恒压式气体微流量计的性能测试

　　随着真空科学技术的发展,对气体微流量的校准提出了更高的要求,需要研制流量测量范围更宽、流量下限更低、流量测量更准确的气体微流量计。

　　目前,德国联邦物理技术研究院(PTB)已经研制到第三代流量计,测控系统为全自动方式,恒压控制测量下限达到10^-8Pa·m³/s,流量校准下限达到10^-10Pa·m³/s[^1,2]。意大利国家计量研究所(IMGC)也研制了第三代流量计,测量下限达到了10^-8Pa·m³/s^[3]。1994年我们研制了一台恒压式气体微流量计,流量测量范围为(3·49×10^-3~1.97×10^-8) Pa·m³/s,不确定度小于2·3%^[4,5];通过不断的改进和完善,研制了测量精度更高的第二代恒压式气体微流量计,本文介绍该流量计的性能测试结果。

　　1　恒压式气体微流量计组成

　　恒压式气体微流量计原理如图1所示,流量计由两部分组成:左侧为压力测量系统和供气系统(其中:1-离子泵,2、8-电容薄膜规,3、4、5、6-阀门,7-差压规,9-调节阀,10-角阀,11-涡轮分子泵,12-机械泵),可以测量稳压室及管道压力,提供N2、He、Ar等校准气体,并对流量计各部分抽真空;右侧为流量测量系统(其中:13-稳压室,14、16、17、19、20、21、22、24、25-阀门,15-油处理器,18-电容薄膜规,23、26-小孔,27-变容室,28-油室,29-活塞,30-调速装置),可以精确测量并提供标准流量,其整体放在一个恒温箱内以保持温度恒定。标准流量引入到真空校准系统后,可用于真空规或真空漏孔的校准。

　　恒压式气体微流量计的工作原理已有大量文献专门阐述^[6],这里不再进行讨论。

　　2　实验研究内容及结果

　　恒压式气体微流量计由自行研制的测控系统控制,可以在数字PID和压力波动两种恒压控制模式下提供和测量流量,以下实验研究中有关流量测量的结果均由该测控系统提供^[7]。

　　2·1　变容室及管道漏放气率的测量

　　漏放气率是影响流量测量下限最主要的因素,必须降低到最低程度。对变容室及管道进行长时间烘烤并抽气,使达到本底压力约10^-4Pa。关闭阀门(19),用满量程133 Pa电容薄膜规测量变容室及管道的压力变化,用式(1)计算变容室及管道的漏放气率。

　　式中:Q—漏放气率,单位:Pa·m³/s;ΔP—压力变化,单位:Pa;VS—变容室及管道体积,单位:m³;Δt—测量时间,单位:s。

　　我们进行了40 h的测量,每隔60 min测量一次压力,压力从0·002 Pa上升到0·175 Pa,可以计算出漏放气率为(1·20×10^-6V)Pa/s,V为变容室体积。由于变容室体积约0·05×10^-3m³,所以漏放气率为6·0×10^-11Pa·m³/s,比流量计的流量测量下限10^-8Pa·m³/s低三个数量级,满足流量下限测量要求。