恒压式气体微流量计的性能测试(3)

2009-07-24 冯焱 兰州物理研究所

  压力由电容薄膜规测量,电容薄膜规经我站膨胀式真空标准校准,测量不确定度为0.5%。

(2) 体积测量不确定度ur ( V)

  体积测量的不确定度由活塞横截面积测量不确定度和活塞变化距离测量不确定度合成,活塞横截面积由北京机床厂测量,测量不确定度为0.1%,活塞变化距离由丝杠加工精度决定,并由光电编码器测量,测量不确定度为0.1%,故体积测量合成不确定度为√(0.1%)2 +(0.1%)2 < 0.2%。

(3) 时间测量不确定度ur (t)

  时间由计算机时钟测量,其精度为1s,流量测量时,有效测量时间一般均大于300 s,所以不确定度为0.4%。

(4) 温度测量不确定度ur (T)

  温度测量不确定度由Pt100 铂电阻测量精度决定,由产品说明书可知其测量精度为0.1 K,实验室温度约296 K,故温度测量不确定度为0.04%。

(5) 恒压控制精度效果引入的不确定度ur (k)

  在两种控制模式下,压力波动控制在变容室总压力的0.1% 以内,流量在(10 - 7 ~ 10 - 4)Pa·m3 / s时,恒压控制引入的不确定度为0.05%。流量在(10 - 9 ~ 10 - 8)Pa·m3 / s 时,恒压控制引入的不确定度
为0.1%。

(6)液压油体积变化引入的不确定度ur ( o)

  在压缩过程中液压油的体积是有很小变化的,查阅有关的资料,液压油体积变化引入的最大误差极限为± 0.10%,假设测量值在允许误差极限范围内的概率分布为均匀分布,包含因子为√3,通过计算得出由此引入的相对标准不确定度为0.06%。

(7)漏放气率引入的不确定度ur ( l)

  根据实验结果,流量计漏放气率为6.0 × 10 - 11Pa·m3 / s。流量在(10 - 4 ~ 10 - 7)Pa·m3 / s 范围时,漏放气率引入的不确定度为0.06%。流量在10 - 8 Pa·m3 / s 时,漏放气率引入的不确定度为0.6%。流量在10 - 9 Pa·m3 / s 时,漏放气率引入的不确定度为3%。

(8)压力、温度波动引入的不确定度ur ( PT)

  当流量计不输出流量时,由于压力和温度的波动,流量计会产生一个虚流量。根据实验结果,虚流量为3.0×10- 11 Pa·m3 / s。所以,当流量在(10- 4 ~10- 7)Pa·m3 / s 时,虚流量引入的不确定度为0.03%。流量在10 - 8 Pa·m3 / s 时,虚流量引入的不确定度为0.3%。流量在10 - 9 Pa·m3 / s 时,虚流量引入的不确定度为1.5%。

(9)不确定度合成。

  合成标准不确定度uc,r( Q)见表2。

3.2、不确定度的实验验证

  在2002年4月用一支传递标准漏孔(薄膜渗氦型)与德国PTB 进行了流量的国际对比,PTB的校准结果为1.73 × 10 - 8 Pa·m3 / s。用本流量计校准这支传递标准漏孔,校准值为1.56×10 - 8 Pa·m3 / s。

  根据标准漏孔的出厂说明,漏孔的年泄漏率为4.5%。将PTB 的校准结果从2002年4月修正为2004 年4 月,漏率即为1.58 × 10 - 8 Pa·m3 /s。我站与PTB 双方校准结果的一致性好于1.3%,小于流量计的不确定度,验证了恒压式气体微流量计的测量水平。

4、结论

  实验结果表明,恒压式气体微流量计的测量范围是(2.96 × 10- 9 ~ 4.76 × 10- 4)Pa·m3 / s,不确定度小于4%。该装置的建立,可以为国防科研生产提供流量和真空度的校准服务,对推动真空计量学的发展,参与流量的国际比对也具有重要意义。

参考文献:

1 李得天.真空计量的若干进展.真空与低温,2003,9(3):125

2 李得天. 德国联邦物理技术研究院(PTB)气体微流量计量评介. 真空科学与技术,2003,23(4):289

3 Calcatelli A,Raiteri G,Rumiano G.Gas flow measurements connected with the continuous expansion system. IMEKO TC 16.2003,Beijing,China

4 李旺奎,张涤新,刘强等. 气体微流量标准装置的研制.真空科学与技术,1997,17(3):145

5 张涤新,吕时良,李旺奎等. 恒压式微流量计的研制,真空与低温,1994,13(4):201

6 Jousten K,Messer G,Wandrey D. A precision gas flowmeter for vacuum metrology.Vacuum,1993,44(2):135 ~ 141

7 冯焱,成永军,赵定众等. 恒压式气体微流量计测控系统的设计. 真空,2004,(2):37