1、引言

　　檢漏技術(shù)在航天領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。例如,火箭發(fā)射現(xiàn)場的危險(xiǎn)氣體檢測,衛(wèi)星內(nèi)部自控系統(tǒng)燃料的檢測,超高及極高真空的獲得等各領(lǐng)域,都需要可靠的檢漏技術(shù)作為保障。目前,在檢漏工作中使用最廣泛的是氦質(zhì)譜檢漏儀,它需要用標(biāo)準(zhǔn)漏孔對檢漏儀進(jìn)行校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)漏孔的校準(zhǔn)結(jié)果直接關(guān)系到檢漏的準(zhǔn)確性。

　　一般情況下,在23 ℃的環(huán)境溫度條件下對標(biāo)準(zhǔn)漏孔進(jìn)行校準(zhǔn),檢定證書給出的是23 ℃對應(yīng)的漏率值。但是,在實(shí)際的檢漏工作中環(huán)境溫度條件和校準(zhǔn)溫度條件不完全相同。在不同的溫度條件下,標(biāo)準(zhǔn)漏孔的漏率值也不相同,需要進(jìn)行修正。因此,必須研究在一定溫度范圍內(nèi)溫度與標(biāo)準(zhǔn)漏孔漏率的關(guān)系,以保證在不同的溫度條件下檢漏工作的可靠性。在標(biāo)準(zhǔn)漏孔中薄膜滲氦型漏孔由于性能穩(wěn)定、抗污能力強(qiáng)、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn),所以選擇這種漏孔作為研究對象。

　　在16～50 ℃溫度范圍內(nèi),對兩支薄膜滲氦型標(biāo)準(zhǔn)漏孔進(jìn)行了校準(zhǔn),根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果,給出了標(biāo)準(zhǔn)漏孔的漏率值隨溫度的變化曲線,通過數(shù)學(xué)分析給出了溫度與漏率的關(guān)系表達(dá)式。

2、校準(zhǔn)裝置

　　使用國防科工委真空計(jì)量一級站建成的“氣體微流量標(biāo)準(zhǔn)裝置”對標(biāo)準(zhǔn)漏孔進(jìn)行了校準(zhǔn),流量校準(zhǔn)范圍為10^-2～10^-10Pa·m³/s ,不確定度小于2% 。

　　“氣體微流量標(biāo)準(zhǔn)裝置”由氣體微流量計(jì)、流量校準(zhǔn)系統(tǒng)和進(jìn)樣系統(tǒng)三部分組成,如圖1 所示。

圖1 　氣體微流量標(biāo)準(zhǔn)裝置工作原理圖

1 、2. 電容薄膜規(guī);3. 參考室;4 、8. 截止閥;5.穩(wěn)壓室;6. FB110 分子泵;7. 差壓規(guī); 9 、13.針閥;10. 變?nèi)菔? 11. 油室; 12 、28. 機(jī)械泵;14. 氣瓶;15. 活塞;16 、18 、25. 球閥;17. 四極質(zhì)譜計(jì); 19 、21. 校準(zhǔn)室; 20. 小孔; 22. 插板閥;23. FB500 分子泵; 24. B-A 規(guī); 26. 待校流量計(jì);27. 恒溫箱。

2.1、氣體微流量計(jì)

　　氣體微流量計(jì)主要由穩(wěn)壓室(5) 、參考室(3) 、變?nèi)菔?10) 、電容薄膜規(guī)(1 、2 、7) 等五部分組成,可提供2×10^-5～1×10^-8 Pa·m³/s 的標(biāo)準(zhǔn)流量。標(biāo)準(zhǔn)流量時(shí),將校準(zhǔn)氣體充入標(biāo)準(zhǔn)微流量計(jì)的變?nèi)菔�、參考室和穩(wěn)壓室,并達(dá)到某一選定壓力值p ,然后打開閥門(9) ,將流量流出變?nèi)菔�。流量穩(wěn)定后,關(guān)閉變?nèi)菔遗c穩(wěn)壓室之間的閥門(8) 。隨著氣體的流出,變?nèi)菔抑械膲毫Πl(fā)生變化,連接在變?nèi)菔液蛥⒖际抑�間的差壓式電容薄膜規(guī)(DCDG) 輸出非零信號,并反饋到伺服控制單元,由計(jì)算機(jī)自動調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,使活塞以相應(yīng)的速度在油室中運(yùn)動,以保持變?nèi)菔遗c參考室之間的壓差Δp 盡可能小,使變?nèi)菔抑械膲毫�p 基本上保持恒定。測量變?nèi)菔业膲毫�p 、活塞的運(yùn)動速度ΔL /Δt 和標(biāo)準(zhǔn)微流量計(jì)內(nèi)的溫度T ,計(jì)算流量Q

Q = p ×A ×ΔL / Δt ×Tr/ T (1)

　　式中　A 為活塞截面積; Tr 為參考溫度。

2.2、流量校準(zhǔn)系統(tǒng)

　　流量校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由雙球真空室(19 、21) 、小孔(20) 、四極質(zhì)譜計(jì)(17) 、分子泵(23) 、機(jī)械泵(28) 等組成,在校準(zhǔn)室(19) 進(jìn)行流量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究。上球室(19) 和下球室(21) 分別與流量計(jì)相連,在校準(zhǔn)2 ×10 ^{- 5}～1 ×10 ^{- 8} Pa·m³/ s范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)漏孔時(shí),流量計(jì)可直接向上球室進(jìn)樣。當(dāng)校準(zhǔn)1 ×10 ^{- 8}～1 ×10 ^{- 10} Pa·m³/ s 范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)漏孔時(shí),流量計(jì)可從下球室進(jìn)樣,通過小孔(20) 的分流,使上球室產(chǎn)生的流量減小,滿足較小漏率的校準(zhǔn)。實(shí)際上,小孔(20) 的直徑約為11 mm ,分流比為10 ,可使下球室中的流量有1/ 10 返回到上球室。

2.3、進(jìn)樣系統(tǒng)

　　進(jìn)樣系統(tǒng)由閥門(25) 、待校標(biāo)準(zhǔn)漏孔(26) 、恒溫箱(27) 組成。圖1 只給出了1 路進(jìn)氣管道,實(shí)際上共有相同的4 路連接在恒溫箱的工作室中,可同時(shí)對4 支標(biāo)準(zhǔn)漏孔進(jìn)行恒溫控制和校準(zhǔn)。恒溫箱采用PID 模糊自整定技術(shù)調(diào)整加熱系統(tǒng)的加熱量,以保證系統(tǒng)的控溫精度小于等于正負(fù)0. 1 ℃,控溫范圍5～75 ℃。

3、校準(zhǔn)方法

　　“氣體微流量標(biāo)準(zhǔn)裝置”采用待校標(biāo)準(zhǔn)漏孔流量和微流量計(jì)提供的標(biāo)準(zhǔn)流量進(jìn)行比對的方法校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)漏孔。

　　當(dāng)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)漏孔時(shí),先將標(biāo)準(zhǔn)漏孔安裝在恒溫箱的工作室中,設(shè)定好所需的校準(zhǔn)溫度,經(jīng)過一段時(shí)間的平衡,使工作室的溫度波動小于等于正負(fù)0. 1 ℃。打開閥門(25) ,將標(biāo)準(zhǔn)漏孔產(chǎn)生的待校流量引入校準(zhǔn)室,用四極質(zhì)譜計(jì)測量待校流量所對應(yīng)的離子流Ic ,關(guān)閉閥門,然后將流量計(jì)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)流量通過針閥(18) 引入校準(zhǔn)室中,通過調(diào)節(jié)流量計(jì)流量的大小,使標(biāo)準(zhǔn)流量在校準(zhǔn)室所對應(yīng)的離子流I 非常接近待校流量所對應(yīng)的離子流Ic ,并測量Is 數(shù)值。如果標(biāo)準(zhǔn)流量太大,無法使它對應(yīng)的離子流接近待校流量對應(yīng)的離子流,可通過閥(16) 將標(biāo)準(zhǔn)流量引入到下球室,再返流到上球室。用流量計(jì)提供的標(biāo)準(zhǔn)流量Qs ,計(jì)算出待校流量Qc

Qc = k ( Ic/ Is) Qs (2)

　　式中　k 為質(zhì)譜計(jì)的線性因子。待校流量和標(biāo)準(zhǔn)流量產(chǎn)生的離子流十分接近,使四極質(zhì)譜計(jì)的線性帶來的測量不確定度較小,一般情況下k 值取1 。通過調(diào)節(jié)恒溫箱的恒溫控制,在不同的恒溫條件下對標(biāo)準(zhǔn)漏孔進(jìn)行校準(zhǔn),可得到在不同溫度條件下標(biāo)準(zhǔn)漏孔的漏率值。