國際上很多國家對氣體微流量計的研究方面已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，相繼研制了幾代氣體微流量計，例如，有美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）， 德國物理技術(shù)研究院（PTB）， 日本（NMIJ），意大利國家計量研究所（IMGC）和韓國標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)研究院（KRISS）等真空校準(zhǔn)實驗室。

1、美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）

　　美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）先后研制了兩代恒壓式氣體微流量計。1978 年McCulloh等人研制了第一代滑動密封活塞式流量計，如圖1 所示。變?nèi)菔沂且粋�內(nèi)裝活塞的金屬圓筒，兩者之間采用了雙L 型截面聚四氟乙烯密封環(huán)墊，環(huán)墊外再套“O”圈以給其壓緊力，并用波紋管把活塞密封在圓筒中，使其不與大氣接觸，這種結(jié)構(gòu)解決了漏放氣問題，如圖2 所示。差壓規(guī)接在變?nèi)菔液蛥⒖际抑�間，充氣時旁通閥門打開，使兩室壓力相等。當(dāng)測量流量時關(guān)掉旁通閥，變?nèi)菔覛怏w流入校準(zhǔn)室，其壓力下降，差壓規(guī)產(chǎn)生非零輸出，推進活塞以減小變?nèi)菔殷w積，以補償變?nèi)菔抑袎毫ο陆�，使差壓�?guī)保持近于零的輸出維持變?nèi)菔抑袎毫Σ蛔�。兩根活塞的直徑分別為2.54 cm 和1 cm，相互可以獨立使用， 以擴展流量的測量范圍。其測量量程為2×10^{- 3}~2×10^{- 8} Pa·m3/s ，不確定度小于2.16%。

圖1 NIST第一代活塞式氣體流量計原理圖　圖2 NIST 活塞流量計的變?nèi)菔以�理圖

　　1987 年美國NIST 的McCulloh 等人研制了第二代液壓驅(qū)動波紋管式流量計，如圖3 所示，與第一代流量計相比，變?nèi)菔医Y(jié)構(gòu)有了重大的改進。變?nèi)菔抑黧w為波紋管，波紋管通過油室與兩個不同直徑的活塞相連，采用金屬的密封結(jié)構(gòu)，能夠通過烘烤減小放氣對流量測量的影響。烘烤后，其本底壓力可小于10^{- 6} Pa，這就允許變?nèi)菔页淙氲偷膲毫�，以產(chǎn)生更小的流量。當(dāng)測量流量時，活塞向前推入油室中，通過液壓油來壓縮波紋管，使變?nèi)菔殷w積發(fā)生改變，以保持變?nèi)菔覂?nèi)壓力的恒定，流量測量下限為10^{- 8} Pa·m³/s。

圖3 NIST 第二代恒壓式流量計原理圖

2、德國物理技術(shù)研究院（PTB）

　　德國物理技術(shù)研究院（PTB）先后研制了三代全金屬波紋管密封氣體微流量計，其原理簡圖分別如圖4、圖5、圖6 所示。這三代微流量計的基本結(jié)構(gòu)類似，只是所用的測量儀器略有不同，并在控制方法上不斷改進和完善。

圖4 PTB 第一代氣體微流量計原理圖　圖5 PTB 第二代氣體微流量計原理圖　圖6 PTB 第三代氣體微流量計原理圖

　　在控制壓力測量的方面，三代氣體微流量計的變?nèi)菔遗c參考室之間的壓力差均采用一個滿量程133 Pa 的差壓式電容薄膜規(guī)進行測量。但壓力測量規(guī)略有不同, 在第一代氣體微流量計中，壓力用滿量程133 kPa 和1.33 kPa 的絕對式電容薄膜規(guī)測量,壓力小于1 Pa 時，用磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)測量；在第二代氣體微流量計中，壓力用滿量程為35 kPa 石英布爾登規(guī)、滿量程為1.33 kPa 差壓式電容薄膜規(guī)和磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)測量；在第三代氣體微流量計中，壓力用滿量程為133 kPa 差壓式電容薄膜規(guī)、滿量程為1.33 kPa 差壓式電容薄膜規(guī)和磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)測量。在控制方面，第一代氣體微流量計根據(jù)計算機程序的提示采用手動操作；第二代氣體微流量計的波紋管驅(qū)動過程自動完成，其它操作在計算機程序的提示下手動操作；第三代氣體微流量計采用全自動操作，所有閥門都采用氣動閥或由步進電機驅(qū)動。

　　在PTB 流量計中，核心部件變?nèi)菔抑黧w采用成形法制造的波紋管，如圖7 所示，這是PTB流量計的最大特點。波紋管產(chǎn)生的體積變化量用注水稱重法來確定，當(dāng)波紋管的位移被測量后，通過與壓縮位移呈線性關(guān)系，即可確定波紋管的有效截面Aeff。整個流量計可經(jīng)受150℃烘烤除氣，有利于下限的延伸。但是所采用的特殊制造的成形波紋管，要經(jīng)過嚴(yán)格細(xì)心挑選，這種結(jié)構(gòu)雖有其優(yōu)點，但很少有人仿效。

圖7 波紋管機構(gòu)原理圖

　　通過提高精度和擴展量程的研究工作，目前PTB 的流量計可以采用三種工作模式測量流量，氣體流量在10^{- 4}～10^{- 8} Pa·m³/s，采用恒壓法模式，不確定度為0.3%～1.5%；氣體流量小于測量范圍10^{- 8} Pa·m³/s 時，采用固定流導(dǎo)法模式；氣體流量大于10^{- 4} Pa·m³/s，采用定容法模式。此外，PTB還代表著國際上氣體微流量計控制方面的最高水平，是國際上唯一實現(xiàn)氣體流量計全自動化的實驗室。

3、其它國家

　　1977 年日本Hojo 等人研制的活塞式液壓驅(qū)動波紋管恒壓式流量計[5]，如圖8 所示。用波紋管把變?nèi)菔乙环譃槎�，一室充入壓強為P0 的氣體，另一室充滿經(jīng)過真空抽氣處理的油，活塞插入此油室�；钊�推入油室中，經(jīng)不可壓縮油的傳遞活塞體積變化量，壓縮波紋管的體積，使波紋管的體積變化量精確等于活塞在油室中的體積變化量。測量范圍為5.3×10^{- 3}～2.7×10^{- 7} Pa·m³/s，不確定度為1%。

圖8 日本Hojo 等人設(shè)計的氣體流量系統(tǒng)和控制室結(jié)構(gòu)原理圖

　　意大利國家計量研究所（IMGC）研制了代恒壓式氣體微流量計， 第三代恒壓式氣體流量計如圖9 所示，原理與以上實驗室的流量計類似。為了獲得較小的變?nèi)菔殷w積，其變?nèi)菔覟椴讳P鋼體內(nèi)的通孔構(gòu)成，活塞直接插入變?nèi)菔�，兩者之間采用聚四氟乙烯墊圈和彈性O(shè) 型圈密封。在活塞的另一端焊有波紋管，通過在波紋管與外室間充入與變?nèi)菔覊毫Φ南嗤�的氣體，保持了密封的可靠性。該流量計有兩套活塞，直徑分別為5 mm 和20 mm。流量計的實現(xiàn)了部分系統(tǒng)的自動化控制，其測量范圍為10^{- 3}～10^{- 8} Pa·m³/s， 相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.2%～0.8%。

　　韓國標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)研究院（KRISS）真空技術(shù)中心也建立了微小流量計量標(biāo)準(zhǔn)，其氣體微流量計的原理如圖10 所示（Q 部分）， 校準(zhǔn)范圍為10^{- 1}～10^{- 11} Pa·m³/s ，可用于真空計，真空漏孔、正壓漏孔和質(zhì)譜計校準(zhǔn)，并與美國NIST、意大利IMGC 進行了國際比對。

圖9 IMGC 研制的恒壓式氣體微流量計原理圖　圖10 韓國KRISS 氣體流量計（Q 部分）原理圖