真空比對(duì)法校準(zhǔn)裝置的研究
真空比對(duì)法校準(zhǔn)裝置采用了動(dòng)態(tài)直接比對(duì)法、靜態(tài)直接比對(duì)法和靜態(tài)膨脹法， 在一臺(tái)裝置上復(fù)合了三種方法， 滿足了拓寬量程的需求。該裝置可以1×105~5×10- 4 Pa 范圍內(nèi)的各類真空規(guī)進(jìn)行校準(zhǔn)， 是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、檢定效率高、實(shí)用性強(qiáng)的真空標(biāo)準(zhǔn)裝置。整套裝置由渦輪分子泵、校準(zhǔn)容器、副標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)和金屬膨脹閥等部件組成， 主要技術(shù)指標(biāo)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國(guó)內(nèi)有關(guān)真空標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
真空校準(zhǔn)技術(shù)比較復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)裝置造價(jià)比較昂貴。比對(duì)法真空校準(zhǔn)系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)， 它選用精度較高、性能可靠的真空計(jì)作為副標(biāo)準(zhǔn), 是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、量程寬、造價(jià)便宜、操作容易的真空標(biāo)準(zhǔn)裝置, 其校準(zhǔn)的不確定度取決于合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選用的副標(biāo)準(zhǔn)的不確定度。以往需要用三種不同原理和不同結(jié)構(gòu)的真空標(biāo)準(zhǔn)裝置, 實(shí)現(xiàn)所需范圍內(nèi)的壓力校準(zhǔn)[1]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，特別是航天科技的發(fā)展， 為了提高工作效率， 解決大量真空計(jì)的校準(zhǔn)任務(wù)，也更準(zhǔn)確的為航天型號(hào)服務(wù)， 在分析國(guó)內(nèi)外同類標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,研制了一臺(tái)新的真空計(jì)校準(zhǔn)裝置。該校準(zhǔn)裝置選用了動(dòng)態(tài)直接比對(duì)法、靜態(tài)膨脹法和靜態(tài)直接比對(duì)法三種校準(zhǔn)方法實(shí)現(xiàn)了1×105~5×10-4 Pa 范圍內(nèi)真空規(guī)的校準(zhǔn)，滿足了型號(hào)的不同需要。
1、理論分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
深刻理解真空物理理論是設(shè)計(jì)真空系統(tǒng)的基礎(chǔ)， 在真空系統(tǒng)中， 氣體分子流場(chǎng)的分布是進(jìn)行壓力測(cè)量、抽速測(cè)量及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的一個(gè)重要因素。比對(duì)法真空校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分為校準(zhǔn)室， 校準(zhǔn)室容器的形狀， 大小和容器中分子流場(chǎng)的分布情況直接關(guān)系到該校準(zhǔn)裝置的精度和穩(wěn)定性[2]。為此，對(duì)容器內(nèi)分子流場(chǎng)分布的情況進(jìn)行了研究。在分布均勻, 等溫、各向同性的稀薄氣體狀態(tài)下, 氣體分子遵守麥克斯韋速度分布和余弦定律，壓力值才有明顯的物理意義, 兩個(gè)公式才能成立， 在球形容器中最適合于建立這種氣體狀態(tài)。文獻(xiàn)[3]給出了球形容器內(nèi)表面分子流密度分布曲線圖（如圖1所示，對(duì)校準(zhǔn)室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。
圖1 球形容器內(nèi)表面分子流密度分布
對(duì)球形系統(tǒng)沿垂直方向, 從上到下將內(nèi)表面分成10 條測(cè)試帶, 見(jiàn)圖1，各測(cè)試帶上的平均入射分子流密度N（i 分子數(shù)/mm2） 與赤道附近的平均入射分子流密度N（ 分子數(shù)/mm2） 相比為橫坐標(biāo)（Z軸）[4]。
從圖1 可以看出球形容器內(nèi)分子流分布狀況。即，在球形系統(tǒng)內(nèi)表面上，分子流場(chǎng)分布不完全均勻， 在入口附近分子流密度最大， 而在出入口與赤道之間較小。
校準(zhǔn)容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還考慮了表面積與體積之比應(yīng)盡可能的小， 故選用球形容器最理想，因?yàn)橥瑯哟蟮捏w積球的表面積最小， 而且在容器中能夠建立起各向同性運(yùn)動(dòng)的分子流狀態(tài)。但球形容器造價(jià)高，加工比較復(fù)雜。如果選用圓筒型容器， 則要求筒長(zhǎng)于筒徑之比不大于4。在設(shè)計(jì)校準(zhǔn)室的容積時(shí)，要大于連接到該容積被檢真空規(guī)總?cè)莘e的20 倍， 又要考慮容器太大、放氣量大、抽氣的時(shí)間長(zhǎng)、計(jì)量測(cè)試的效率低。該裝置設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)室容器總?cè)莘e22.4 L， 備有9 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)法蘭接口， 同時(shí)可接5 個(gè)被校準(zhǔn)的真空規(guī)， 經(jīng)過(guò)計(jì)算被接真空規(guī)的總?cè)莘e為0.12 L， 遠(yuǎn)小于校準(zhǔn)室的容積。
5、結(jié)論
經(jīng)過(guò)性能測(cè)試,該真空比對(duì)法校準(zhǔn)裝置的主要技術(shù)指標(biāo)完全滿足了動(dòng)態(tài)直接比對(duì)法、靜態(tài)膨脹法和靜態(tài)直接比對(duì)法三種方法校準(zhǔn)真空規(guī)的技術(shù)要求, 可以對(duì)1×105~5×10- 4 Pa 壓力范圍內(nèi)的各種真空規(guī)進(jìn)行校準(zhǔn)。該真空校準(zhǔn)系統(tǒng)是一種方便而實(shí)用的日常校準(zhǔn)裝置，對(duì)航天型號(hào)的研制具有重要的保障作用。
