氣體微流量測量技術(shù)的國內(nèi)研究的進(jìn)展

2010-03-26 張滌新 蘭州物理研究所

　　國內(nèi)對氣體微流量計的研究方面開始于上世紀(jì)九十年代，經(jīng)過近二十年的發(fā)展，已相繼研制了三代恒壓式氣體微流量計和定容式流量計。最具有代表性的實驗室有中國計量院(NIM)和國防科技工業(yè)真空一級計量站(LIP)。

1、中國計量院(NIM)

　　中國計量院研制的漏率標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)采用了定容式流量計，如圖1 所示。定容式流量計采用兩個定容室，容積分別為70.53 ml 和623.91 ml，測量較小流量時使用小容積，測量較大流量時使用大容積，通過測量定容室中的壓力隨時間下降的速率而獲得流量，其測量范圍為1×10- 6～2×10- 4 Pa·m3/s。為擴(kuò)展測量下限，采用分流法，其分流比為5×10- 3。分流后的測量范圍為5×10- 9～1×10- 6 Pa·m3/s，相應(yīng)不確定度為9%～1%。由于流量計為定容式流量計，所得流量值是平均流量，使流量很難調(diào)到與被校漏孔的漏率值相等，這就要求四極質(zhì)譜計不但要有高穩(wěn)定度，還要求有好的線性。

漏率標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)原理圖

圖1 漏率標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)原理圖

2、國防科技工業(yè)真空一級計量站(LIP)

　　國防科技工業(yè)真空一級計量站已研制了兩代活塞式液壓驅(qū)動波紋管結(jié)構(gòu)的恒壓式流量計，1994 年研制的第一代活塞式液壓驅(qū)動波紋管恒壓流量計，如圖2 所示。該流量計有兩套壓力補(bǔ)償系統(tǒng)， 活塞的直徑分別為Φ10 mm 和Φ25 mm；采用了精密導(dǎo)軌平動機(jī)構(gòu)，保證了壓力補(bǔ)償效果；在活塞位移測量中，采用了精密光柵測長技術(shù)；流量測量過程實現(xiàn)了計算機(jī)控制和校準(zhǔn)過程的部分自動化管理；測量與控制系統(tǒng)將差壓值控制在小于變?nèi)菔覊毫χ档?.01%；采用直接測量法和比對法對氣體微流量進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)范圍為(1×10- 2～1×10- 8) Pa·m3/s，不確定度小于2%。

真空一級計量站第一代恒壓式流量計示意圖

圖2 真空一級計量站第一代恒壓式流量計示意圖

　　2003 年研制的第二代活塞式液壓驅(qū)動波紋管恒壓流量計，如圖3 所示，采用一套壓力補(bǔ)償系統(tǒng)，可用數(shù)字PID 或壓力波動恒壓控制模式測量流量。漏放氣率為6.0×10- 11 Pa·m3/s，滿足了流量測量下限的要求。活塞運(yùn)動速度的平穩(wěn)性非常好，速度波動在0.03%以下。采用恒壓法和固定流導(dǎo)法測量流量，測量范圍是（2.96×10- 9～4.76×10- 4）Pa·m3/s，不確定度1%～4%。采用該流量計校準(zhǔn)真空漏孔校準(zhǔn)，其結(jié)果與德國PTB 校準(zhǔn)結(jié)果的一致性好于1.3%。

真空一級計量站第二代恒壓式流量計示意圖

圖3 真空一級計量站第二代恒壓式流量計示意圖

　　目前，根據(jù)實際中所需的流量要求，在參考國內(nèi)外流量計的技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，正在研制第三代恒壓式流量計，其原理圖如圖4。該流量計的主體結(jié)構(gòu)部分選擇了全金屬波紋管密封結(jié)構(gòu)，避免了液壓油引起的誤差；變?nèi)菔也捎靡簤撼尚筒y管形式，可以進(jìn)行整體烘烤，有利于減小內(nèi)表面的放氣率，以降低流量的測量下限。可以采用恒壓式、定容式及固定流導(dǎo)式三種工作模式，測量范圍為（10- 3～10- 11）Pa·m3/s。該流量計研制工作正在進(jìn)行之中。

真空一級計量站第三代恒壓式流量計示意圖

圖4 真空一級計量站第三代恒壓式流量計示意圖

　　此外，2003 年還研制了一臺定容式流導(dǎo)法氣體微流量校準(zhǔn)裝置，如圖5 所示。該校準(zhǔn)裝置采用直接測量法和固定流導(dǎo)法對真空漏孔進(jìn)行校準(zhǔn)，測量范圍為（5×10- 2～5×10- 11）Pa·m3/s。合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.56%～1.7%。定容式流量計有兩種工作模式，測量流入定容室的氣體流量，稱為流量流入法；氣體流量從定容室中流出，向外提供標(biāo)準(zhǔn)流量，稱為流量流出法；校準(zhǔn)過程基本實現(xiàn)了計算機(jī)控制，自動采集和處理數(shù)據(jù)；采取絕熱恒溫的方法，有效地減小了溫度波動引起的虛流量，提高了流量的測量精度；采用了分壓力的測量技術(shù)，避免了流量比較系統(tǒng)的極限真空度的限制，延伸了流量的校準(zhǔn)下限；在固定流導(dǎo)法中，解決了小孔制作和固定流導(dǎo)的精確測量問題，可提供與真空漏孔基本相同的流量進(jìn)行比較，用四極質(zhì)譜計測量示漏氣體，利用了四極質(zhì)譜計的短期穩(wěn)定性，避免了四極質(zhì)譜計線性引起的測量不確定度，提高了流量的測量精度。

真空一級計量站定容式流導(dǎo)法氣體微流量校準(zhǔn)裝置示意圖

圖5 真空一級計量站定容式流導(dǎo)法氣體微流量校準(zhǔn)裝置示意圖

　　為了驗證定容式流導(dǎo)法微流量校準(zhǔn)裝置的性能，采用該定容式流量計與第二代恒壓式流量計同時校準(zhǔn)一支滲氦型真空漏孔，校準(zhǔn)結(jié)果的偏差為0.89%，由此證明兩種不同工作原理的流量計具有很好的一致性。