1、引言

　　檢漏技術在航天領域應用十分廣泛。例如,火箭發射現場的危險氣體檢測,衛星內部自控系統燃料的檢測,超高及極高真空的獲得等各領域,都需要可靠的檢漏技術作為保障。目前,在檢漏工作中使用最廣泛的是氦質譜檢漏儀,它需要用標準漏孔對檢漏儀進行校準。標準漏孔的校準結果直接關系到檢漏的準確性。

　　一般情況下,在23 ℃的環境溫度條件下對標準漏孔進行校準,檢定證書給出的是23 ℃對應的漏率值。但是,在實際的檢漏工作中環境溫度條件和校準溫度條件不完全相同。在不同的溫度條件下,標準漏孔的漏率值也不相同,需要進行修正。因此,必須研究在一定溫度范圍內溫度與標準漏孔漏率的關系,以保證在不同的溫度條件下檢漏工作的可靠性。在標準漏孔中薄膜滲氦型漏孔由于性能穩定、抗污能力強、應用廣泛等特點,所以選擇這種漏孔作為研究對象。

　　在16～50 ℃溫度范圍內,對兩支薄膜滲氦型標準漏孔進行了校準,根據校準結果,給出了標準漏孔的漏率值隨溫度的變化曲線,通過數學分析給出了溫度與漏率的關系表達式。

2、校準裝置

　　使用國防科工委真空計量一級站建成的“氣體微流量標準裝置”對標準漏孔進行了校準,流量校準范圍為10^-2～10^-10Pa·m³/s ,不確定度小于2% 。

　　“氣體微流量標準裝置”由氣體微流量計、流量校準系統和進樣系統三部分組成,如圖1 所示。

圖1 　氣體微流量標準裝置工作原理圖

1 、2. 電容薄膜規;3. 參考室;4 、8. 截止閥;5.穩壓室;6. FB110 分子泵;7. 差壓規; 9 、13.針閥;10. 變容室; 11. 油室; 12 、28. 機械泵;14. 氣瓶;15. 活塞;16 、18 、25. 球閥;17. 四極質譜計; 19 、21. 校準室; 20. 小孔; 22. 插板閥;23. FB500 分子泵; 24. B-A 規; 26. 待校流量計;27. 恒溫箱。

2.1、氣體微流量計

　　氣體微流量計主要由穩壓室(5) 、參考室(3) 、變容室(10) 、電容薄膜規(1 、2 、7) 等五部分組成,可提供2×10^-5～1×10^-8 Pa·m³/s 的標準流量。標準流量時,將校準氣體充入標準微流量計的變容室、參考室和穩壓室,并達到某一選定壓力值p ,然后打開閥門(9) ,將流量流出變容室。流量穩定后,關閉變容室與穩壓室之間的閥門(8) 。隨著氣體的流出,變容室中的壓力發生變化,連接在變容室和參考室之間的差壓式電容薄膜規(DCDG) 輸出非零信號,并反饋到伺服控制單元,由計算機自動調節電機的轉速,使活塞以相應的速度在油室中運動,以保持變容室與參考室之間的壓差Δp 盡可能小,使變容室中的壓力p 基本上保持恒定。測量變容室的壓力p 、活塞的運動速度ΔL /Δt 和標準微流量計內的溫度T ,計算流量Q

Q = p ×A ×ΔL / Δt ×Tr/ T (1)

　　式中　A 為活塞截面積; Tr 為參考溫度。

2.2、流量校準系統

　　流量校準系統主要由雙球真空室(19 、21) 、小孔(20) 、四極質譜計(17) 、分子泵(23) 、機械泵(28) 等組成,在校準室(19) 進行流量校準實驗研究。上球室(19) 和下球室(21) 分別與流量計相連,在校準2 ×10 ^{- 5}～1 ×10 ^{- 8} Pa·m³/ s范圍內的標準漏孔時,流量計可直接向上球室進樣。當校準1 ×10 ^{- 8}～1 ×10 ^{- 10} Pa·m³/ s 范圍內的標準漏孔時,流量計可從下球室進樣,通過小孔(20) 的分流,使上球室產生的流量減小,滿足較小漏率的校準。實際上,小孔(20) 的直徑約為11 mm ,分流比為10 ,可使下球室中的流量有1/ 10 返回到上球室。

2.3、進樣系統

　　進樣系統由閥門(25) 、待校標準漏孔(26) 、恒溫箱(27) 組成。圖1 只給出了1 路進氣管道,實際上共有相同的4 路連接在恒溫箱的工作室中,可同時對4 支標準漏孔進行恒溫控制和校準。恒溫箱采用PID 模糊自整定技術調整加熱系統的加熱量,以保證系統的控溫精度小于等于正負0. 1 ℃,控溫范圍5～75 ℃。

3、校準方法

　　“氣體微流量標準裝置”采用待校標準漏孔流量和微流量計提供的標準流量進行比對的方法校準標準漏孔。

　　當校準標準漏孔時,先將標準漏孔安裝在恒溫箱的工作室中,設定好所需的校準溫度,經過一段時間的平衡,使工作室的溫度波動小于等于正負0. 1 ℃。打開閥門(25) ,將標準漏孔產生的待校流量引入校準室,用四極質譜計測量待校流量所對應的離子流Ic ,關閉閥門,然后將流量計產生的標準流量通過針閥(18) 引入校準室中,通過調節流量計流量的大小,使標準流量在校準室所對應的離子流I 非常接近待校流量所對應的離子流Ic ,并測量Is 數值。如果標準流量太大,無法使它對應的離子流接近待校流量對應的離子流,可通過閥(16) 將標準流量引入到下球室,再返流到上球室。用流量計提供的標準流量Qs ,計算出待校流量Qc

Qc = k ( Ic/ Is) Qs (2)

　　式中　k 為質譜計的線性因子。待校流量和標準流量產生的離子流十分接近,使四極質譜計的線性帶來的測量不確定度較小,一般情況下k 值取1 。通過調節恒溫箱的恒溫控制,在不同的恒溫條件下對標準漏孔進行校準,可得到在不同溫度條件下標準漏孔的漏率值。