恒壓式氣體微流量計的性能測試
隨著真空科學技術的發(fā)展，對氣體微流量的校準提出了更高的要求，需要研制流量測量范圍更寬、流量下限更低、流量測量更準確的氣體微流量計。
目前，德國聯(lián)邦物理技術研究院(PTB)已經研制到第三代流量計，測控系統(tǒng)為全自動方式，恒壓控制測量下限達到10 - 8 Pa·m3 / s，流量校準下限達到10 - 10Pa·m3 /s［1，2］。意大利國家計量研究所(IMGC)也研制了第三代流量計，測量下限達到了10 - 8 Pa·m3 / s［3］。1994 年我們研制了一臺恒壓式氣體微流量計，流量測量范圍為(3.49×10 -3 ～ 1.97×10 - 8)Pa·m3 / s，不確定度小于2.3%[4，5]；通過不斷的改進和完善，研制了測量精度更高的第二代恒壓式氣體微流量計，本文介紹該流量計的性能測試結果。
1、恒壓式氣體微流量計組成
恒壓式氣體微流量計原理如圖1 所示，流量計由兩部分組成：左側為壓力測量系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)(其中：1 - 離子泵，2、8 - 電容薄膜規(guī)，3、4、5、6 - 閥門，7- 差壓規(guī)，9 - 調節(jié)閥，10 - 角閥，11 - 渦輪分子泵，12 - 機械泵)，可以測量穩(wěn)壓室及管道壓力，提供N2、He、Ar 等校準氣體，并對流量計各部分抽真空；右側為流量測量系統(tǒng)(其中：13 - 穩(wěn)壓室，14、16、17、19、20、21、22、24、25 - 閥門，15 - 油處理器，18 - 電容薄膜規(guī)，23、26 - 小孔，27 - 變容室，28 - 油室，29 -活塞，30 - 調速裝置)，可以精確測量并提供標準流量，其整體放在一個恒溫箱內以保持溫度恒定。標準流量引入到真空校準系統(tǒng)后，可用于真空規(guī)或真空漏孔的校準。
圖1 恒壓式氣體微流量計原理圖
恒壓式氣體微流量計的工作原理在真空技術網內已有大量文獻專門闡述[6]，這里不再進行討論。
2、實驗研究內容及結果
恒壓式氣體微流量計由自行研制的測控系統(tǒng)控制，可以在數(shù)字PID 和壓力波動兩種恒壓控制模式下提供和測量流量，以下實驗研究中有關流量測量的結果均由該測控系統(tǒng)提供［7］。
2.1、變容室及管道漏放氣率的測量
漏放氣率是影響流量測量下限最主要的因素，必須降低到最低程度。對變容室及管道進行長時間烘烤并抽氣，使達到本底壓力約10 - 4 Pa。關閉閥門(19)，用滿量程133 Pa 電容薄膜規(guī)測量變容室及管道的壓力變化，用式(1)計算變容室及管道的漏放氣率。
Q =ΔP·VS /Δt (1)
式中：Q—漏放氣率，單位：Pa·m3 / s；ΔP—壓力變化，單位：Pa；VS—變容室及管道體積，單位：m3；Δt—測量時間，單位：s。
我們進行了40h 的測量，每隔60 min 測量一次壓力，壓力從0.002 Pa 上升到0.175 Pa，可以計算出漏放氣率為(1.20× 10 - 6 V)Pa / s，V 為變容室體積。由于變容室體積約0.05×10 - 3 m3，所以漏放氣率為6.0×10 - 11Pa·m3 / s，比流量計的流量測量下限10- 8Pa·m3 / s 低三個數(shù)量級，滿足流量下限測量要求。
2.2、變容室體積測量
利用波-馬定律PV = C 測量變容室的體積。充入變容室的壓力，要求是即要保證壓力足夠高使體積測量準確，又要保證壓力變化不能超過差壓規(guī)133Pa的測量范圍。
測量方法是，先測量變容室壓力P1和體積V，讓活塞前進一段距離后停止，再測量變容室壓力P2和體積變化ΔV，則變容室的體積V由式(2)計算。
V = P2ΔV/( P2 - P1) (2)
當測量體積時，變容室充入2791Pa的N2，活塞行走31mm，變容室體積的測量平均值為56.33 mL。
2.3、活塞運動速度的平穩(wěn)性測試
活塞運動速度的平穩(wěn)性關系到流量測量的準確性，如果在活塞運動過程中，速度發(fā)生不規(guī)律大幅度的跳變，恒壓控制就無法實現(xiàn)。活塞運動平穩(wěn)是測量流量的前提�；钊\動速度的設計指標是(0.1 ～對活塞在以下三個速度的運動平穩(wěn)性進行實驗，分別是0.003、0.100、0.667 mm/ s。其中，0.003mm/ s 和0.667mm/ s 為活塞運動的最小和最大速度，0.100 mm/ s 為活塞運動的最佳速度，對這三個速度進行測量，具有一定代表性。測試方法是，用測控軟件設置活塞運動速度，并測量反饋脈沖，由反饋脈沖計算活塞的運動速度。
測量結果表明，活塞運動速度的平穩(wěn)性非常好，速度波動在0.03%以下，可以很好的保證流量測量的精度。
2.4、液壓油傳遞效果測試
油室中的液壓油承擔著傳遞變容室體積變化的任務，直接關系到流量測量的準確性。如果油中有氣泡，會導致傳遞系數(shù)發(fā)生變化，即活塞變化的體積不等于波紋管變化的體積，使流量測量發(fā)生偏差。
用機械泵對油室進行抽氣，油中的氣體會被抽走而在油面形成氣泡，通過觀測一定時間內的氣泡個數(shù)來分析油室中的氣體量。在30 min 的觀測時間內，氣泡個數(shù)為2 個，液壓油所含氣泡的影響低于0.1%。對于液壓油抽氣后，讓活塞前進一定距離，用式
(3)計算油傳遞靈敏度Os。
Os =ΔV/V=ΔP/P=k(3)
式中：ΔV—變容室體積變化，單位：m3；V—變容室體積，單位：m3；ΔP—變容室壓力變化，單位：Pa；P—變容室壓力，單位：Pa。
流量計使用一段時間后，假定液壓油含有一定氣體，用式(3)再次計算油傳遞靈敏度，設兩次靈敏度值分別為k1和k2，則油傳遞修正系數(shù)δ：
