復合真空變送器的校準及不確定度分析

/ 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

復合真空變送器，是將電阻測量單元和電離測量單元組合在一個單元內(nèi)，廣泛用于半導體、電子元件、真空爐、冷凍干燥、真空冶煉、真空鍍膜等各種制造設備的低、中、高真空系統(tǒng)的壓力測量和控制。

電阻測量單元通過熱絲電阻的變化反映壓力，輸出信號一般為電壓信號，主要用于粗、低真空的測量；電離測量單元原理基于待測氣體的壓力與氣體電離產(chǎn)生的電流呈正比關(guān)系，輸出信號一般也為電壓信號，主要應用于高真空和超高真空測量[1-3]。復合真空變送器將電阻測量單元和電離測量單元集成在一個規(guī)管中，并采用集成電路實現(xiàn)了電阻測量單元和電離測量單元的自動切換，可通過與顯示器連接來顯示真空壓力，也可通過輸出電壓信號至PLC系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制，克服了傳統(tǒng)的真空規(guī)管必須和顯示器連接才能讀取真空壓力以及用兩個規(guī)管分別測量高低真空壓力的缺陷[4]。復合真空變送器有效地降低了安裝、設置和集成的復雜性，在未來將會得到更為廣泛的應用。因此，復合真空變送器的校準也是真空計量有待解決的一個問題。本文用兩臺校準裝置分別完成了對復合真空變送器的電阻測量單元和電離測量單元的校準，并對測量不確定度進行了評定。

1 校準裝置

圖1為復合真空變送器電阻測量單元校準裝置。其中氮氣源、機械泵、分子泵、標準電容薄膜真空計組組成輸入部分，提供所需的真空度值到電阻測量單元，具體數(shù)值由電容薄膜真空計顯示。電源和數(shù)字多用表組成輸出部分，電源為復合真空變送器電阻測量單元提供電壓，數(shù)字多用表采集變送器在一定真空度值下電阻測量單元轉(zhuǎn)換輸出的直流電壓信號。電阻測量單元的主要測量范圍為10-1～103Pa，可選擇 1 Torr（0.133 kPa）、10 Torr（1.33 kPa）、和100 Torr（13.3 kPa）的電容薄膜真空計組合作為比較標準。

圖1 復合真空變送器電阻測量單元校準裝置

圖2為復合真空變送器電離測量單元校準裝置。該校準裝置輸入部分采用動態(tài)比較法，主要由氮氣源、穩(wěn)壓室、分子泵、機械泵、校準室、下游室、電離真空計、電容薄膜真空計、磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計、磁懸浮分子泵組成，其中磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計顯示校準室標準壓力，測量范圍為10-4～10-1Pa；輸出部分由電源和數(shù)字多用表組成，其中電源為復合真空變送器電離測量單元提供電壓，數(shù)字多用表采集變送器在校準室標準壓力下電離測量單元轉(zhuǎn)換輸出的直流電壓信號。

圖2 復合真空變送器電離測量單元校準裝置

2 校準結(jié)果

典型的復合真空變送器的輸出電壓與對應的真空度之間的關(guān)系為

式中：p—— 真空度值，kPa；

u—— 被測復合真空變送器電阻測量單元在真空度為p時的理論輸出直流電壓值，V；

c、k—— 復合真空變送器電阻測量單元物理常數(shù)

由式（1）可知，真空度值可表示為

復合真空變送器電阻測量單元對應的真空度示值相對誤差為

式中：p'—— 復合真空變送器電阻測量單元對應的真空度示值，kPa；

p—— 實際真空度值，kPa所以復合真空變送器電阻測量單元輸出電壓的示值誤差可表示為

以一種復合真空變送器為例，c= 5.6、k= 0.6，表1給出了不同真空度示值相對誤差δ對應的輸出電壓示值誤差Δu。

表1 不同δ范圍對應的Δu范圍

其中復合真空變送器電阻單元相關(guān)校準規(guī)范[5]示值相對誤差δ要求為-50%≤δ≤50%，對應的Δu為（-0.181 V，0.106 V）；復合真空變送器電離單元相關(guān)校準規(guī)范[6]示值相對誤差δ要求為-60%≤δ≤100%，對應的Δu為（-0.239 V，0.181 V）。

3 不確定度分析

3.1 復合真空變送器電阻測量單元不確定度分析

復合真空變送器電阻測量單元輸出電壓的示值誤差模型為

式中：p—— 標準真空度，kPa；

u'—— 被測復合真空變送器電阻測量單元在標準真空度為p時的實際輸出直流電壓值，V；

u—— 被測復合真空變送器電阻測量單元在標準真空度為p時的理論輸出直流電壓值，V；

c、k—— 復合真空變送器電阻測量單元物理常數(shù)

由式（5）可知，復合真空變送器電阻測量單元測得結(jié)果的標準不確定度主要由標準真空度p的標準不確定度和實際輸出直流電壓值u'的標準不確定度組成，標準真空度p由標準薄膜真空計組獲得，實際輸出直流電壓值u'由數(shù)字多用表獲得。在實際測量過程中，一般連續(xù)多次測量，取平均值作為測量結(jié)果，所以復合真空變送器電阻測量單元測得結(jié)果的標準不確定度，主要由標準薄膜真空計組引入的標準不確定度和數(shù)字多用表引入的標準不確定度以及測量重復性引入的標準不確定度組成。

3.1.1 測量重復性引入的標準不確定度u(u1' )

在相同的測量情況下，對某種復合真空變送器在1.00 Pa重復做10次測量，測量結(jié)果為5.60 V、5.59 V、5.59 V、5.58 V、5.58 V、5.60 V、5.58 V、5.60 V、5.58 V、5.58 V，該過程屬于A類不確定度評定，則標準不確定度為

3.1.2 標準薄膜真空計組引入的標準不確定度u(p)

標準薄膜真空計組在1.00 Pa時的相對擴展不確定度Urel= 2%（k= 2），所以此項引入的相對標準不確定度為urel(p) = 1%。

則輸入量p的標準不確定度為

3.1.3 數(shù)字多用表的標準不確定度u(u2' )

數(shù)字多用表在10 V檔的最大允許誤差為±0.000 9 V，屬于均勻分布，則

3.1.4 合成標準不確定度

根據(jù)式（5）可知

表2為標準不確定度分量匯總表。

表2 復合真空變送器電阻測量單元標準不確定度分量匯總表

各分量之間彼此獨立，所以合成標準不確定度為

取包含因子k= 2，擴展不確定度為

U= 0.02 V(k= 2)

3.2 復合真空變送器電離測量單元不確定度分析

3.2.1 測量重復性引入的標準不確定度u(u1' )

在相同的測量情況下，對復合真空變送器在8.40×10-4Pa重復做10次測量，測量結(jié)果為3.76 V、3.75 V、3.75 V、3.75 V、3.74 V、3.76 V、3.75 V、3.76 V、3.76 V、3.74 V。該過程屬于A類不確定度評定，則標準不確定度為

3.2.2 磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計引入的標準不確定度u(p)

復合真空變送器電離測量單元與電阻測量單元的數(shù)學模型是一樣的，唯一不同的是電阻測量單元的標準真空度值由標準薄膜真空計組獲得，而電離測量單元的標準真空度值由磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計獲得，所以標準真空度p的標準不確定度來源于磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計。磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計示值相對誤差為±1%，屬于均勻分布，則磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計引入的相對標準不確定度urel(p)為

則輸入量p的標準不確定度為

3.2.3 數(shù)字多用表的標準不確定度u(u2' )

表3為標準不確定度分量匯總表。

表3 復合真空變送器電離測量單元標準不確定度分量匯總表

各分量之間彼此獨立，所以合成標準不確定度為

取包含因子k= 2，擴展不確定度為

4 結(jié)語

本文根據(jù)復合真空變送器的測量原理和測量范圍，建立了兩種測量裝置分別對復合真空變送器的電阻測量單元和電離測量單元進行校準，測量范圍為10-4～105Pa，并通過復合真空變送器的輸出電壓與對應的真空度之間的關(guān)系，分別分析了電阻測量單元和電離測量單元的不確定度。以某種復合真空變送器為例，電阻測量單元和電離測量單元測量結(jié)果的擴展不確定度均為0.02 V（k= 2）。結(jié)果表明，這兩套裝置可以很好地完成對復合真空變送器的校準。

[1]朱武，干蜀毅. 真空測量與控制[M]. 合肥：合肥工業(yè)大學出版社，2008.

[2]王遜. 常用真空計的測量范圍及其性能[J]. 真空，2004，41（4）：47-48.

[3]李得天，陳旭，于紅燕，等. 中國真空計量發(fā)展概述[J]. 真空與低溫，2004，10（1）：6-16.

[4]張書令，許紅. Pirani真空變送器的校準[J]. 上海計量測試，2011（6）：22-24.

[5]全國壓力計量技術(shù)委員會 . JJF 1050-1996[S]. 北京：中國計量出版社，1996.

[6]全國壓力計量技術(shù)委員會 . JJF 1062-1999[S]. 北京：中國計量出版社，1999.