針對目前正壓漏孔校準(zhǔn)工作中存在的測量下限指標(biāo)低、測量不確定度大等問題，提出了正壓漏孔校準(zhǔn)裝置的優(yōu)化設(shè)計方法。采用特殊設(shè)計，將定容室的容積減小到10mL以下，降低了氣體累計時間，延伸了測量下限。采用主、被動相結(jié)合的恒溫方法提高恒溫精度，使得測量系統(tǒng)溫度變化在校準(zhǔn)時間內(nèi)小于0.02K，減小了溫度漂移引入的虛流量及測量不確定度。在恒壓法正壓漏孔校準(zhǔn)方法中，提出采用直徑小于1mm的精密細(xì)活塞及適用的動密封結(jié)構(gòu)，可以將測量下限延伸到10^-7Pa·m³/s 量級。通過以上方法，可使正壓漏孔校準(zhǔn)裝置的測量下限優(yōu)于5×10^-7Pa·m³/s，不確定度小于5%，同時具有較高的工作效率。

　　正文：在國防和國民生產(chǎn)各領(lǐng)域，尤其是在型號和武器裝備的研制、試驗、生產(chǎn)和使用的過程中，正壓檢漏技術(shù)發(fā)揮著越來越重要的作用，正壓漏孔作為正壓檢漏時的漏率標(biāo)準(zhǔn)，其校準(zhǔn)精度也越來越受到人們的重視。

　　目前我國正壓漏孔校準(zhǔn)工作還面臨以下問題：①不能對漏率值在10^{- 7}Pa·m³/s 量級及以下的正壓漏孔進(jìn)行精確校準(zhǔn)；② 校準(zhǔn)時間較長，一般情況下，校準(zhǔn)一支小漏率正壓漏孔需要7 天時間，校準(zhǔn)效率低；③測量不確定度大，校準(zhǔn)下限的測量不確定度在15%～30%左右。

　　為此，本論文在定容式正壓漏孔校準(zhǔn)裝置的研究經(jīng)驗基礎(chǔ)上，利用目前正在研究和設(shè)計的恒壓式正壓漏孔校準(zhǔn)裝置的相關(guān)技術(shù)，提出了對正壓漏孔校準(zhǔn)裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的思路和方法，而且這些設(shè)計方法對定容式和恒壓式校準(zhǔn)裝置都是適用的，以期進(jìn)一步提高我國正壓漏孔校準(zhǔn)裝置的設(shè)計水平和校準(zhǔn)質(zhì)量。

1、校準(zhǔn)裝置原理及校準(zhǔn)方法

　　校準(zhǔn)裝置由供氣和穩(wěn)壓系統(tǒng)，抽氣系統(tǒng)、校準(zhǔn)系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)和測量與控制系統(tǒng)等五部分組成，圖1 為裝置原理圖，圖中虛線框內(nèi)的部分放置在恒溫箱中。校準(zhǔn)裝置既可采用定容法也可采用恒壓法來校準(zhǔn)正壓漏孔。

1,11,30. 電容薄膜規(guī)(CDG)  2,3,6,8,9,10,12,13,15,17,19,23,24,25閥門 4,5,7.氣瓶 14.分子泵 16,20.標(biāo)準(zhǔn)容積 18,29.定容室 21.電磁閥 22.正壓漏孔 26.機(jī)械泵 27. 伺服機(jī)構(gòu) 28.變?nèi)菔壹盎钊?/p>

圖1 校準(zhǔn)裝置原理圖

　　供氣和穩(wěn)壓系統(tǒng)由高壓氣瓶、低壓氣瓶、閥門、電容薄膜規(guī)等組成，主要為正壓漏孔的入口端提供高于2個大氣壓的He氣，并為正壓漏孔的出口端提供100 kPa±5 kPa 的N2氣。抽氣系統(tǒng)由分子泵、機(jī)械泵、電磁閥等組成，可以對供氣系統(tǒng)和校準(zhǔn)系統(tǒng)的管道、變?nèi)菔壹皟蓚�標(biāo)準(zhǔn)容積抽真空，以滿足校準(zhǔn)要求。校準(zhǔn)系統(tǒng)由正壓漏孔、定容室、標(biāo)準(zhǔn)容積、電容薄模規(guī)、變?nèi)菔壹盎钊�、電機(jī)等組成，整體放置在恒溫箱內(nèi)保持恒溫，是正壓漏孔校準(zhǔn)裝置的核心部分，承擔(dān)著正壓漏孔的校準(zhǔn)任務(wù)。恒溫系統(tǒng)為內(nèi)外兩層恒溫箱組成，為校準(zhǔn)系統(tǒng)提供恒溫保障。測量與控制系統(tǒng)的由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、熱電阻變送模塊、電機(jī)控制卡、伺服系統(tǒng)等組成，采用LABVIEW虛擬儀器工具開發(fā)測控軟件，完成平動機(jī)構(gòu)的運動控制、活塞運動速度及移動距離的計算、電容薄膜規(guī)的數(shù)據(jù)采集、測量結(jié)果的自動計算及保存等功能。校準(zhǔn)裝置可以采用定容法和兩種恒壓法（PID 控制、壓力微小波動控制）來提供和測量流量，定容法的測量范圍是(5×10^{- 7}～5×10^{- 3}) Pa·m³/s，PID恒壓控制法的測量范圍為(1×10^{- 6}～5×10^{- 5}) Pa·m³/s，壓力微小波動控制法的流量測量范圍為(4×10^{- 7}～2×10^{- 5}) Pa·m³/s，其測量下限的準(zhǔn)確性主要受到溫度變化的影響。

　　關(guān)于校準(zhǔn)裝置的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計、測量方法及測量范圍等考慮到真空技術(shù)網(wǎng)的有另文解說，這里就不再詳細(xì)介紹。

2、校準(zhǔn)裝置的優(yōu)化設(shè)計

　　在總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，針對目前正壓漏孔校準(zhǔn)工作中存在的測量下限指標(biāo)低、測量不確定度大等問題，對正壓漏孔校準(zhǔn)裝置提出了優(yōu)化設(shè)計方法，這些方法也是正壓漏孔校準(zhǔn)裝置設(shè)計中應(yīng)考慮的核心問題，尤其值得關(guān)注。

2.1、定容室的優(yōu)化設(shè)計

　　定容室的容積大小直接關(guān)系到氣體累計間的長短，以及定容室壓力變化的快慢，是提高正壓校準(zhǔn)效率和測量下限的關(guān)鍵因素。根據(jù)理論計算和國外文獻(xiàn)，定容室的容積應(yīng)小于10mL為佳, 如德國PTB 恒壓式正壓漏孔校準(zhǔn)裝置定容室為7.8mL。我站2000年研制的正壓漏孔校準(zhǔn)裝置定容室為33mL，定容法測量下限在10^-6Pa·m³/s由于定容室要連接正壓漏孔，壓力測量儀器（一般為差壓式電容薄膜規(guī)），充氣接口（為定容室充1個大氣壓N₂氣），尤其是在恒壓法校準(zhǔn)時還要連接活塞及配套電機(jī)，所以需要較大的外部安裝空間，這就與減小定容室的容積產(chǎn)生了矛盾，一般的做法是優(yōu)化管道設(shè)計，減小連接管道的長度。根據(jù)實際設(shè)計和計算，這種情況下定容室容積最小只能設(shè)計到15mL左右，而且還不含與正壓漏孔的連接容積以及電容薄膜規(guī)自身的管道容積，不能滿足要求。為此，我們提出了如下的優(yōu)化設(shè)計方法，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示：用不銹鋼制作外型為立方體的變?nèi)菔抑黧w，在變?nèi)菔抑黧w內(nèi)部開一個截面直徑小于2mm 的圓柱體孔，將用于安裝壓力計、正壓漏孔和活塞的連接管道按設(shè)計需求焊接在變?nèi)菔抑黧w上，且連接管道與圓柱體孔內(nèi)部連通，在電容薄膜規(guī)的管道及其它標(biāo)準(zhǔn)連接管道（內(nèi)徑4.3 mm）中放置直徑4mm的實心不銹鋼圓柱體進(jìn)一步降低管道容積。

1,10.螺母 2，9.標(biāo)準(zhǔn)管道 3.變?nèi)菔抑黧w 4.變?nèi)菔覂?nèi)孔 5 活塞卡套接頭 6，8.內(nèi)孔通道7.檔板

圖2 定容室結(jié)構(gòu)

　　這種方法的優(yōu)點是在有效增大變?nèi)菔彝饷娣e的基礎(chǔ)上減小了變?nèi)菔业膬?nèi)部容積，可以使正壓漏孔漏率的測量下限擴(kuò)展到10^-7Pa·m³/s及以下，并且為正壓漏孔、壓力計、活塞及控制電機(jī)的安裝提供了充分的空間，提高了設(shè)計的靈活性。根據(jù)設(shè)計和理論計算，定容室的容積在6mL左右，再考慮到連接正壓漏孔時附加的1~2mL容積，這個容積值還是比較理想的。