分壓強(qiáng)質(zhì)譜計(jì)校準(zhǔn)裝置采用動(dòng)態(tài)直接測(cè)量法和衰減壓強(qiáng)的分子流動(dòng)態(tài)進(jìn)樣法，測(cè)量混合氣體的分壓強(qiáng)，可以對(duì)質(zhì)譜計(jì)的靈敏度、圖樣系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行樣準(zhǔn)，以保證質(zhì)譜計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

　　測(cè)量不確定度是校準(zhǔn)裝置的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，而測(cè)量不確定度必須通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估。自分壓強(qiáng)質(zhì)譜計(jì)校準(zhǔn)裝置建成后，進(jìn)行了長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)研究，特別在關(guān)鍵的參考標(biāo)準(zhǔn)—磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)性能方面，積累了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、切向動(dòng)量傳遞系數(shù)隨氣體種類(lèi)和溫度的變化等。并在此基礎(chǔ)上，充分考慮其他影響量的影響。本文按近年國(guó)際上的推薦，采用協(xié)調(diào)一致的在“測(cè)量不確定度表示導(dǎo)則”中表述的“不確定度”概念及其評(píng)定方法，對(duì)分壓強(qiáng)質(zhì)譜計(jì)校準(zhǔn)裝置的不確定度進(jìn)行了嚴(yán)格評(píng)估。

1、裝置的組成和工作原理

　　分壓強(qiáng)質(zhì)譜計(jì)校準(zhǔn)裝置工作原理簡(jiǎn)圖如圖1所示，主要由供氣系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、校準(zhǔn)室和抽氣系統(tǒng)等幾部分組成。供氣系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)共有相同的三路，圖中只畫(huà)出其中一路。

　　抽氣系統(tǒng)由機(jī)械泵(1)，分子泵(4,6)，濺射離子泵(7)等組成。校準(zhǔn)室由上球室(14)，下球室(10),真空規(guī)(13,15)組成。進(jìn)樣系統(tǒng)由角閥(16)，小孔(17)，針閥(20)，穩(wěn)壓室(21)，磁縣浮轉(zhuǎn)子規(guī)(19)組成。供氣系統(tǒng)由機(jī)械泵(26)，氣瓶(27)，電磁閥(23,24)，減壓閥(25)組成。校準(zhǔn)裝置的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和工作原理有文獻(xiàn)報(bào)道^[1]，在此不再詳細(xì)介紹。

2、測(cè)量不確定度評(píng)定^[2]

　　分壓強(qiáng)測(cè)量不確定度的主要來(lái)源有:(1)壓強(qiáng)測(cè)量不確定度;(2)磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)長(zhǎng)期穩(wěn)定性不高;(3)磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)傳遞系數(shù)隨氣體的變化;(4)磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)傳遞系數(shù)隨溫度的變化;(5)溫度變化對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)指示壓強(qiáng)的影響。

2.1、壓強(qiáng)測(cè)量不確定度

(1) 動(dòng)態(tài)直接測(cè)量法不確定度的評(píng)定

　　只通入一路氣體時(shí)形成的分壓強(qiáng)為Pt，測(cè)量不確定度為ut，這時(shí)壓強(qiáng)測(cè)量不確定度就是校準(zhǔn)室上磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)的測(cè)量不確定度。根據(jù)磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)校準(zhǔn)證書(shū)，擴(kuò)展不確定度U=0.80%(k=2)，即u(p1) =0.40%。其自由度v1用B類(lèi)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不確定度的自由度近似公式計(jì)算，見(jiàn)公式(1)，下文中B類(lèi)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不確定度的自由度均由此式計(jì)算。

中：--表示u(xi)值的不可靠度。

　　u(p₁)來(lái)自校準(zhǔn)證書(shū)，假設(shè)其100%可靠，則其自由度。v1=∞。

　　通入第二路氣體時(shí)此路氣體產(chǎn)生的分壓強(qiáng)為p₂，測(cè)量不確定度為u(p₂)，設(shè)兩路氣體產(chǎn)生的總壓強(qiáng)為p₁₊₂，則p₂=p₁₊₂ -p₁。根據(jù)不確定度評(píng)定方法，當(dāng)被測(cè)量的函數(shù)形式為Y= A₁X₁+A₂X₂+..+A_NX_N時(shí)，被測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u_e(y)用公式(2)計(jì)算。

(2)

　設(shè)u(p₁)是校準(zhǔn)室上磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)測(cè)量一種氣體的不確定度，為0.40%。u(p₂)是校準(zhǔn)室上磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)測(cè)量第二種氣體的不確定度，為了減小此測(cè)量不確定度，在調(diào)節(jié)第二路氣體的分壓強(qiáng)時(shí)，使p₁₊₂≥2p₁，為保守起見(jiàn)，以p₁₊₂=2p₂為例，則u(p₂)=√4·u₂(p₁)+(-1) 2u₂(p₁)=0.89%。由于。u(p₂)100%可靠，則自由度。v2=∞。

　　當(dāng)通入第三路氣體時(shí)，情況與通入第二路氣體時(shí)類(lèi)似，第三路氣體的分壓強(qiáng)為p₃=p₁₊₂₊₃-p₁₊₂同上述標(biāo)準(zhǔn)不確定度分析方法，可得測(cè)量第三種氣體的不確定度u(p3)=0.89%。自由度 v3=∞。

(2) 衰減壓強(qiáng)的分子流動(dòng)態(tài)進(jìn)樣法不確定度的評(píng)定

　　用衰減壓強(qiáng)的分子流動(dòng)態(tài)進(jìn)樣法計(jì)算分壓強(qiáng)時(shí)，三路氣體在校準(zhǔn)室形成的分壓強(qiáng)的測(cè)量不確定度的計(jì)算方法相同，以第一路為例，設(shè)R為第一路進(jìn)樣系統(tǒng)的流導(dǎo)比，p1為第一路的上游室壓強(qiáng)，p2為第一路氣體在校準(zhǔn)室中產(chǎn)生的分壓強(qiáng)，則p2由公式(3)計(jì)算:

　　p₂=p₁×R=p₁×p'₂/p'₁ (3)

式中 : p'₂-為測(cè)量流導(dǎo)比時(shí)校準(zhǔn)室的壓強(qiáng);

　　　p'₁-為測(cè)量流導(dǎo)比時(shí)上游室的壓強(qiáng)。

　　根據(jù)數(shù)學(xué)模型和不確定度的傳遞律，當(dāng)數(shù)學(xué)模型為Y=f(x₁,x₂,..,x_n)，且各輸人量獨(dú)立不相關(guān)時(shí)，被測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(y)用公式(4)計(jì)算:

(4)

　　根據(jù)公式(4)可推出p₂的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u_c1,_r(p₂)，用公式(5)計(jì)算:

u(p'₂)/p'₂是校準(zhǔn)室上磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)測(cè)量p'₂的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，為.40%。u(p₁)/p₂,u(p'₁)/p'₁是上游室磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)測(cè)量p₁,p'₁的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，均為0.40%，故uc_1,r(p2)為0.69%。有效自由度v₄用式(6)計(jì)算，由于各自由度分量均為∞，則v₄=∞。

（6）

　　第2、3路進(jìn)樣系統(tǒng)與第一路相同，其不確定度分析和結(jié)果也完全相同，即用衰減壓強(qiáng)的分子流動(dòng)態(tài)進(jìn)樣法測(cè)量第2、3路氣體成份分壓強(qiáng)的測(cè)量不確定度uc2,r(p2)和uc3,r(p2)均為0.69%，自由度v5、v6均為∞。