极小气体流量测量技术研究

　　气体流量测量技术广泛应用于航天型号任务及国民生产各个领域,是真空技术专业的重要研究方向,世界各国都致力于气体流量的测量技术及流量计的研究工作,以期不断扩展测量范围,减小测量不确定度,以满足实际应用的需求。

　　一般情况下,将10^-3~10^-8Pa·m³/s范围的气体流量定义为气体微流量,小于10^-8Pa·m³/s的流量称之为极小气体流量。目前,国内外在气体微流量测量技术研究中均取得了重要进展,以德国联邦物理技术研究院(PTB)、美国国家标准技术研究院(NIST)、意大利国家计量研究所(IMGC)、日本电子技术综合研究所(ETL)和中国兰州物理研究所(LIP)、中国计量科学院(NIM)为代表的各研究机构,均研制成功了基于不同方法的气体微流量计,主要以恒压法和定容法为主^[1-7]。恒压法最佳测量范围为10^-4~10^-8Pa·m³/s,测量标准不确定度在1%左右。定容法最佳测量范围为10^-3~10^-6Pa·m³/s,测量标准不确定度在2%左右。

　　随着需求的牵引和技术的发展,传统的气体微流量测量技术已经不能满足实际需求,对于小于10^-8Pa·m³/s的真空标准漏孔的校准,现有流量计已经无法直接测量。目前通常采用的方法是,采用四极质谱计将被校真空漏孔和标准气体流量在真空系统中产生的分压力(离子流信号)在不同量级进行比较并计算漏率,由于四极质谱计具有较大的测量非线性,使得校准结果的测量不确定度大^[8]。本文提出了固定流导法和分流法的极小流量测量技术,可直接测量最小为10^-12Pa·m³/s量级的气体流量,可将标准气体流量产生的离子流信号与被校漏孔产生的离子流信号调节的相同或非常接近,避免了四极质谱计非线性问题,提高了真空漏孔的校准水平。

　　1　测量方法

　　极小气体流量测量包括固定流导法和分流法两种方法,分别进行讨论。

　　1.1　固定流导法

　　利用分子流条件下小孔流导为常数这一基本特性,提出了固定流导法测量方法。在分子流进样条件下,气体通过小孔的流量用式(1)计算。

　　式中,Qg为通过小孔的气体流量,Pa·m³/s;C为分子流进样条件下,特定气体所对应小孔的流导,m³/s;p为小孔入口的气体压力,Pa;p’为小孔出口的气体压力,Pa。

　　在实际校准过程中,p p’,且p的变化量小于0·1%时,就可认为小孔入口压力是恒定不变的,式

　　(1)变为式(2)

　　通过测量分子流下的小孔流导及小孔入口的气体压力值,即可计算得到气体流量值,具有简单、实用的特点。当流导值为10^-9m³/s量级时,通过在10^-1~10 Pa范围内调节进气压力,可达到的测量下限为10^-10Pa·m³/s量级。