恒压式气体微流量计测量不确定度评估

　　真空检漏技术在国防和国民生产的各个领域被广泛应用,发挥着越来越重要的作用。目前,使用最便捷有效的检漏方法是氦质谱检漏仪检漏,它以一支真空标准漏孔做为漏率定量标准给出被检漏孔的漏率。因此,检漏结果是否准确可靠完全依赖于标准漏孔的校准精度,这就对降低标准漏孔的校准不确定度提出了更高的要求。

　　恒压式气体微流量计用于真空标准漏孔的绝对校准,具有校准范围宽、测量不确定度小等特点,包括美国NIST、德国PTB[1]在内的各国计量机构均建立了此类标准。合理评估恒压式气体微流量计的测量不确定度,研究减小测量不确定度的方法,提高我国真空标准漏孔的校准水平,是一项非常有意义的工作。

　　测量不确定度的评估必须建立在大量实验研究的基础上。恒压式气体微流量计建立后,我们对它的各项性能进行了大量的实验研究,而且对关键的压力测量标准——电容薄膜规,进行了热流逸效应等性能实验。在此基础上,对恒压式气体微流量计的不确定度进行了评估。

　　1　恒压式气体微流量计的组成

　　图1为我实验室建立的恒压式气体微流量计的原理图。流量计由两部分组成,左侧为压力测量系统和供气系统,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,可以精确测量并提供标准流量。流量计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[2-4],这里不再讨论。

　　2　测量不确定度的评估及验证

　　2.1　流量测量数学模型

　　恒压式气体微流量计产生的流量由公式(1)计算:

(2)

　　计算公式(2)中各灵敏系数,并根据公式(1)和(2)推出流量Q的相对合成标准不确定度

(3)

　　2.2　测量不确定度的计算

　　2.2.1　压力测量不确定度ur(p+Δp1+Δp2+Δp3)

　　压力测量不确定度由电容薄膜规测量不确定度ur(p),恒压控制测量不确定度ur(Δp1),漏放气率引起压力变化的测量不确定度ur(Δp2),电容薄膜规热流逸效应测量不确定度ur(Δp3)等四项合成。

　　电容薄膜规经膨胀式真空校准装置校准,根据校准证书出具的校准结果,其扩展不确定度U=0.82%(k=2),即ur=0.41%。其自由度ν1用B类不确定度分量的自由度近似公式计算,见公式(5)(以下B类不确定度的自由度均按此式计算)。因ur(p)来自校准证书,假设其100%可靠,则其自由度ν1=∞。