滲氦型真空漏孔漏率的溫度修正
由于石英材料的滲透系數(shù)與溫度成指數(shù)函數(shù)關(guān)系, 因此滲氦型真空漏孔對溫度非常敏感, 在使用時需要對漏孔校準(zhǔn)值進(jìn)行溫度修正。通過對一支滲氦型真空漏孔在16～40 ℃溫度范圍內(nèi)的漏率校準(zhǔn), 給出了漏率隨溫度變化的2 種修正方法———指數(shù)修正法和線性修正法, 以及2 種方法的修正結(jié)果。
1、引言
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步, 真空檢漏技術(shù)在航天、航空、電子工業(yè)、核工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。在這些真空檢漏中, 對漏率都有十分嚴(yán)格的要求, 只有定量地測量被檢漏孔的漏率, 才具有實(shí)際意義。目前, 在真空檢漏中用于微小真空漏孔定量檢測最廣泛、最有效的工具是質(zhì)譜計檢漏儀, 但檢漏儀需要用已知漏率的真空漏孔對其靈敏度定期進(jìn)行校準(zhǔn)。常見的真空漏孔有滲氦型真空漏孔, 玻璃毛細(xì)管型真空漏孔, 金屬壓扁型真空漏孔, 玻璃- 鉑絲型真空漏孔, 燒結(jié)型真空漏孔以及孔板型真空漏孔等。由于滲氦型漏孔具有使用方便, 對污染不敏感, 長時間內(nèi)漏率穩(wěn)定, 漏率可以做的很小等優(yōu)點(diǎn), 因此通常使用滲氦型漏孔對檢漏儀進(jìn)行校準(zhǔn)。
但是對于滲氦型真空漏孔, 其漏率受溫度的影響較大, 在不同的溫度下漏率不同。在現(xiàn)場使用時由于其工況與校準(zhǔn)時的工況經(jīng)常不同, 溫度也將不同, 此時漏孔的漏率值與校準(zhǔn)時的漏率也將不同, 這將對檢漏儀的校準(zhǔn)產(chǎn)生較大的影響。因此需要對已知溫度下的漏率進(jìn)行溫度修正, 以保證檢漏的可靠性。
作者在16～40 ℃溫度下, 對一支真空漏孔進(jìn)行了校準(zhǔn), 并根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果, 通過理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)分析給出了溫度與漏率的指數(shù)修正法和線性修正法的2 種表達(dá)式, 并對2 種修正結(jié)果進(jìn)行了比較。
2、滲氦型真空漏孔漏率的溫度修正方法
滲氦型真空漏孔的漏孔元件一般是由對氦氣有較高滲透能力的石英或玻璃管吹制而成。薄膜滲氦型真空漏孔有一個封閉的或在充氣式的金屬或玻璃氣室。如圖1 所示。
當(dāng)氦氣在石英薄膜中的擴(kuò)散達(dá)到穩(wěn)定時, 沿垂直于器壁的方向氦濃度呈線性分布, 利用費(fèi)克第一定律其滲氦量為
式中Q 為漏孔漏率, Pa·m3/s; K 為滲透系數(shù), Pa·m3/( s·cm2·Pa·mm- 1) ; A 為滲透元件表面積, cm2; p 為滲透元件兩側(cè)的滲透氣體的分壓差, Pa; d 為壁厚, mm。又
式中k0 為與氣體- 配偶有關(guān)的滲透常數(shù); R 為摩爾氣體常數(shù), 8.31J/( mol·K) ; T 為絕對溫度, K; E 為滲透活化能, J/mol。
將式( 2) 變?yōu)槭? 1) , 可得
由式( 2) 可知, 石英的滲透系數(shù)與溫度是指數(shù)函數(shù)關(guān)系, 滲氦型漏孔對溫度非常敏感, 需要對漏孔漏率進(jìn)行溫度修正。
2.1、指數(shù)修正法
對于理想氣體
將式( 4) 代入式( 3) , 可得
對于任意一個已知溫度T 的漏孔, 有
對同一個漏孔, 當(dāng)在Tcal 溫度下校準(zhǔn)時
式( 6) 和式( 7) 兩邊分別相除得到式( 8)
式( 8) 可變?yōu)槭? 9)
如果能夠確定常數(shù), 那么式( 9) 就是溫度為T、QT 與Tcal 時的漏率Qcal 之間的指數(shù)修正公式。
則式( 5) 可變?yōu)?/p>
對等式( 10) 兩邊同除T, 并取自然對數(shù), 可得
等式( 11) 現(xiàn)在變成了一個線性方程y=mx+b 形式。對照線性方程的標(biāo)準(zhǔn)形式可知
因此可以通過實(shí)驗(yàn)求得C1 和C2 。對于給定的漏孔, C1 和C2 為常數(shù), 則可得
式( 12) 就是漏率的溫度指數(shù)修正公式。指數(shù)修正公式是由滲氦型漏孔本身的特性確定的, 因此如果C2 已知,可以在很寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行修正。
