动态流导法真空校准装置(2)

2009-07-30 张涤新兰州物理研究所

2、基本原理和要求

　　动态流导法是连续地把已知流量Q的气体注入到校准室中，通过已知流导的小孔抽气，在校准室内建立起可精确计算的动态平衡压力的校准方法。

　　如果校准室中处于等温状态，气体分子各向同性，均匀分布，采用前级流量法，则有　　

Q+Q₀-P_US_g-(P_U-P_L)C=V·dP_u/dt (1)

式中 Q--注入的气体流量，Pa·m³/s

　Q0--校准室内表面的放气速率，m³/s

　 PU--上球室内的压力值,Pa

　Sg--被校真空规的抽气速率，m³/s

　PL--下球室中的压力值,Pa

　C--校准室出口小孔的流导值，m³/s

　　 V--校准室的体积，m³

　dPv/dt--上球室压力随时间的变化速率，pa/s

为了简化(1)式，应满足如下的基本条件.

　　a.上球室内表面的放气速率Q₀应小于最低校准压力时注入气体流量Q的1/100;

　　b.注入气体流量前，上球室中的本底压力值P0应小于最低校准压力值P_u的1/100；

　　c.下球室内对小孔的有效抽气速率Sp应大于小孔分子流流导C的50倍;

　d.被校真空规的总抽气速率应小于上球室出口流导值的1/100;

　e.在校准过程中，校准室内每个校准点的压力波动应小于1/100。

　　如果满足上述条件，则(1)式简化为公式(2)。

　　Q_U=(P_U-P_L)C=P_U(1-P_L/P_U)C 　(2)。

　　设压力比R_P=P_U/P_L，用同一只磁悬转子规测量，可提高压力比测量精度。在分子流条件下，分子泵抽速恒定的情况下，压力比RP是常数，则有公式(3)

　(3)

　　为了延伸真空的校准下限，可从下球室中引入流量，有一部分气体将返流到上球室中，在上球中建立起动态平衡压力，用于真空规的校准，可延伸校准下限。

　　在下球室中引入Q_L的流量与上球室中引入Q_U的流量在上球室产生的压力P_U相同,设返流系数为R_F=Q_U/Q_L，由(3)式可得公式(4)

（4）

　　恒压式气体微流量计产生的已知的气体流量，如图1所示，主要有压力补偿系统、测量与控制系统、恒温系统和抽气系统四部分组成。

　　如果参考室的压力P和温度T在绝对不变的理想条件下,即压力波动△P=0，温度波动△T=0，同时考虑到流量测量的温度修正，流量计算见公式(5)

　（5）

式中 Q--气体流量,Pa·m³/s
     　P--参考室中气体的压力，Pa
    　△V--变容室体积的变化量，m³
    　△t--变容室体积改变 △V所用的时间,s
    　T--气体流量的温度,K
    　Tr-- 气体流量的参考温度,296K。

　　恒压式流量计采用了活塞在变容室中运动的方法来改变变容室的体积，使活塞前进或后退，可测量流入或流出变容室的气体流量，计算流量见公式(6)

（6）

式中 A--表示活塞的横截面积 m²
　△L--在△t的时间内活塞移动距离，m。

　　参考室压力用美国MKS公司生产的差压式电容规测量，其中电容规参考端接在溅射离子泵上，用于维持较高真空度。变容室与参考室之间的差压用差压式电容规测量。恒压式气体微流量计的整体放置在恒温箱内，在恒温箱内装有三支铂电阻温度计，测量恒温箱内的温度、压力、温度、活塞位移的测量数据都通过接口板由计算机自动采集并进行处理。

　　恒压式流量计的测量范围为(10^-4~10^-8)Pa·m³/s，合成标准不确定度小于1%。具有测量精度高、测量不确定度小，能提供稳定的气体流量，满足了动态流导法真空校准的需要。

3、校准装置的设计

3.1、设计原则及要求

　　动态流导法真空校准装置是依据国际标准ISO/DIS 3570/1和国家军用标准GJB1808-93设计的。

　　动态流导法所要求的基本条件是完全平衡的分子流状态和精确定义小孔分子流导，然而动态流导法的主要特征是一定流量的气体注入到校准室中，完全满足基本条件是不可能的，只能做到基本上满足。

　　从简化公式(2),的基本条件可知，如能满足这些基本条件，动态流导法就更具有精确性和绝对性。而这些基本条件又是相互制约的，在设计中要综合考虑各种因素，权衡利弊，在一定的测量不确定度范围内，合理地选择各参数，从结构、形状、尺寸的设计上尽可能满足这些基本条件的要求。

3.2、设计方案

　　经过大量的文献调研，对国内外同类标准进行了分析和研究:提出了该校准装置的设计方案,对各技术参数进行了理论分析和计算。

3.2.1、真空校准室

　　真空校准室采用了球形结构，球的直径为350mm。因为气体分子在整个球内是均匀分布的，在球内单位时间在单位面积上入射分子数(分子数/秒·厘米)是相同的，在球形校准室内产生了各向同性的压力分布，适合于真空的校准。

　　球形结构上小面积的孔与无限大平面上的孔的性质极为近似。如果球面对入射分子按余弦定律散射，小孔的面积远小于球面面积(1/1000)和小孔厚度远远小于小孔的直径，那么小孔流导值就能精确计算。

　　上球室的体积为22.5L是被校规及连接管道的总体积的20倍以上,下球室的体积也为22.5L。