气体质量流量计的校准研究

　　1　引言

　　作为一种用于气体的质量流量进行测量和控制的仪器,气体质量流量计广泛应用半导体微电子工业、特种材料研制、化学工业、石油工业、医药、环保和真空等多种领域的科研和生产中有着重要的应用。为了保证质量流量计测量的可靠性,国内外许多实验室都建立了校准质量流量计的标准装置,采用的工作原理主要有定容法和恒压法,将气体质量流量计流出的被校流量引入定容室,测量单位时间内定容室内压力变化而获得标准流量的方法就是定容法;将气体质量流量计流出的被校流量引入变容室,测量单位时间内压力不变情况下变容室体积变化而获得标准流量的方法就是恒压法。由于恒压法校准装置结构复杂,操作负责,不易推广;定容法校准装置结构简单,操作简单,因此气体质量流量计的校准主要采用定容法。

　　2　校准原理及装置

　　2. 1　校准原理

　　定容法校准气体微流量流量公式为公式

　　由于该方法主要校准的是质量流量计,需要将流量单位转换为质量流量单位sccm(1ATM,参考温度为0℃,标准毫升每分钟), 1sccm约为1. 7×10-3Pam3/s。忽略校准过程中的温度变化,可得：

　　2. 2　校准装置

　　图1为采用定容法校准气体质量流量计的气体微流量标准装置工作原理图,整套装置由计算机程序控制,实现校准过程的全自动化操作。

　　机械泵是系统的主抽泵,用于对校准室抽气。校准室是体积为8842. 24 ml的圆柱型不锈钢容器。主标准器为120型电容薄膜规测量校准室内气体压力。铂电阻温度计用于测量校准室内温度。阀门(V1~V13)用于连接或断开管道。高压气瓶(C1~C3)用于提供和回收校准气体供气。压力表1表2测量气瓶压力。MFC为被校质量流量计。该装置测量范围为(1×10-3~10)Pam3/s,不确定度小于1. 2%。

　　3　质量流量计计量特性研究

　　3. 1　质量流量计的重复性研究

　　通常重复性定义为在相同的测量条件下,对同一被测量连续进行多次测量所得结果之间的一致性。重复性通常用采用贝赛尔公式法计算相对实验标准偏差表征。通过对3支质量流量计的多次重复校准,质量流量计有较好的重复性,从表1可以看出,质量流量计6次重复测量过程中,平均修正因子相对实验标准偏差小于1. 0%。

　　3. 2　质量流量计线性研究

　　在质量流量计全量程范围内,设定全量程的10%, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%点,测量各个点上质量流量计的修正因子,并用相对实验标准偏差表征。通过对3支质量流量计的多次重复校准,质量流量计有较好的线性,从表2可以看出,质量流量计全量程范围内,修正因子相对实验标准偏差小于1. 0%。