动态流导法真空校准装置(3)

2009-07-30 张涤新兰州物理研究所

3.3 、小孔分子流流导的计算

3.3.1、小孔流导理论值

　　为了精确计算在分子流的条件下小孔流导，要求气体分子的平均自由程比小孔直径大的多；小孔处于无限薄，无限大的平面上；在小孔两端的容器中，气体处于平衡态。如果满足上述的条件，理想小孔的流导值C₀(L/s)，见公式(7)

式中 A0--小孔的横截面积，cm²
     　T--气体温度，K
     　M--气体的克分子量，g/mol
     　R--气体普适常数
     　C^*--296.15K时理想小孔的流导，m³/s
    　 Tc--参考温度，296K。

3.3.2 、小孔流导修正值

　　在动态流导法校准系统中，一般很难满足理想小孔条件，必须对理想小孔流导值C0进行修正，小孔流导的修正值C(L/s)见公式(8)

C=C₀K₁K₂K₃K₄ (8)

式中 K₁--圆柱孔克劳辛修正系数，对孔厚度d进行修正
     　K₂--束流效应修正系数
     　K₃--自由程修正系数
     　K₄--锥形圆孔修正系数

　　在真空校准系统中，小孔基本服从气体平衡的理想条件,K₂=1;由于是薄壁小孔，K₄=1，小孔流导C计算公式可简化为

（9）

　　小孔半径r=5.5mm，厚度d=0.20mm，则d/r=3.64×10^-2。因为d/r<1，圆柱孔克劳辛修正系数K₁用Bermann公式修正，用公式(10)计算K₁

　将有关数值代入(10)式中计算可得，K₁=0.9821。

　　当气体分子的平均自由程接近于小孔的直径时,对其偏离分子流的程度需要进行修正,用公式(11)计算K₃

　　K₃=1+0.125/K_n (11)

　　式中K_n--克努曾系数，K_n=λ/D
　　λ--气体分子的平均自由程，m
　　D --小孔的直径，mm

　　在动态流导法真空校准中，在校准温度23℃下，根据校准气体，在不同的压力下，应按上述方法计算出对应的小孔流导值。

4、性能测试结果

　　实验内容主要包括三个方面，真空校准系统的性能测试恒压式气体微流量计的性能测试和真空规的校准实验。

4.1、真空校准系统性能测试

　　当动态流导法校准真空规时，根据校准公式(3)，需要精确测量压力比RP的数值。为延伸真空度的校准下限，采用流量返流法校准，需要精确测量返流比RF的值。为此，做了如下实验：

　　a.真空校准系统的极限真空测量；

　　b.上下球压力比RP的测量;

　　c.返流比RF测量。

4.2、恒压式气体微流量计的性能测试

　　通过对恒压式气体微流量计的性能测试，找到操作流量计的最佳方法，使流量测量的不确定度降到最小，主要测试内容如下。

　　a.变容室及管道漏放气率的测量；

　　b.变容室[稳压室体积测量；

　　c.活塞运动速度的平稳性；

　 d.流量计液压油抽气效果观测；

e.流量计温度测量和恒温效果；

　 f. 流量计小孔流导的测量；

　　g.恒压控制效果；

　　h.恒压式气体微流量计流量测量。

　　经过大量的实验研究:证明恒压式气体微流量计的性能满足要求。

4.3、真空规校准实验

　　在校准装置上对磁悬浮转子规和分离规进行校准实验，磁悬浮转子规经德国PTB校准，传递系数为0.976，在(10^-1～10^-4)Pa范围内进行传递系数的比对，以验证校准装置的校准不确定度。分离规的测量范围为(10^-10～10^-3)Pa，以验证校准装置的量程和测量下限。采用动态流导法和返流法对真空规进行校准,延伸了真空校准下限。

4.4、测试结果

　　根据实验测试结果:动态流导法真空校准装置的技术指标为：极限真空为5.8×10^-8 Pa。流量计测量范围为(4×10^-8～3×10^-4)Pa·m³/s范围内的相对合成标准不确定度1.0%；在(10^-7～10^-4)Pa·m³/s范围内的相对合成标准不确定度0.7%，压力校准范围为(2×10^-7～3×10^-1)pa，在10^-7pa范围内的相对合成标准不确定度1.4%；在10 -6pa范围内的相对合成标准不确定度1.1%；在(10^-5～10^-1)pa范围内的相对合成标准不确定度0.73。