電離真空計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度評(píng)定

歐雷

(中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川成都610091)

0 引言

真空技術(shù)作為實(shí)用基礎(chǔ)技術(shù)近幾年在工藝制造的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，該技術(shù)有利于除氣、熱處理、焊接、鍍膜、電子束等生產(chǎn)工藝中技術(shù)難點(diǎn)的解決，特別是特種試驗(yàn)及特種工藝過(guò)程中大量應(yīng)用了真空技術(shù)，真空量值是否準(zhǔn)確，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量。在真空測(cè)量中，電離規(guī)是最主要的一種規(guī)型，在低壓力氣體中，氣體分子被電離所生成的正離子數(shù)通常是與氣體分子密度成正比的，利用此關(guān)系可以制作成各種類型的電離真空規(guī)，不同類型的電離真空規(guī)配合使用所測(cè)量的壓力范圍，幾乎可以覆蓋從大氣壓起直到目前所能測(cè)量的最低壓力［1］。

電離真空計(jì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的安裝、環(huán)境條件與實(shí)驗(yàn)室存在一定差異，實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)不能完全復(fù)現(xiàn)被測(cè)儀表現(xiàn)場(chǎng)使用狀態(tài)，存在一定的修正誤差，隨著制造工藝水平的發(fā)展，PLC控制等程控技術(shù)更多地用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，其真空規(guī)管配套的工控機(jī)不能拆卸，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)能解決這些校準(zhǔn)難題［2］。合理地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)測(cè)得值進(jìn)行不確定度評(píng)定，有利于評(píng)估校準(zhǔn)效果，為科研生產(chǎn)提供計(jì)量保障。

1 測(cè)量概述

1.1 測(cè)量依據(jù)

JJF1062-1999《電離真空計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》。

1.2 測(cè)量方法

電離真空計(jì)校準(zhǔn)在現(xiàn)場(chǎng)使用絕對(duì)真空規(guī)比對(duì)校準(zhǔn)裝置，采用動(dòng)態(tài)相對(duì)法原理，在球形校準(zhǔn)室中建立起動(dòng)態(tài)平衡壓力，用標(biāo)準(zhǔn)電離真空計(jì)和被校電離真空計(jì)同時(shí)測(cè)量校準(zhǔn)室中的同一壓力值，進(jìn)行直接比對(duì)。

1.3 測(cè)量模型

被校電離真空計(jì)示值的計(jì)算公式為

但考慮到現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)環(huán)境復(fù)雜，校準(zhǔn)過(guò)程中氣體分子分布不均勻、動(dòng)態(tài)比對(duì)不穩(wěn)定性等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，以黑箱模型的方式寫(xiě)入測(cè)量模型后［3］，式(1)成為

式中:pR為被校電離真空計(jì)測(cè)得的量值;pS為標(biāo)準(zhǔn)電離真空計(jì)參考量值;ΔP為被校電離真空計(jì)示值的影響量;pJ為氣體分子分布不均勻的影響量;pB為動(dòng)態(tài)比對(duì)不穩(wěn)定性的影響量;pD為本底壓力的影響量;pT為環(huán)境溫度的影響量;pL為被校電離真空計(jì)零點(diǎn)漂移的影響量。

1.4 已知條件

1)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器:選用GP370型標(biāo)準(zhǔn)電離真空計(jì)，測(cè)量范圍(5×10-4～1×10-1)Pa，擴(kuò)展不確定度為1.1%～3%。

2)被校對(duì)象:選用ZDF型熱陰極電離真空計(jì)，測(cè)量范圍(5×10-4～1×10-1)Pa。

3)校準(zhǔn)裝置:測(cè)量范圍(3×10-4～2×102)Pa的CAC-ZK-01大型真空工藝設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)測(cè)試與校準(zhǔn)裝置，擴(kuò)展不確定度為3%～10%。

4)測(cè)量條件:現(xiàn)場(chǎng);環(huán)境溫度為20.0℃，相對(duì)濕度為60%RH。

2 不確定度分量

2.1 標(biāo)準(zhǔn)電離真空計(jì)參考量值引入的不確定度分量u(pS)

2.2 氣體分子分布不均勻引入的不確定度分量u(pJ)

校準(zhǔn)裝置的真空校準(zhǔn)室采用球形容器，完全克服了氣體分子的束流效應(yīng)，在容器內(nèi)建立各向同性的均勻分子流場(chǎng)，但也存在一定的分布不均勻。采用不確定度的B類評(píng)定，根據(jù)資料，對(duì)于高真空狀態(tài)下球形容器氣體分子在球的赤道附近密度不均勻性一般小于0.3%，即9×10-5Pa，估計(jì)均勻分布，取包含因子k

2.3 動(dòng)態(tài)比對(duì)不穩(wěn)定性引入的不確定度分量u(pB)

在校準(zhǔn)過(guò)程中，動(dòng)態(tài)比對(duì)時(shí)注入校準(zhǔn)氣體后會(huì)造成校準(zhǔn)室內(nèi)壓力波動(dòng)，影響壓力示值的測(cè)量。采用不確定度的B類評(píng)定，根據(jù)上級(jí)檢定部門對(duì)出具的校準(zhǔn)裝置檢定證書(shū)數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)室1分鐘壓力穩(wěn)定度為0.2%，即6×10-5Pa，估計(jì)均勻分布，取包含因子

2.4 本底壓力引入的不確定度分量u(pD)

2.5 環(huán)境溫度影響引入的不確定度分量u(pT)

2.6 被校電離真空計(jì)零點(diǎn)漂移引入的不確定度分量u6(pL)

2.7 被校電離真空計(jì)示值引入的不確定度分量u(ΔP)

2.7.1 不確定度分量來(lái)源

不確定度分量來(lái)源包括測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性以及有限分辨力，被測(cè)儀器的有限分辨力會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性測(cè)量有影響。在測(cè)量不確定度評(píng)定中，當(dāng)重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量大于被測(cè)儀器的有限分辨力所引入的不確定度分量時(shí)，可以不考慮有限分辨力所引入的不確定度分量［4］。

2.7.2 被校電離真空計(jì)有限分辨力引入的不確定度分量u7(ΔP)1

2.7.3 測(cè)量結(jié)果重復(fù)性引入的不確定度分量u(ΔP)2

按照校準(zhǔn)規(guī)范的要求，在重復(fù)條件下連續(xù)對(duì)被校真空計(jì)作3次測(cè)量，以3次示值的算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果，測(cè)得重復(fù)性數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。根據(jù)不確定度A類評(píng)定，選取重復(fù)性差值最大的3×10-2Pa校準(zhǔn)點(diǎn)，由極差法計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，按公式(3)計(jì)算不確定度［5］

式中:xmax為在同一校準(zhǔn)點(diǎn)上測(cè)得的最大值;xmin為在同一校準(zhǔn)點(diǎn)上測(cè)得的最小值;dn為為極差法的系數(shù);n為重復(fù)測(cè)量的次數(shù)。

其中，d3=1.69。

計(jì)算得:u(ΔP)2=6.8×10-4Pa。

表1 重復(fù)性數(shù)據(jù) Pa

2.7.4 選取不確定度分量u(ΔP)

由于重復(fù)性引入的不確定度分量包含有限分辨力的影響，為避免重復(fù)計(jì)算，只引入最大影響量u(ΔP)2，舍棄較小的影響量u(ΔP)1，則-4

3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc

3.1 不確定度分量匯總表

主要不確定度分量匯總表見(jiàn)表2。

表2 主要不確定度分量匯總表

3.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算

以上引入各項(xiàng)不確定度分量的因素獨(dú)立互不相關(guān)的，按公式(4)計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度［6］

式中:uc(pR)為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度;u(pS)為標(biāo)準(zhǔn)電離真空計(jì)參考量值引入的不確定度;u(pJ)為氣體分子分布不均勻性引入的不確定度;u(pB)為動(dòng)態(tài)比對(duì)不穩(wěn)定性引入的不確定度;u(pD)為本底壓力引入的不確定度;u(pT)為環(huán)境溫度影響引入的不確定度;u(pL)為被校電離真空計(jì)零點(diǎn)漂移引入的不確定度;u(ΔP)為被校電離真空計(jì)示值引入的不確定度。

計(jì)算得

4 擴(kuò)展不確定度計(jì)算

取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度為

計(jì)算相對(duì)擴(kuò)展不確定度，得

5 結(jié)論

本文對(duì)電離真空計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的影響量進(jìn)行分析，建立包括黑箱模型的測(cè)量模型，按照規(guī)程要求作三次測(cè)量，采用極差法計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差，對(duì)測(cè)得值進(jìn)行不確定度評(píng)定，該評(píng)定方法可為專業(yè)計(jì)量人員提供參考，但還需進(jìn)一步完善。

［1］達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)(第3版)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

［2］歐雷.前端泄壓在現(xiàn)場(chǎng)壓力校準(zhǔn)中的應(yīng)用［J］.計(jì)測(cè)技術(shù)，2013，33(S1):67-68.

［3］倪育才.實(shí)用測(cè)量不確定度評(píng)定(第4版)［M］.北京:中國(guó)質(zhì)檢出版社，2014.

［4］中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì).一級(jí)注冊(cè)計(jì)量師基礎(chǔ)知識(shí)及專業(yè)實(shí)務(wù)(第3版)［M］.北京:中國(guó)質(zhì)檢出版社，2013.

［5］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF1059-2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示［S］.北京:中國(guó)質(zhì)檢出版社，2012.

［6］中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)壓力計(jì)量專業(yè)委員會(huì)組.壓力測(cè)量不確定度評(píng)定評(píng)定實(shí)例［M］.北京:中國(guó)質(zhì)檢出版社，2012.