分压强质谱计校准装置测量不确定度评估(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所 作者:李得天
  分压强质谱计校准装置采用动态直接测量法和衰减压强的分子流动态进样法,测量混合气体的分压强,可以对质谱计的灵敏度、图样系数等参数进行样准,以保证质谱计测量的准确性。

  测量不确定度是校准装置的一个重要技术指标,而测量不确定度必须通过大量实验研究进行科学的评估。自分压强质谱计校准装置建成后,进行了长期的实验研究,特别在关键的参考标准—磁悬浮转子规性能方面,积累了大量实验数据,包括磁悬浮转子规的长期稳定性、切向动量传递系数随气体种类和温度的变化等。并在此基础上,充分考虑其他影响量的影响。本文按近年国际上的推荐,采用协调一致的在“测量不确定度表示导则”中表述的“不确定度”概念及其评定方法,对分压强质谱计校准装置的不确定度进行了严格评估。

1、装置的组成和工作原理

  分压强质谱计校准装置工作原理简图如图1所示,主要由供气系统、进样系统、校准室和抽气系统等几部分组成。供气系统、进样系统共有相同的三路,图中只画出其中一路。

  抽气系统由机械泵(1),分子泵(4,6),溅射离子泵(7)等组成。校准室由上球室(14),下球室(10),真空规(13,15)组成。进样系统由角阀(16),小孔(17),针阀(20),稳压室(21),磁县浮转子规(19)组成。供气系统由机械泵(26),气瓶(27),电磁阀(23,24),减压阀(25)组成。校准装置的详细结构和工作原理有文献报道[1],在此不再详细介绍。

2、测量不确定度评定[2]

  分压强测量不确定度的主要来源有:(1)压强测量不确定度;(2)磁悬浮转子规长期稳定性不高;(3)磁悬浮转子规传递系数随气体的变化;(4)磁悬浮转子规传递系数随温度的变化;(5)温度变化对磁悬浮转子规指示压强的影响。

2.1、压强测量不确定度

(1) 动态直接测量法不确定度的评定

  只通入一路气体时形成的分压强为Pt,测量不确定度为ut,这时压强测量不确定度就是校准室上磁悬浮转子规的测量不确定度。根据磁悬浮转子规校准证书,扩展不确定度U=0.80%(k=2),即u(p1) =0.40%。其自由度v1用B类评定标准不确定度的自由度近似公式计算,见公式(1),下文中B类评定标准不确定度的自由度均由此式计算。

中:--表示u(xi)值的不可靠度。

  u(p1)来自校准证书,假设其100%可靠,则其自由度。v1=∞。

  通入第二路气体时此路气体产生的分压强为p2,测量不确定度为u(p2),设两路气体产生的总压强为p1+2,则p2=p1+2 -p1。根据不确定度评定方法,当被测量的函数形式为Y= A1X1+A2X2+..+ANXN时,被测量的标准不确定度ue(y)用公式(2)计算。

(2)

 设u(p1)是校准室上磁悬浮转子规测量一种气体的不确定度,为0.40%。u(p2)是校准室上磁悬浮转子规测量第二种气体的不确定度,为了减小此测量不确定度,在调节第二路气体的分压强时,使p1+2≥2p1,为保守起见,以p1+2=2p2为例,则u(p2)=√4·u2(p1)+(-1) 2u2(p1)=0.89%。由于。u(p2)100%可靠,则自由度。v2=∞。

  当通入第三路气体时,情况与通入第二路气体时类似,第三路气体的分压强为p3=p1+2+3-p1+2同上述标准不确定度分析方法,可得测量第三种气体的不确定度u(p3)=0.89%。自由度 v3=∞。

(2) 衰减压强的分子流动态进样法不确定度的评定

  用衰减压强的分子流动态进样法计算分压强时,三路气体在校准室形成的分压强的测量不确定度的计算方法相同,以第一路为例,设R为第一路进样系统的流导比,p1为第一路的上游室压强,p2为第一路气体在校准室中产生的分压强,则p2由公式(3)计算:

  p2=p1×R=p1×p'2/p'1 (3)

式中 : p'2-为测量流导比时校准室的压强;

   p'1-为测量流导比时上游室的压强。

  根据数学模型和不确定度的传递律,当数学模型为Y=f(x1,x2,..,xn),且各输人量独立不相关时,被测量的标准不确定度uc(y)用公式(4)计算:

(4)

  根据公式(4)可推出p2的相对标准不确定度uc1,r(p2),用公式(5)计算:

u(p'2)/p'2是校准室上磁悬浮转子规测量p'2的相对标准不确定度,为.40%。u(p1)/p2,u(p'1)/p'1是上游室磁悬浮转子规测量p1,p'1的相对标准不确定度,均为0.40%,故uc1,r(p2)为0.69%。有效自由度v4用式(6)计算,由于各自由度分量均为∞,则v4=∞。

(6)

  第2、3路进样系统与第一路相同,其不确定度分析和结果也完全相同,即用衰减压强的分子流动态进样法测量第2、3路气体成份分压强的测量不确定度uc2,r(p2)和uc3,r(p2)均为0.69%,自由度v5、v6均为∞。

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