定容式气体微流量标准装置的不确定度分析

　　1引言^[1~2]

　　作为一种气体流量仪表,热容式质量流量计广泛应用于电子工艺设备、镀膜、真空冶炼和光导纤维的制造中。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变容变压法。这里设计的气体微流量标准装置采用定容法工作原理。

　　气体流量Q的定义为单位时间通过给定截面的气体量

　　式中Q为气体压力，p和体积v的乘积对时间的导数，由式(1)可得：

　　定容式气体微流量标准装置的工作原理是在体积恒定的情况下测量压力的变化率，气体流量Q为体积与压力的变化率的乘积。因此式(2)可转化为式(3)

　　由于该标准装置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(101.3 kPa,参考温度为0℃,标准毫升每分钟),1 SCCM约为1.7×10^-3Pa·m³·s^-1(文中流量单位均为SCCM)。忽略校准过程中的温度变化,可得

　　式中Q为气体质量流量,SCCM;T为校准室内气体温度,℃;Δp为校准室内压力差, Pa;Δt为气体填充系统的时间间隔,s;V为系统总体积,L。

　　2标准装置

　　2.1标准装置简介

　　图1为设计的定容式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。采用120型高精度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。V1是连接校准室与真空泵的阀门。V2是旁通阀,用以稳定气体流量。打开V3可以将被校质量流量计与校准室连通。通过V4可以向校准室填充气体。标准装置通过V5、V6、V7、和V8接入4个被校质量流量计,分别对应于通道1、通道2、通道3、通道4。泄漏安全阀用以保护满量程为133.3 kPa的电容薄膜规,当校准室压力高于160 kPa时,将自动打开放气。高压气瓶通过减压阀V13向填充气体气瓶和校准气体气瓶供气。打开V11,高压气瓶向填充气体气瓶充气,填充压力由压力表1测量。打开V12,高压气瓶通过针阀V10向校准气体气瓶充气,校准气体的压力由压力表2测量。

　　2.2工作原理

　　校准时,首先应稳定质量流量计的被校流量。打开相应通道的隔断阀和V2,将流量调节到设定点并稳定一段时间。被校流量稳定后,打开V1,关闭V2,打开V3,校准气体通过被校质量流量计开始流入校准室,达到动态平衡压力后测量校准室的压力,同时关闭V1。接着,校准气体通过被校质量流量计继续流入校准室,校准室压力随之不断上升,当压力达到一定值时关闭质量流量计内部的流量调节阀。待校准室温度和压力达到平衡时分别测量温度和压力。