現(xiàn)場真空校準裝置的設(shè)計

馮 焱，孫雯君，成永軍，趙 瀾

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅蘭州730000)

1 引言

在日常的校準工作中，許多單位提出希望對其使用的真空計進行現(xiàn)場校準。例如，在運載火箭共底壓力測量中使用的放射性電離真空計［1］，經(jīng)過實驗室校準投入使用后的這段時間內(nèi)，無法再次送校。再如，生產(chǎn)線上有大量的真空計，分期分批送校的工作量大、周期長，還要影響生產(chǎn)進度［2］。這種情況下，真空計的技術(shù)指標是否還能滿足要求，測量數(shù)據(jù)是否準確可靠，都需要通過現(xiàn)場校準來保障。

現(xiàn)場真空校準裝置適用于特殊環(huán)境和條件下的真空校準，與實驗室校準裝置相比有一些不同。首先，裝置設(shè)計時需要考慮質(zhì)量、體積等指標。但是，小型化的真空設(shè)備，如分子泵、機械泵等，其技術(shù)指標要低于普通設(shè)備，所以小型化的要求和提高校準水平本身是矛盾的。另外，裝置設(shè)計時需要考慮其所使用的環(huán)境。如果環(huán)境溫度變化較大時，需要考慮溫度變化對電容薄膜規(guī)、磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)的影響;如果工作環(huán)境存在強震動、強噪聲時，則不能正常使用磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)。

為了解決上述問題，在研究了實驗室校準裝置的設(shè)計原理及方法的基礎(chǔ)上，研制了可用于現(xiàn)場環(huán)境下的真空計校準裝置。該裝置可適應(yīng)復雜的現(xiàn)場環(huán)境，預計可達到10－4～105Pa的校準范圍，還具有質(zhì)量輕、體積小、便于攜帶的特點?，F(xiàn)場真空校準裝置的建立，既方便了客戶，又可以保障產(chǎn)品的質(zhì)量。

2 現(xiàn)場真空校準裝置的設(shè)計

現(xiàn)場真空校準裝置采用了模塊化分體式結(jié)構(gòu)，各功能模塊可進行拆分和組裝，以適應(yīng)不同的現(xiàn)場環(huán)境特點，滿足現(xiàn)場真空計的校準需求。

現(xiàn)場真空校準裝置總體積小于500 mm×450 mm×850 mm，總質(zhì)量小于40 kg，主要由供氣和進樣模塊、抽氣模塊、壓力衰減模塊、壓力測量與校準模塊、烘烤模塊等五部分組成，其原理圖如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場真空校準裝置原理圖

2.1 供氣和進樣模塊

供氣和進樣模塊由高壓氣瓶或氣袋(23)、微調(diào)閥(11)、閥門(22)等組成。根據(jù)現(xiàn)場校準的實際情況，可選擇不使用壓力衰減模塊(5，6，7)直接將氣體引入到校準室(8)中，或使用壓力衰減模塊使氣體經(jīng)上游室(5)和小孔(6)衰減后再引入到校準室中。校準氣體一般使用純度為99.99%的高純氮氣。為了達到便攜的目的，也可不攜帶高壓氣瓶，利用工作現(xiàn)場已有氣體進行校準。

2.2 抽氣模塊

抽氣模塊由分子泵(10)、機械泵(21)、閥門(9、18、19、20)等組成，可對校準室、上游室、各處管道抽真空，也可使用旁路抽氣系統(tǒng)直接對校準室、上游室進行粗抽。為實現(xiàn)校準裝置體積小、質(zhì)量輕、極限真空度高等指標的要求，機械泵選用德國PFEIFFER公司生產(chǎn)的DUO2.5，其質(zhì)量約為10.5 kg;分子泵選用小型泵，其抽速約為80 L/s，質(zhì)量約為2.4 kg;為便于將抽氣系統(tǒng)與真空系統(tǒng)拆卸，分子泵選用KF法蘭接口，便于攜帶和運輸。

2.3 壓力衰減模塊

壓力衰減模塊由上游室(5)、小孔(6)、閥門(7)等組成，該模塊可方便的拆卸和安裝。上游室選用體積為1 L的不銹鋼柱形容器，小孔選用厚度為1 mm，直徑為45 μm的激光小孔，以保證在校準過程中上游室的壓力穩(wěn)定。在使用壓力衰減法進行校準時，需攜帶該模塊。其他情況下，可不攜帶壓力衰減模塊。

2.4 壓力測量與校準模塊

壓力測量與校準模塊由校準室(8)、電容薄膜真空計(13、15、17)、復合真空計(3)、磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計或副標準電離真空計(1)、被校真空計(4)和閥門(2、12、14、16)等組成，可實現(xiàn)對校準室、上游室的壓力監(jiān)測和對被校真空計的校準。

校準室為SUS304L不銹鋼球形結(jié)構(gòu)，直徑約為200 mm，既有利于建立起均勻的、各向同性的分子流場，又便于攜帶。

考慮工作現(xiàn)場溫度、震動等環(huán)境因素和被校真空計校準需求的情況下，選用不同的真空計作為標準真空計。同時，配備便攜式計算機，便于對現(xiàn)場校準數(shù)據(jù)的記錄和計算。

2.5 烘烤模塊

為了使校準室達到較高的極限真空度，設(shè)計了校準室烘烤模塊。該系統(tǒng)由真空容器烘烤加熱帶和溫度控制部分組成，當現(xiàn)場校準需要的真空度較高時，可使用該模塊對校準室進行烘烤，一般情況下可不攜帶。

3 校準方法

考慮到不同環(huán)境條件對真空計校準結(jié)果的影響以及主標準器的使用條件，現(xiàn)場真空校準裝置復合了靜態(tài)比較法、動態(tài)比較法和壓力衰減法3種方法，可實現(xiàn)校準范圍為10－4～105Pa的真空計的校準。根據(jù)現(xiàn)場校準需求和工作環(huán)境狀況，分別選用不同的模塊和方法實現(xiàn)對真空計的校準。

3.1 10－1～105 Pa范圍內(nèi)真空計的校準

當真空計的校準范圍為10－1～105Pa時，選用靜態(tài)比較法實現(xiàn)校準。采用該方法時，可以選用滿量程為133.3Pa(13)和133 333.3 Pa(15)的電容薄膜真空計作為標準真空計，不攜帶其他真空計、壓力衰減模塊及其相關(guān)供氣、抽氣管路;同時，需考慮環(huán)境溫度對電容薄膜真空計的影響。校準前，在實驗室完成不同溫度下電容薄膜真空計的修正實驗，得到其溫度修正曲線。

校準時，校準室抽至小于10－4Pa的本底壓力后關(guān)閉抽氣閥門(9)，打開微調(diào)閥(4)向校準室引入校準氣體。當校準室達到所需的靜態(tài)平衡校準壓力時，關(guān)閉微調(diào)閥，分別記錄電容薄膜真空計和被校真空計的讀數(shù)，二者之比即為被校真空計的校準因子。記錄校準過程中的溫度變化，利用實驗室修正曲線對校準結(jié)果進行修正。

3.2 10－4～10－1Pa 范圍內(nèi)真空計的校準——動態(tài)比較法

當真空計的校準范圍為10－4～10－1Pa，且工作現(xiàn)場無電磁場和強噪音干擾，尤其是震動較小時，可考慮采用動態(tài)比較法實現(xiàn)校準。一般使用磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計［3］作為標準真空計(1);當工作現(xiàn)場環(huán)境不宜使用磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計時，可使用副標準電離真空計作為標準真空計。這種情況下，不攜帶其他真空計、壓力衰減模塊及其相關(guān)供氣、抽氣管路。校準前，在實驗室完成不同溫度下磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計的修正實驗，得到其溫度修正曲線。

校準時，安裝抽氣限流小孔，抽氣閥門處于開啟狀態(tài)，調(diào)節(jié)微調(diào)閥(4)向校準室(5)注入不同流量的氣體增壓進行校準。當校準室達到所需的動態(tài)平衡校準壓力時，關(guān)閉微調(diào)閥，分別記錄標準真空計和被校真空計的讀數(shù)，二者之比即為被校真空計的校準因子。同時，記錄校準過程中的溫度變化，利用修正曲線對校準結(jié)果進行修正。

3.3 10－4～10－1Pa 范圍內(nèi)真空計的校準——壓力衰減法

如果工作現(xiàn)場存在強震動或強磁場時，不能使用磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計或電離真空計作為標準真空計與被校真空計進行比較校準，可考慮選用壓力衰減法實現(xiàn)校準。一般使用電容薄膜真空計(13)作為參考標準，測量上游室的壓力，校準過程中只需考慮溫度的影響。

校準時，調(diào)節(jié)微調(diào)閥(11)向上游室(4)引入校準氣體，使上游室的氣體壓力處于10－1～100 Pa的范圍內(nèi)。若小孔的壓力衰減比為1 000，即可在校準室形成10－4～10－1Pa的壓力范圍。校準室中的壓力滿足

式中 Rp為壓力衰減比，無量綱;p1為上游室壓力，Pa;p2為校準室壓力，Pa。

根據(jù)氣體流動狀態(tài)的判別方法［4］，當珋pd＜0.02 Pa·m時，即為分子流狀態(tài)。其中，珋p為小孔兩端的氣體平均壓力，Pa;d為小孔的直徑，m;p2為校準室壓力，Pa。

不同壓力下珋pd乘積的計算數(shù)據(jù)如表1所列。由表1的理論計算結(jié)果可知，當上游室氣體壓力范圍為10－1～100 Pa時，氣體分子處于分子流狀態(tài)。在這種情況下，只要分別測量校準室和上游室的標準壓力，通過式(2)即可計算得到小孔的壓力衰減比

表1 不同壓力下珔pd乘積的計算數(shù)據(jù)

分別記錄標準真空計和被校真空計的讀數(shù)，將標準真空計的讀數(shù)p1和壓力衰減比Rp的實際測量值帶入式(1)，即可計算得到校準室的標準壓力值。標準壓力值和被校真空計的讀數(shù)之比即為被校真空計的校準因子。

需要說明的是，由于該方法以上游室的真空度為標準壓力，故可在校準室極限真空度為10－6Pa的情況下，將校準下限可延伸至10－5Pa的量級，這方面的工作將另撰文研究。另外，本方法中激光小孔的流導值可用實驗方法和理論方法進行測量和標定［5］。

4 校準裝置的測量不確定度分析

4.1 比較法測量不確定度分析

采用靜態(tài)和動態(tài)比較法進行校準時，校準裝置的不確定度來源主要包括以下幾個方面。1)主標準器的測量不確定度:由一等標準的不確定度、加上隨機校準的不確定度分量合成，估計為1%;2)本底壓力引入的測量不確定度:實際校準時采用氮氣作為校準氣體，要求本底壓力低于最小被校壓力的2個數(shù)量級，這樣本底壓力造成的不確定度分量估計為1%;3)現(xiàn)場環(huán)境影響引入的測量不確定度:現(xiàn)場工作環(huán)境條件不易控制，將對校準結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，不確定度分量估計為6%;4)校準室中壓力波動造成的不確定度，該不確定度分量通過實驗可得到，估計為1%。

以上各分量均不相關(guān)，采用方和根法［6］可得到合成標準不確定度，約為7%。

4.2 壓力衰減法測量不確定度分析

采用壓力衰減法進行校準時，校準裝置的不確定度來源除了包括以上提及的四項來源之外，還包括由于小孔引起的壓力衰減系數(shù)帶來的不確定度，該項不確定度估計為1%。以上各分量均不相關(guān)，采用方和根法可得到合成標準不確定度，約為7%。

綜上所述，現(xiàn)場真空合成標準裝置的校準不確定度估計值為7%。

裝置加工調(diào)試完成后，我們將開展實驗研究工作，實驗結(jié)果將另撰文討論。

5 結(jié)論

現(xiàn)場真空校準裝置的設(shè)計中，復合了靜態(tài)比較法、動態(tài)比較法和壓力衰減法3種真空校準方法，采用了模塊化分體式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了小型化和預期的技術(shù)指標?，F(xiàn)場真空校準裝置的校準范圍預計為10－4～105Pa，合成標準不確定度預估小于7%。該校準裝置的建立，可直接解決現(xiàn)場真空校準的問題，讓真空計量走出校準實驗室，直接為基層服務(wù)。

［1］李莉，趙光平，趙瀾，等.放射性電離真空計的校準方法［J］.真空與低溫，2010，3:174～176.

［2］張滌新.真空計量的需求與發(fā)展［J］.真空與低溫，2007，3:125 ～127.

［3］李正海，李得天.磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)使用中應(yīng)注意的幾個問題［J］.真空與低溫，2003，4:224～227.

［4］達道安.真空設(shè)計手冊第三版［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.102.

［5］張滌新，郭美如，馮焱，等.小孔流導測量方法的研究［J］.真空與低溫，2005，1:22 ～28.

［6］JJF1059－1999，測量不確定度評定與表示［S］.