真空比对法校准装置的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京东方计量测试研究所 作者:宋瑞海

  真空比对法校准装置采用了动态直接比对法、静态直接比对法和静态膨胀法, 在一台装置上复合了三种方法, 满足了拓宽量程的需求。该装置可以1×105~5×10- 4 Pa 范围内的各类真空规进行校准, 是一种结构简单、操作方便、检定效率高、实用性强的真空标准装置。整套装置由涡轮分子泵、校准容器、副标准真空计和金属膨胀阀等部件组成, 主要技术指标符合国际标准化组织和国内有关真空标准的规定。

  真空校准技术比较复杂,标准装置造价比较昂贵。比对法真空校准系统具有许多优点, 它选用精度较高、性能可靠的真空计作为副标准, 是一种结构简单、量程宽、造价便宜、操作容易的真空标准装置, 其校准的不确定度取决于合理的系统设计和选用的副标准的不确定度。以往需要用三种不同原理和不同结构的真空标准装置, 实现所需范围内的压力校准[1]。随着技术的进步,特别是航天科技的发展, 为了提高工作效率, 解决大量真空计的校准任务,也更准确的为航天型号服务, 在分析国内外同类标准的优缺点的基础上,研制了一台新的真空计校准装置。该校准装置选用了动态直接比对法、静态膨胀法和静态直接比对法三种校准方法实现了1×105~5×10-4 Pa 范围内真空规的校准,满足了型号的不同需要。

1、理论分析和结构设计

  深刻理解真空物理理论是设计真空系统的基础, 在真空系统中, 气体分子流场的分布是进行压力测量、抽速测量及机械结构设计时必须考虑的一个重要因素。比对法真空校准装置设计的关键部分为校准室, 校准室容器的形状, 大小和容器中分子流场的分布情况直接关系到该校准装置的精度和稳定性[2]。为此,对容器内分子流场分布的情况进行了研究。在分布均匀, 等温、各向同性的稀薄气体状态下, 气体分子遵守麦克斯韦速度分布和余弦定律,压力值才有明显的物理意义, 两个公式才能成立, 在球形容器中最适合于建立这种气体状态。文献[3]给出了球形容器内表面分子流密度分布曲线图(如图1所示,对校准室的结构设计具有指导意义。

球形容器内表面分子流密度分布

图1 球形容器内表面分子流密度分布

  对球形系统沿垂直方向, 从上到下将内表面分成10 条测试带, 见图1,各测试带上的平均入射分子流密度N(i 分子数/mm2) 与赤道附近的平均入射分子流密度N( 分子数/mm2) 相比为横坐标(Z轴)[4]。

  从图1 可以看出球形容器内分子流分布状况。即,在球形系统内表面上,分子流场分布不完全均匀, 在入口附近分子流密度最大, 而在出入口与赤道之间较小。

  校准容器的结构设计还考虑了表面积与体积之比应尽可能的小, 故选用球形容器最理想,因为同样大的体积球的表面积最小, 而且在容器中能够建立起各向同性运动的分子流状态。但球形容器造价高,加工比较复杂。如果选用圆筒型容器, 则要求筒长于筒径之比不大于4。在设计校准室的容积时,要大于连接到该容积被检真空规总容积的20 倍, 又要考虑容器太大、放气量大、抽气的时间长、计量测试的效率低。该装置设计的校准室容器总容积22.4 L, 备有9 个标准法兰接口, 同时可接5 个被校准的真空规, 经过计算被接真空规的总容积为0.12 L, 远小于校准室的容积。

5、结论

  经过性能测试,该真空比对法校准装置的主要技术指标完全满足了动态直接比对法、静态膨胀法和静态直接比对法三种方法校准真空规的技术要求, 可以对1×105~5×10- 4 Pa 压力范围内的各种真空规进行校准。该真空校准系统是一种方便而实用的日常校准装置,对航天型号的研制具有重要的保障作用。

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