正壓漏孔校準技術(shù)國內(nèi)研究狀況
1、中國計量院(NIM)
中國計量院在2005 年建立了一套恒壓法正壓漏孔校準裝置，測量范圍(2×10- 6~8×10- 5)Pa·m3/s，不確定度為(1.3%~2.8%)，置信概率p=95%，裝置結(jié)構(gòu)圖見圖8。
該裝置采用差壓式電容薄膜規(guī)測量壓力變化，參考室和校準室用球閥連接，校準室上接有放氣閥和正壓漏孔接口。活塞通過O 型圈與活塞套筒動密封連接，活塞變化距離由光柵尺測量。為更好的維持恒溫，電容薄膜規(guī)管道、活塞等用隔熱材料包裹，裝置整體放在兩個相互套嵌的透明箱體內(nèi)。在實際測量中，操作人員觀測差壓規(guī)的讀數(shù)來實時調(diào)整活塞的移動速度使差壓規(guī)的讀數(shù)盡量接近零點，通過測量活塞移動距離，實驗時間來計算正壓漏孔的漏率，這種方法類似于PID 恒壓控制，但沒有采用計算機自動控制的模式。
圖8 中國計量院正壓漏孔校準裝置結(jié)構(gòu)圖
研究工作的重點是，增加活塞組以擴展測量上限，對裝置進行更好的恒溫控制以降低虛漏并提高測量下限，對活塞直徑和測量時間進行更精確的測量以減小測量不確定度。
2、上海計量測試技術(shù)研究所
上海計量測試技術(shù)研究所建立了一套改進型的(pΔV/t) 正壓漏孔校準裝置，校準范圍(1×10- 4～1×10- 6) Pa·m3/s，最佳校準能力小于4.0%(k=2)，校準原理見圖9。
圖9 上海計量測試所正壓漏孔校準裝置原理圖
該裝置采用MKS 公司生產(chǎn)的差壓式電容薄膜規(guī)698A 測量校準室的壓力變化， 滿量程為1330 Pa。活塞的直徑為2.4 mm，測量誤差不超過±0.001mm, 活塞桿由千分尺推動并測量前進距離。用標準溫度計測量參考室和校準室溫度，分辨率為0.01℃。大氣壓由DHI 公司生產(chǎn)的數(shù)字壓力計測量，測量精度為0.01%。裝置可以采用恒壓法和定容法兩種校準方法校準正壓漏孔。實際測量中，安裝好標準漏孔后關(guān)閉閥門1和平衡閥2，當差壓薄膜計壓力穩(wěn)定升高時，調(diào)節(jié)千分尺帶動活塞移動將差壓示值調(diào)至0，記錄千分尺讀數(shù)和開始時間。隨著漏孔氣體的流入，調(diào)節(jié)千分尺同時觀察差壓計的讀數(shù)，使差壓保持在內(nèi)±δ，δ 的具體值根據(jù)漏率大小決定，一定時間后，記錄位移，測量時間，可計算出漏率，這種方法和中國計量院采用的方法類似。
3、清華大學
清華大學建立了一套定容式正壓漏孔校準裝置，校準范圍(1×10- 5～1×10- 6) Pa·m3/s，不確定度5%～15%，校準裝置原理圖見圖10。
圖10 清華大學正壓漏孔校準裝置原理圖
該裝置采用定容法的測量方法，校準室和參考室的體積均保持恒定，通過管道和閥門可以把它們連通或隔開。采用差壓式電容薄膜規(guī)測量校準室和參考室之間的壓差。校準時，參考室被密封，壓強保持不變，氣體從進氣端通過被校漏孔進入校準室使其內(nèi)部壓強不斷上升從而測量正壓漏孔的漏率。校準室在校準前充入北京大氣壓，基本接近1 個標準大氣壓。為了減小溫度變化造成的影響，在校準裝置下層機箱的內(nèi)壁上粘貼了隔熱材料。在測試前，使用純氮氣清洗校準室和參考室，避免空氣中的水汽帶來的本底漏率影響。可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集和處理，系統(tǒng)重復(fù)性好，也可用于真空漏孔漏率的校準。
4、航天科技集團一院
航天科技集團一院建立了利用排水取氣法的正壓漏孔校準系統(tǒng)，最小可校漏率1×10- 6 Pa·m3/s，其原理圖如圖11 所示。取氣管內(nèi)氣壓p 近似為一個大氣壓。取氣管內(nèi)徑d 為25 mm。通過正壓漏孔的試驗氣體被取氣管收集，隨著取氣管內(nèi)壓力的升高，不斷將取氣管中的水排出。測量Δt 時間內(nèi)排水的高度為H，則可計算出正壓漏孔的漏率。
這種方法操作簡單，能達到一定的精度，是一種實用的方法。但測量精度要受到測試期間溫度變化的影響，且測量小漏率時需要較長的測試時間。例如測量漏率為1×10- 6 Pa·m3/s 的漏孔，若要排水高度H 達到10 mm，需要的測試時間為5.7 天的時間，測量效率有待提高。
圖11 航天一院正壓漏孔校準裝置原理圖
5、蘭州物理研究所(LIP)
蘭州物理研究所在2000 年建立了一臺正壓漏孔校準裝置，校準范圍(10- 3～10- 7) Pa·m3/s，不確定度20%，裝置原理圖見圖12。
圖12 LIP 正壓漏孔校準裝置原理圖
該裝置采用定容法和動態(tài)比較法測量漏率，動態(tài)比較法是將示漏氣體通過正壓漏孔流入定容室進行累積，經(jīng)過Δt 時間后，將定容室中的混合氣體膨脹到膨脹室中進行壓力衰減，再通過小孔在分子流狀態(tài)下引入到質(zhì)譜分析室中，用四極質(zhì)譜計測量示漏氣體的離子流。同樣的，使用配樣室配置定量氣體，與定容室中的一個大氣壓的空氣混合后膨脹到膨脹室中，也通過小孔分子流動態(tài)進樣，用四極質(zhì)譜計測量定量氣體的分壓力，通過比較計算正壓漏孔的漏率。
從理論上講，只要漏孔累積的時間足夠長，就可以校準很小的漏孔。而實際上，漏孔流量累積時間過長時，其測量結(jié)果的精度將受到溫度變化、系統(tǒng)泄漏等因素的影響而降低。另一方面，配樣室的氣體量不能配的太小，否則進樣后會由于四極質(zhì)譜計的靈敏度限制而無法測量，所以采用這種方法延伸測量下限值得進一步研究。目前，該單位正在研制基于自動控制的恒壓法正壓漏孔校準裝置。
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