正壓漏孔校準(zhǔn)裝置的研制

2010-05-11 王金鎖 上海交通大學(xué)

  標(biāo)準(zhǔn)漏孔有兩種形式:一種,漏孔一端真空另一端為一個(gè)大氣壓的示漏氣體,稱做真空標(biāo)準(zhǔn)漏孔;另一種,漏孔一端大氣另一端加高于一個(gè)大氣壓的示漏氣體,常稱做正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔。前一種漏孔大多用來對(duì)氦質(zhì)譜檢漏儀進(jìn)行校準(zhǔn);后者多用在對(duì)鹵素檢漏儀進(jìn)行校準(zhǔn)的正壓漏孔。目前正壓檢漏儀器,以其操作方便、便攜、檢漏成本低等優(yōu)勢,在制冷、機(jī)械、汽車制造等行業(yè)被廣泛采用。正壓漏孔用于正壓檢漏儀靈敏度校準(zhǔn),其漏率校準(zhǔn)的不確定度直接關(guān)系到檢漏儀的檢漏儀靈敏度和檢漏的有效性。

  目前國內(nèi)外許多國家標(biāo)準(zhǔn)漏孔的校準(zhǔn)規(guī)范包括了對(duì)正壓漏孔的校準(zhǔn)方法和對(duì)應(yīng)裝置。我國航天部門的有關(guān)單位針對(duì)正壓檢漏的需要,也建立了一套很復(fù)雜的正壓漏孔校準(zhǔn)系統(tǒng),因該系統(tǒng)成本高,很難推廣。本文建立的改進(jìn)型漏孔校準(zhǔn)裝置(以下簡稱裝置)具有成本低,不確定度小,自動(dòng)化度高,操作簡單等優(yōu)點(diǎn),易于推廣。

1.1、裝置結(jié)構(gòu)

  本裝置為體積補(bǔ)償結(jié)構(gòu)如圖1所示,裝置采用MKS公司生產(chǎn)差壓薄膜規(guī)698A,量程為1.33kPa,測量精度為示值的0.05%,最小壓強(qiáng)分辨率為0.001Pa,不重復(fù)性為0.001%FS(FS為滿量程),零點(diǎn)溫度系數(shù)30ppm.FS/℃,滿量程的溫度系數(shù)0.01%FS/℃,測量活塞外徑2.352mm,測量誤差不超過±5μm,活塞桿由千分尺推動(dòng),標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)分辨率0.1℃,大氣壓力由DHI公司生產(chǎn)的數(shù)字壓力計(jì)測量精度為0.012%。該裝置有恒壓、定容兩種操作方法。

1.2、恒壓操作方法和工作原理

1.2、恒壓操作方法和工作原理

  Q=P0·X·A·Tτ/T·Δt (1)

  式中:Q--標(biāo)準(zhǔn)漏孔的漏率,單位Pa·m3/s;
     P0--當(dāng)t1時(shí)校準(zhǔn)室內(nèi)的絕對(duì)壓力,(可以用t1時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Υ妫瑔挝?Pa;
     A--活塞桿截面積,單位m2;
     X--活塞移動(dòng)距離(L2-L1),單位m;
     Tτ--標(biāo)準(zhǔn)漏孔的參考溫度,單位K;
     T--環(huán)境溫度,單位K;
     Δt--校準(zhǔn)開始、結(jié)束的時(shí)間間隔(t2-t1),單位 1。

  此方法所校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)漏孔漏率不能太小,否則活塞移動(dòng)所造成的壓力波動(dòng)影響太大。通過試驗(yàn),大于 10-5Pa·m3/s的漏率可以方便地使用此方法。該種校準(zhǔn)方法以及其校準(zhǔn)不確定度已經(jīng)有文章做過介紹 。對(duì)于小于10-5 Pa·m3/s的漏率需要采用另一種方法校準(zhǔn),另外該方法無法實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)漏率測量和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集。

1.3、定容操作方法和工作原理

  定容法不能利用Q=△P·Vx/△t公式來計(jì)算,因?yàn)楸∧び?jì)是靠薄膜的彈性變形原理來測量壓力的,所以 Vt、Vx都發(fā)生了變化,并且嚴(yán)重影響了校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的正確性。以本裝置為例會(huì)造成大約20%的負(fù)偏差。我們通過理論推導(dǎo)計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)漏入氣體量和壓力值大致成線性關(guān)系。

  根據(jù)有在理想氣體狀態(tài)方程恒溫條件下:

  P0·Vt=Pτ·(Vτ-△V)  (2)
  P0·Vx=Px·(Vx+△V)+Q·t (3)
  根據(jù)上式可以得到:
  Q·t=Vx·[P0·(Px/P0·Vx + Pτ/P0·Vτ)·△V+P] (4)
  在△P小于1KPa時(shí)Px/P0和Pτ/P0近似于1,則
  Q·t=Vx·[P0·(1/Vx+1/Vτ)·△V+P] (5)
  根據(jù)差壓薄膜規(guī)工作原理, △V正比于P,則有Q·t 正比于P,可以得到
  Q=k dP/dt=k· d(P0+P)/dt= k dP/dt (6)

  為了證明式(6)的成立,我們采用了實(shí)驗(yàn)的方法,先關(guān)閉閥門1和閥門2,移動(dòng)千分尺帶動(dòng)活塞移動(dòng),如果活塞位移量X與薄膜計(jì)壓力示值符合線性關(guān)系,一定有△V 與 △P 符合線性關(guān)系。驗(yàn)證數(shù)據(jù)如表1所示。

  表1數(shù)據(jù)證明了本裝置漏入氣體量和薄膜計(jì)壓力示值符合線性關(guān)系,其線性誤差不大于示值的0.3%,能夠滿足正壓漏孔漏率校準(zhǔn)的要求。體積系數(shù)k值可以通過以下方法測得:安裝好標(biāo)準(zhǔn)漏孔,將千分尺調(diào)節(jié)至0mm 的位置,關(guān)閉閥門1和閥門2,等系統(tǒng)穩(wěn)定后讀取薄膜計(jì)壓力示值p1,推進(jìn)千分尺至 x mm 處, 讀取薄膜計(jì)壓力示值 P2。k值可以按下式計(jì)算:

  k=P0·x·A/(P2-P1)  (7)

  其中: k為體積系數(shù),單位m3;A為活塞截面積,單位m2

  重復(fù)以上步驟至少三次, 其k值計(jì)算偏差不超過±1%,否則必須檢查系統(tǒng)是否漏氣。然后系統(tǒng)放空后再重新關(guān)閉閥門1和閥門2,當(dāng)薄膜計(jì)壓力示值穩(wěn)定上升后開始計(jì)時(shí), 根據(jù)式(6)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)漏孔的漏率值。

2、裝置的最佳校準(zhǔn)能力及驗(yàn)證

  只有在溫度T恒定、薄膜計(jì)不重復(fù)性為零、 參考室和校準(zhǔn)室沒有任何吸放氣和漏氣現(xiàn)象的理想狀態(tài)下式 (6)才嚴(yán)格成立。實(shí)際上以上條件不會(huì)完全成立, 必須對(duì)以上各項(xiàng)引入的不確定度分量進(jìn)行考慮, 列于表2。

  該裝置的標(biāo)準(zhǔn)總不確定度, 取k=2得到該裝置對(duì) 2×10-6Pa·m3/s標(biāo)準(zhǔn)漏孔的總不確定度為U95=2u(Q)=4%。并且從表2可以看出, 對(duì)于漏率大于 2×10-6Pa·m3/s 標(biāo)準(zhǔn)漏孔,漏、放氣和溫度波動(dòng)引起的誤差都相對(duì)小, 從而可以降低總不確定度。

  我們對(duì)大量的通道型標(biāo)準(zhǔn)漏孔進(jìn)行了重復(fù)性測試,完全驗(yàn)證了裝置的校準(zhǔn)能力, 例如對(duì)LS-20B型可調(diào)鹵素漏率標(biāo)準(zhǔn)器在不同的漏率點(diǎn)測試, 測量誤差完全符合線性關(guān)系, 另外同毛細(xì)管水柱位移裝置測得數(shù)據(jù)誤差不超過15%, 見圖2所示。

3、結(jié)論

  改進(jìn)型的正壓漏孔裝置,其校準(zhǔn)范圍是 1×10 -4 Pa·m3/s~ 1×10 -7 Pa·m3/s,最佳校準(zhǔn)能力在漏率2×10-6Pa·m3/s 時(shí)小于4.0%。

  該裝置為體積補(bǔ)償結(jié)構(gòu),不確定度小,成本低,自動(dòng)化程度高,易操作和推廣。在我們的研究試驗(yàn)過程中借鑒蘭州物理研究所的相關(guān)經(jīng)驗(yàn), 并得到了費(fèi)渭南研究員的熱情指導(dǎo),在此表示衷心感謝。因?yàn)槲覀兊难芯窟處于開始階段, 還有許多工作在試驗(yàn)過程中,另外經(jīng)驗(yàn)和能力有限, 所以肯定有不成熟的地方,懇切希望有關(guān)專家對(duì)我們的工作提出批評(píng)和建議。