恒压式气体流量计进行全量程的流量测量，以确定流量计实际达到的测量范围。流量测量采用两种方法，即恒压法和固定流导法。用恒压法测量流量时，将变容室的压力从20 Pa 开始，按照每个量级取三个点的原则，充至约1 × 10⁵ Pa，并在不同压力下用测控系统计算小孔流导和气体流量。用固定流导法测量流量时，压力从2Pa充至8Pa，小孔流导取100 Pa 以下小孔流导测量的平均值。实验中，先测量由压力和温度波动带来的虚流量，再分别用两种方法测量实际流量，两者相加即为真实流量，流量测量结果见表1。测量结果表明，流量测量范围为(2.96 × 10 ^{- 9} ～ 4. 76 × 10^{- 4})Pa·m³ / s，达到了国际同类装置的先进水平。如能进一步降低流量计的漏放气率，用固定流导法还可降低流量测量下限。