恒壓式氣體微流量計(jì)的性能測試
隨著真空科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對氣體微流量的校準(zhǔn)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(zhǔn)確的氣體微流量計(jì)。
目前，德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)已經(jīng)研制到第三代流量計(jì)，測控系統(tǒng)為全自動方式，恒壓控制測量下限達(dá)到10 - 8 Pa·m3 / s，流量校準(zhǔn)下限達(dá)到10 - 10Pa·m3 /s［1，2］。意大利國家計(jì)量研究所(IMGC)也研制了第三代流量計(jì)，測量下限達(dá)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(jì)，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(jìn)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(jì)，本文介紹該流量計(jì)的性能測試結(jié)果。
1、恒壓式氣體微流量計(jì)組成
恒壓式氣體微流量計(jì)原理如圖1 所示，流量計(jì)由兩部分組成：左側(cè)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(diào)節(jié)閥，10 - 角閥，11 - 渦輪分子泵，12 - 機(jī)械泵)，可以測量穩(wěn)壓室及管道壓力，提供N2、He、Ar 等校準(zhǔn)氣體，并對流量計(jì)各部分抽真空；右側(cè)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?nèi)菔遥?8 - 油室，29 -活塞，30 - 調(diào)速裝置)，可以精確測量并提供標(biāo)準(zhǔn)流量，其整體放在一個(gè)恒溫箱內(nèi)以保持溫度恒定。標(biāo)準(zhǔn)流量引入到真空校準(zhǔn)系統(tǒng)后，可用于真空規(guī)或真空漏孔的校準(zhǔn)。
圖1 恒壓式氣體微流量計(jì)原理圖
恒壓式氣體微流量計(jì)的工作原理在真空技術(shù)網(wǎng)內(nèi)已有大量文獻(xiàn)專門闡述[6]，這里不再進(jìn)行討論。
2、實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容及結(jié)果
恒壓式氣體微流量計(jì)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(shí)驗(yàn)研究中有關(guān)流量測量的結(jié)果均由該測控系統(tǒng)提供［7］。
2.1、變?nèi)菔壹肮艿缆┓艢饴实臏y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?nèi)菔壹?a href="http://www.healwit.com.cn/material/pipeline/">管道進(jìn)行長時(shí)間烘烤并抽氣，使達(dá)到本底壓力約10 - 4 Pa。關(guān)閉閥門(19)，用滿量程133 Pa 電容薄膜規(guī)測量變?nèi)菔壹肮艿赖膲毫ψ兓�，用�?1)計(jì)算變?nèi)菔壹肮艿赖穆┓艢饴省?/p>
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?nèi)菔壹肮艿荔w積，單位：m3；Δt—測量時(shí)間，單位：s。
我們進(jìn)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(jì)算出漏放氣率為(1.20× 10 - 6 V)Pa / s，V 為變?nèi)菔殷w積。由于變?nèi)菔殷w積約0.05×10 - 3 m3，所以漏放氣率為6.0×10 - 11Pa·m3 / s，比流量計(jì)的流量測量下限10- 8Pa·m3 / s 低三個(gè)數(shù)量級，滿足流量下限測量要求。
2.2、變?nèi)菔殷w積測量
利用波-馬定律PV = C 測量變?nèi)菔业捏w積。充入變?nèi)菔业膲毫�，要求是即要保證壓力足夠高使體積測量準(zhǔn)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?nèi)菔覊毫1和體積V，讓活塞前進(jìn)一段距離后停止，再測量變?nèi)菔覊毫2和體積變化ΔV，則變?nèi)菔业捏w積V由式(2)計(jì)算。
V = P2ΔV/( P2 - P1) (2)
當(dāng)測量體積時(shí)，變?nèi)菔页淙?791Pa的N2，活塞行走31mm，變?nèi)菔殷w積的測量平均值為56.33 mL。
2.3、活塞運(yùn)動速度的平穩(wěn)性測試
活塞運(yùn)動速度的平穩(wěn)性關(guān)系到流量測量的準(zhǔn)確性，如果在活塞運(yùn)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(shí)現(xiàn)�；钊\(yùn)動平穩(wěn)是測量流量的前提�；钊\(yùn)動速度的設(shè)計(jì)指標(biāo)是(0.1 ～對活塞在以下三個(gè)速度的運(yùn)動平穩(wěn)性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別是0.003、0.100、0.667 mm/ s。其中，0.003mm/ s 和0.667mm/ s 為活塞運(yùn)動的最小和最大速度，0.100 mm/ s 為活塞運(yùn)動的最佳速度，對這三個(gè)速度進(jìn)行測量，具有一定代表性。測試方法是，用測控軟件設(shè)置活塞運(yùn)動速度，并測量反饋脈沖，由反饋脈沖計(jì)算活塞的運(yùn)動速度。
測量結(jié)果表明，活塞運(yùn)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(dān)著傳遞變?nèi)菔殷w積變化的任務(wù)，直接關(guān)系到流量測量的準(zhǔn)確性。如果油中有氣泡，會導(dǎo)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(jī)械泵對油室進(jìn)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(shí)間內(nèi)的氣泡個(gè)數(shù)來分析油室中的氣體量。在30 min 的觀測時(shí)間內(nèi)，氣泡個(gè)數(shù)為2 個(gè)，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(jìn)一定距離，用式
(3)計(jì)算油傳遞靈敏度Os。
Os =ΔV/V=ΔP/P=k(3)
式中：ΔV—變?nèi)菔殷w積變化，單位：m3；V—變?nèi)菔殷w積，單位：m3；ΔP—變?nèi)菔覊毫ψ兓瑔挝唬篜a；P—變?nèi)菔覊毫�，單位：Pa。
流量計(jì)使用一段時(shí)間后，假定液壓油含有一定氣體，用式(3)再次計(jì)算油傳遞靈敏度，設(shè)兩次靈敏度值分別為k1和k2，則油傳遞修正系數(shù)δ：
