真空漏孔的校準(zhǔn)方法——恒壓變?nèi)莘?/h1>
2009-07-09 孟 揚(yáng) 蘭州物理研究所
將從真空漏孔流出的氣體引人到一容器中，在溫度、壓力恒定不變的情況下，真空漏孔的漏率可以通過測量容器中氣體的體積變化率△V/△t，壓力P溫度T而得到。
QL=(p/RT)(△V/△t) (2)
如果在測量過程中，容器中氣體溫度變化△T，壓力變化仰;p9T,△V和△t分別為δp,δT,δ(△V),δ(△t)，則參考漏孔的漏率測量誤差δQL為
在式(3)中，溫度變化△T和壓力變化△p引起的誤差最大，因此需要嚴(yán)格恒溫和恒壓。若要減小該項(xiàng)誤差，應(yīng)當(dāng)盡量增大體積變化量△V和減小初始體積V。但是增大△V，會延長測量時間，使恒溫和恒壓困難增大。目前，此方法可以測量的下限為10 -12 mol/s。
恒壓變?nèi)莘ǖ南孪抟蛩厥窍到y(tǒng)的吸、放氣，其工作壓力不可低于1Pa。
圖1示出了由中國蘭州物理研究所(LIP)研制的氣體微流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的原理圖。校準(zhǔn)室為采用波紋管制作的變?nèi)菔�，波紋管外為密封油室，利用液壓油的體積隨壓力改變極小的特性，通過控制活塞在油室中的體積來改變變?nèi)菔业娜莘e，變?nèi)菔遗c參考室之間用差壓式電容薄膜規(guī)測量壓力差。在測量過程中，參考室中的氣體壓力調(diào)在10～10 3Pa之間，測控系統(tǒng)用慢速恒力矩電機(jī)驅(qū)動活塞在密閉油室中運(yùn)動，連續(xù)增加變?nèi)菔业捏w積，使變?nèi)菔遗c參考室之間的壓力差維持在零附近，則變?nèi)菔覂?nèi)的氣體壓力就恒定不變了�；钊臋M截面積與移動速度之積就等于變?nèi)菔覂?nèi)氣體體積的變化率。變?nèi)菔覟椴y管結(jié)構(gòu)，密封性能好。它可以校準(zhǔn)10-7～10-11 mol/s范圍內(nèi)的參考漏孔，標(biāo)準(zhǔn)不確定度小于2%。
美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室(SNL)研制了一臺活塞位移式真空漏孔校準(zhǔn)系統(tǒng)。它利用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動活塞在變?nèi)菔抑羞\(yùn)動，連續(xù)改變變?nèi)菔业捏w積，維持變?nèi)菔抑袎毫愣�。由于活塞與變?nèi)菔抑g采用“O”型圈密封，其漏、放氣相對來說比較嚴(yán)重。這套系統(tǒng)可以校準(zhǔn)10 -6～10 -11 mol/s范圍內(nèi)的真空漏孔。
在式(3) 中，OP指的是兩個測量點(diǎn)的壓力變化，在這兩次測量之間只要壓力的變化不改變真空漏孔的漏率就可以。SNL還研制了一臺漏孔校準(zhǔn)裝置(見圖2)，采用增加固定體積的方法，即在t1時刻打開閥、1或閥2或閥3，使V1內(nèi)壓力P二下降，隨著氣體通過漏孔流人V1，直到t2時刻P二恢復(fù)到t1時刻前的壓力，則△V和△t都可以確定。這個裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，但僅是一種近似的恒壓變?nèi)莘�，恒壓效果差。SNL用它可以對5 ×10-10～5× 10- 8 mol/s范圍內(nèi)的真空漏孔進(jìn)行校準(zhǔn)，不確定度為5%。
圖3示出玻璃毛細(xì)管變?nèi)菔沂疽鈭D，毛細(xì)管為真空漏孔提供氣源，其中的液柱起到密封、變?nèi)�、恒壓、�?biāo)識體積變化等作用[3]。這種方法很簡單，可以用來校準(zhǔn)漏率大于5×10-10 mol/s的參考漏孔，但是有它自身的缺陷。首先，毛細(xì)管不能太粗(直徑小于1 mm ;其次，毛細(xì)管的內(nèi)徑要均勻，否則誤差太大;還有，液體與管壁的浸潤會給測量帶來較大的誤差，環(huán)境大氣壓的變化、液體的蒸發(fā)和溫度變化引起的液體體積變化都會給漏率測量帶來一定的誤差。另外，液體蒸氣會沿毛細(xì)管返流至被校漏孔，易引起漏孔堵塞或腐蝕。
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將從真空漏孔流出的氣體引人到一容器中，在溫度、壓力恒定不變的情況下，真空漏孔的漏率可以通過測量容器中氣體的體積變化率△V/△t，壓力P溫度T而得到。
QL=(p/RT)(△V/△t) (2)
如果在測量過程中，容器中氣體溫度變化△T，壓力變化仰;p9T,△V和△t分別為δp,δT,δ(△V),δ(△t)，則參考漏孔的漏率測量誤差δQL為
在式(3)中，溫度變化△T和壓力變化△p引起的誤差最大，因此需要嚴(yán)格恒溫和恒壓。若要減小該項(xiàng)誤差，應(yīng)當(dāng)盡量增大體積變化量△V和減小初始體積V。但是增大△V，會延長測量時間，使恒溫和恒壓困難增大。目前，此方法可以測量的下限為10 -12 mol/s。
恒壓變?nèi)莘ǖ南孪抟蛩厥窍到y(tǒng)的吸、放氣，其工作壓力不可低于1Pa。
圖1示出了由中國蘭州物理研究所(LIP)研制的氣體微流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的原理圖。校準(zhǔn)室為采用波紋管制作的變?nèi)菔�，波紋管外為密封油室，利用液壓油的體積隨壓力改變極小的特性，通過控制活塞在油室中的體積來改變變?nèi)菔业娜莘e，變?nèi)菔遗c參考室之間用差壓式電容薄膜規(guī)測量壓力差。在測量過程中，參考室中的氣體壓力調(diào)在10～10 3Pa之間，測控系統(tǒng)用慢速恒力矩電機(jī)驅(qū)動活塞在密閉油室中運(yùn)動，連續(xù)增加變?nèi)菔业捏w積，使變?nèi)菔遗c參考室之間的壓力差維持在零附近，則變?nèi)菔覂?nèi)的氣體壓力就恒定不變了�；钊臋M截面積與移動速度之積就等于變?nèi)菔覂?nèi)氣體體積的變化率。變?nèi)菔覟椴y管結(jié)構(gòu)，密封性能好。它可以校準(zhǔn)10-7～10-11 mol/s范圍內(nèi)的參考漏孔，標(biāo)準(zhǔn)不確定度小于2%。
美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室(SNL)研制了一臺活塞位移式真空漏孔校準(zhǔn)系統(tǒng)。它利用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動活塞在變?nèi)菔抑羞\(yùn)動，連續(xù)改變變?nèi)菔业捏w積，維持變?nèi)菔抑袎毫愣�。由于活塞與變?nèi)菔抑g采用“O”型圈密封，其漏、放氣相對來說比較嚴(yán)重。這套系統(tǒng)可以校準(zhǔn)10 -6～10 -11 mol/s范圍內(nèi)的真空漏孔。
在式(3) 中，OP指的是兩個測量點(diǎn)的壓力變化，在這兩次測量之間只要壓力的變化不改變真空漏孔的漏率就可以。SNL還研制了一臺漏孔校準(zhǔn)裝置(見圖2)，采用增加固定體積的方法，即在t1時刻打開閥、1或閥2或閥3，使V1內(nèi)壓力P二下降，隨著氣體通過漏孔流人V1，直到t2時刻P二恢復(fù)到t1時刻前的壓力，則△V和△t都可以確定。這個裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，但僅是一種近似的恒壓變?nèi)莘�，恒壓效果差。SNL用它可以對5 ×10-10～5× 10- 8 mol/s范圍內(nèi)的真空漏孔進(jìn)行校準(zhǔn)，不確定度為5%。
圖3示出玻璃毛細(xì)管變?nèi)菔沂疽鈭D，毛細(xì)管為真空漏孔提供氣源，其中的液柱起到密封、變?nèi)�、恒壓、�?biāo)識體積變化等作用[3]。這種方法很簡單，可以用來校準(zhǔn)漏率大于5×10-10 mol/s的參考漏孔，但是有它自身的缺陷。首先，毛細(xì)管不能太粗(直徑小于1 mm ;其次，毛細(xì)管的內(nèi)徑要均勻，否則誤差太大;還有，液體與管壁的浸潤會給測量帶來較大的誤差，環(huán)境大氣壓的變化、液體的蒸發(fā)和溫度變化引起的液體體積變化都會給漏率測量帶來一定的誤差。另外，液體蒸氣會沿毛細(xì)管返流至被校漏孔，易引起漏孔堵塞或腐蝕。
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