正壓漏孔校準(zhǔn)技術(shù)國(guó)內(nèi)研究狀況
1、中國(guó)計(jì)量院(NIM)
中國(guó)計(jì)量院在2005 年建立了一套恒壓法正壓漏孔校準(zhǔn)裝置，測(cè)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(cè)量壓力變化，參考室和校準(zhǔn)室用球閥連接，校準(zhǔn)室上接有放氣閥和正壓漏孔接口�；钊ㄟ^O 型圈與活塞套筒動(dòng)密封連接，活塞變化距離由光柵尺測(cè)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(gè)相互套嵌的透明箱體內(nèi)。在實(shí)際測(cè)量中，操作人員觀測(cè)差壓規(guī)的讀數(shù)來實(shí)時(shí)調(diào)整活塞的移動(dòng)速度使差壓規(guī)的讀數(shù)盡量接近零點(diǎn)，通過測(cè)量活塞移動(dòng)距離，實(shí)驗(yàn)時(shí)間來計(jì)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(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的模式。
圖8 中國(guó)計(jì)量院正壓漏孔校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)圖
研究工作的重點(diǎn)是，增加活塞組以擴(kuò)展測(cè)量上限，對(duì)裝置進(jìn)行更好的恒溫控制以降低虛漏并提高測(cè)量下限，對(duì)活塞直徑和測(cè)量時(shí)間進(jìn)行更精確的測(cè)量以減小測(cè)量不確定度。
2、上海計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所
上海計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所建立了一套改進(jìn)型的(pΔV/t) 正壓漏孔校準(zhǔn)裝置，校準(zhǔn)范圍(1×10- 4～1×10- 6) Pa·m3/s，最佳校準(zhǔn)能力小于4.0%(k=2)，校準(zhǔn)原理見圖9。
圖9 上海計(jì)量測(cè)試所正壓漏孔校準(zhǔn)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(cè)量校準(zhǔn)室的壓力變化， 滿量程為1330 Pa�；钊闹睆綖�2.4 mm，測(cè)量誤差不超過±0.001mm, 活塞桿由千分尺推動(dòng)并測(cè)量前進(jìn)距離。用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測(cè)量參考室和校準(zhǔn)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(jì)測(cè)量，測(cè)量精度為0.01%。裝置可以采用恒壓法和定容法兩種校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)正壓漏孔。實(shí)際測(cè)量中，安裝好標(biāo)準(zhǔn)漏孔后關(guān)閉閥門1和平衡閥2，當(dāng)差壓薄膜計(jì)壓力穩(wěn)定升高時(shí)，調(diào)節(jié)千分尺帶動(dòng)活塞移動(dòng)將差壓示值調(diào)至0，記錄千分尺讀數(shù)和開始時(shí)間。隨著漏孔氣體的流入，調(diào)節(jié)千分尺同時(shí)觀察差壓計(jì)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(shí)間后，記錄位移，測(cè)量時(shí)間，可計(jì)算出漏率，這種方法和中國(guó)計(jì)量院采用的方法類似。
3、清華大學(xué)
清華大學(xué)建立了一套定容式正壓漏孔校準(zhǔn)裝置，校準(zhǔn)范圍(1×10- 5～1×10- 6) Pa·m3/s，不確定度5%～15%，校準(zhǔn)裝置原理圖見圖10。
圖10 清華大學(xué)正壓漏孔校準(zhǔn)裝置原理圖
該裝置采用定容法的測(cè)量方法，校準(zhǔn)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(cè)量校準(zhǔn)室和參考室之間的壓差。校準(zhǔn)時(shí)，參考室被密封，壓強(qiáng)保持不變，氣體從進(jìn)氣端通過被校漏孔進(jìn)入校準(zhǔn)室使其內(nèi)部壓強(qiáng)不斷上升從而測(cè)量正壓漏孔的漏率。校準(zhǔn)室在校準(zhǔn)前充入北京大氣壓，基本接近1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。為了減小溫度變化造成的影響，在校準(zhǔn)裝置下層機(jī)箱的內(nèi)壁上粘貼了隔熱材料。在測(cè)試前，使用純氮?dú)馇逑葱?zhǔn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)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(zhǔn)。
4、航天科技集團(tuán)一院
航天科技集團(tuán)一院建立了利用排水取氣法的正壓漏孔校準(zhǔn)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(gè)大氣壓。取氣管內(nèi)徑d 為25 mm。通過正壓漏孔的試驗(yàn)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(cè)量Δt 時(shí)間內(nèi)排水的高度為H，則可計(jì)算出正壓漏孔的漏率。
這種方法操作簡(jiǎn)單，能達(dá)到一定的精度，是一種實(shí)用的方法。但測(cè)量精度要受到測(cè)試期間溫度變化的影響，且測(cè)量小漏率時(shí)需要較長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間。例如測(cè)量漏率為1×10- 6 Pa·m3/s 的漏孔，若要排水高度H 達(dá)到10 mm，需要的測(cè)試時(shí)間為5.7 天的時(shí)間，測(cè)量效率有待提高。
圖11 航天一院正壓漏孔校準(zhǔn)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(tái)正壓漏孔校準(zhǔn)裝置，校準(zhǔn)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(zhǔn)裝置原理圖
該裝置采用定容法和動(dòng)態(tài)比較法測(cè)量漏率，動(dòng)態(tài)比較法是將示漏氣體通過正壓漏孔流入定容室進(jìn)行累積，經(jīng)過Δt 時(shí)間后，將定容室中的混合氣體膨脹到膨脹室中進(jìn)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(jì)測(cè)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(gè)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(dòng)態(tài)進(jìn)樣，用四極質(zhì)譜計(jì)測(cè)量定量氣體的分壓力，通過比較計(jì)算正壓漏孔的漏率。
從理論上講，只要漏孔累積的時(shí)間足夠長(zhǎng)，就可以校準(zhǔn)很小的漏孔。而實(shí)際上，漏孔流量累積時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，其測(cè)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(jìn)樣后會(huì)由于四極質(zhì)譜計(jì)的靈敏度限制而無法測(cè)量，所以采用這種方法延伸測(cè)量下限值得進(jìn)一步研究。目前，該單位正在研制基于自動(dòng)控制的恒壓法正壓漏孔校準(zhǔn)裝置。
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