正壓漏孔校準裝置的研制
標(biāo)準漏孔有兩種形式：一種，漏孔一端真空另一端為一個大氣壓的示漏氣體，稱做真空標(biāo)準漏孔；另一種，漏孔一端大氣另一端加高于一個大氣壓的示漏氣體，常稱做正壓標(biāo)準漏孔。前一種漏孔大多用來對氦質(zhì)譜檢漏儀進行校準；后者多用在對鹵素檢漏儀進行校準的正壓漏孔。目前正壓檢漏儀器，以其操作方便、便攜、檢漏成本低等優(yōu)勢，在制冷、機械、汽車制造等行業(yè)被廣泛采用。正壓漏孔用于正壓檢漏儀靈敏度校準，其漏率校準的不確定度直接關(guān)系到檢漏儀的檢漏儀靈敏度和檢漏的有效性。
目前國內(nèi)外許多國家標(biāo)準漏孔的校準規(guī)范包括了對正壓漏孔的校準方法和對應(yīng)裝置。我國航天部門的有關(guān)單位針對正壓檢漏的需要，也建立了一套很復(fù)雜的正壓漏孔校準系統(tǒng)，因該系統(tǒng)成本高，很難推廣。本文建立的改進型漏孔校準裝置（以下簡稱裝置）具有成本低，不確定度小，自動化度高，操作簡單等優(yōu)點，易于推廣。
1.1、裝置結(jié)構(gòu)
本裝置為體積補償結(jié)構(gòu)如圖1所示，裝置采用MKS公司生產(chǎn)差壓薄膜規(guī)698A，量程為1.33kPa，測量精度為示值的0.05%，最小壓強分辨率為0.001Pa，不重復(fù)性為0.001%FS(FS為滿量程)，零點溫度系數(shù)30ppm.FS/℃，滿量程的溫度系數(shù)0.01%FS/℃，測量活塞外徑2.352mm，測量誤差不超過±5μm，活塞桿由千分尺推動，標(biāo)準溫度計分辨率0.1℃，大氣壓力由DHI公司生產(chǎn)的數(shù)字壓力計測量精度為0.012%。該裝置有恒壓、定容兩種操作方法。
1.2、恒壓操作方法和工作原理
1.2、恒壓操作方法和工作原理
Q=P0·X·A·Tτ/T·Δt (1)
式中：Q--標(biāo)準漏孔的漏率，單位Pa·m3/s;
P0--當(dāng)t1時校準室內(nèi)的絕對壓力，(可以用t1時當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Υ妫瑔挝?Pa；
A--活塞桿截面積，單位m2;
X--活塞移動距離(L2-L1)，單位m;
Tτ--標(biāo)準漏孔的參考溫度，單位K;
T--環(huán)境溫度，單位K;
Δt--校準開始、結(jié)束的時間間隔（t2-t1），單位 1。
此方法所校準的標(biāo)準漏孔漏率不能太小，否則活塞移動所造成的壓力波動影響太大。通過試驗，大于 10-5Pa·m3/s的漏率可以方便地使用此方法。該種校準方法以及其校準不確定度已經(jīng)有文章做過介紹 。對于小于10-5 Pa·m3/s的漏率需要采用另一種方法校準，另外該方法無法實現(xiàn)瞬時漏率測量和計算機數(shù)據(jù)采集。
1.3、定容操作方法和工作原理
定容法不能利用Q=△P·Vx/△t公式來計算，因為薄膜計是靠薄膜的彈性變形原理來測量壓力的，所以 Vt、Vx都發(fā)生了變化，并且嚴重影響了校準數(shù)據(jù)的正確性。以本裝置為例會造成大約20%的負偏差。我們通過理論推導(dǎo)計算和試驗驗證發(fā)現(xiàn)漏入氣體量和壓力值大致成線性關(guān)系。
根據(jù)有在理想氣體狀態(tài)方程恒溫條件下：
P0·Vt=Pτ·(Vτ-△V) (2)
P0·Vx=Px·(Vx+△V)+Q·t (3)
根據(jù)上式可以得到：
Q·t=Vx·[P0·(Px/P0·Vx + Pτ/P0·Vτ)·△V+P] (4)
在△P小于1KPa時Px/P0和Pτ/P0近似于1，則
Q·t=Vx·[P0·(1/Vx+1/Vτ)·△V+P] (5)
根據(jù)差壓薄膜規(guī)工作原理， △V正比于P，則有Q·t 正比于P，可以得到
Q=k dP/dt=k· d(P0+P)/dt= k dP/dt (6)
為了證明式（6）的成立，我們采用了實驗的方法，先關(guān)閉閥門1和閥門2，移動千分尺帶動活塞移動，如果活塞位移量X與薄膜計壓力示值符合線性關(guān)系，一定有△V 與 △P 符合線性關(guān)系。驗證數(shù)據(jù)如表1所示。
表1數(shù)據(jù)證明了本裝置漏入氣體量和薄膜計壓力示值符合線性關(guān)系，其線性誤差不大于示值的0.3%，能夠滿足正壓漏孔漏率校準的要求。體積系數(shù)k值可以通過以下方法測得：安裝好標(biāo)準漏孔，將千分尺調(diào)節(jié)至0mm 的位置，關(guān)閉閥門1和閥門2，等系統(tǒng)穩(wěn)定后讀取薄膜計壓力示值p1，推進千分尺至 x mm 處， 讀取薄膜計壓力示值 P2。k值可以按下式計算：
k=P0·x·A/(P2-P1) (7)
其中： k為體積系數(shù)，單位m3；A為活塞截面積，單位m2。
重復(fù)以上步驟至少三次， 其k值計算偏差不超過±1%，否則必須檢查系統(tǒng)是否漏氣。然后系統(tǒng)放空后再重新關(guān)閉閥門1和閥門2，當(dāng)薄膜計壓力示值穩(wěn)定上升后開始計時， 根據(jù)式（6）計算標(biāo)準漏孔的漏率值。
2、裝置的最佳校準能力及驗證
只有在溫度T恒定、薄膜計不重復(fù)性為零、 參考室和校準室沒有任何吸放氣和漏氣現(xiàn)象的理想狀態(tài)下式 （6）才嚴格成立。實際上以上條件不會完全成立， 必須對以上各項引入的不確定度分量進行考慮， 列于表2。
該裝置的標(biāo)準總不確定度， 取k=2得到該裝置對 2×10-6Pa·m3/s標(biāo)準漏孔的總不確定度為U95=2u(Q)=4%。并且從表2可以看出， 對于漏率大于 2×10-6Pa·m3/s 標(biāo)準漏孔，漏、放氣和溫度波動引起的誤差都相對小， 從而可以降低總不確定度。
我們對大量的通道型標(biāo)準漏孔進行了重復(fù)性測試，完全驗證了裝置的校準能力， 例如對LS-20B型可調(diào)鹵素漏率標(biāo)準器在不同的漏率點測試， 測量誤差完全符合線性關(guān)系， 另外同毛細管水柱位移裝置測得數(shù)據(jù)誤差不超過15%， 見圖2所示。
3、結(jié)論
改進型的正壓漏孔裝置，其校準范圍是 1×10 -4 Pa·m3/s~ 1×10 -7 Pa·m3/s，最佳校準能力在漏率2×10-6Pa·m3/s 時小于4.0%。
該裝置為體積補償結(jié)構(gòu)，不確定度小，成本低，自動化程度高，易操作和推廣。在我們的研究試驗過程中借鑒蘭州物理研究所的相關(guān)經(jīng)驗， 并得到了費渭南研究員的熱情指導(dǎo)，在此表示衷心感謝。因為我們的研究還處于開始階段， 還有許多工作在試驗過程中，另外經(jīng)驗和能力有限， 所以肯定有不成熟的地方，懇切希望有關(guān)專家對我們的工作提出批評和建議。
