溫度對薄膜滲氦型漏孔漏率的影響研究

1、引言

　　檢漏技術(shù)在航天領(lǐng)域應用十分廣泛。例如,火箭發(fā)射現場(chǎng)的危險氣體檢測,衛星內部自控系統燃料的檢測,超高及極高真空的獲得等各領(lǐng)域,都需要可靠的檢漏技術(shù)作為保障。目前,在檢漏工作中使用最廣泛的是氦質(zhì)譜檢漏儀,它需要用標準漏孔對檢漏儀進(jìn)行校準。標準漏孔的校準結果直接關(guān)系到檢漏的準確性。

　　一般情況下,在23 ℃的環(huán)境溫度條件下對標準漏孔進(jìn)行校準,檢定證書(shū)給出的是23 ℃對應的漏率值。但是,在實(shí)際的檢漏工作中環(huán)境溫度條件和校準溫度條件不完全相同。在不同的溫度條件下,標準漏孔的漏率值也不相同,需要進(jìn)行修正。因此,必須研究在一定溫度范圍內溫度與標準漏孔漏率的關(guān)系,以保證在不同的溫度條件下檢漏工作的可靠性。在標準漏孔中薄膜滲氦型漏孔由于性能穩定、抗污能力強、應用廣泛等特點(diǎn),所以選擇這種漏孔作為研究對象。

　　在16～50 ℃溫度范圍內,對兩支薄膜滲氦型標準漏孔進(jìn)行了校準,根據校準結果,給出了標準漏孔的漏率值隨溫度的變化曲線(xiàn),通過(guò)數學(xué)分析給出了溫度與漏率的關(guān)系表達式。

2、校準裝置

　　使用國防科工委真空計量一級站建成的“氣體微流量標準裝置”對標準漏孔進(jìn)行了校準,流量校準范圍為10^-2～10^-10Pa·m³/s ,不確定度小于2% 。

　　“氣體微流量標準裝置”由氣體微流量計、流量校準系統和進(jìn)樣系統三部分組成,如圖1 所示。

圖1 　氣體微流量標準裝置工作原理圖

1 、2. 電容薄膜規;3. 參考室;4 、8. 截止閥;5.穩壓室;6. FB110 分子泵;7. 差壓規; 9 、13.針閥;10. 變容室; 11. 油室; 12 、28. 機械泵;14. 氣瓶;15. 活塞;16 、18 、25. 球閥;17. 四極質(zhì)譜計; 19 、21. 校準室; 20. 小孔; 22. 插板閥;23. FB500 分子泵; 24. B-A 規; 26. 待校流量計;27. 恒溫箱。

2.1、氣體微流量計

　　氣體微流量計主要由穩壓室(5) 、參考室(3) 、變容室(10) 、電容薄膜規(1 、2 、7) 等五部分組成,可提供2×10^-5～1×10^-8 Pa·m³/s 的標準流量。標準流量時(shí),將校準氣體充入標準微流量計的變容室、參考室和穩壓室,并達到某一選定壓力值p ,然后打開(kāi)閥門(mén)(9) ,將流量流出變容室。流量穩定后,關(guān)閉變容室與穩壓室之間的閥門(mén)(8) 。隨著(zhù)氣體的流出,變容室中的壓力發(fā)生變化,連接在變容室和參考室之間的差壓式電容薄膜規(DCDG) 輸出非零信號,并反饋到伺服控制單元,由計算機自動(dòng)調節電機的轉速,使活塞以相應的速度在油室中運動(dòng),以保持變容室與參考室之間的壓差Δp 盡可能小,使變容室中的壓力p 基本上保持恒定。測量變容室的壓力p 、活塞的運動(dòng)速度ΔL /Δt 和標準微流量計內的溫度T ,計算流量Q

Q = p ×A ×ΔL / Δt ×Tr/ T (1)

　　式中　A 為活塞截面積; Tr 為參考溫度。

2.2、流量校準系統

　　流量校準系統主要由雙球真空室(19 、21) 、小孔(20) 、四極質(zhì)譜計(17) 、分子泵(23) 、機械泵(28) 等組成,在校準室(19) 進(jìn)行流量校準實(shí)驗研究。上球室(19) 和下球室(21) 分別與流量計相連,在校準2 ×10 ^{- 5}～1 ×10 ^{- 8} Pa·m³/ s范圍內的標準漏孔時(shí),流量計可直接向上球室進(jìn)樣。當校準1 ×10 ^{- 8}～1 ×10 ^{- 10} Pa·m³/ s 范圍內的標準漏孔時(shí),流量計可從下球室進(jìn)樣,通過(guò)小孔(20) 的分流,使上球室產(chǎn)生的流量減小,滿(mǎn)足較小漏率的校準。實(shí)際上,小孔(20) 的直徑約為11 mm ,分流比為10 ,可使下球室中的流量有1/ 10 返回到上球室。

2.3、進(jìn)樣系統

　　進(jìn)樣系統由閥門(mén)(25) 、待校標準漏孔(26) 、恒溫箱(27) 組成。圖1 只給出了1 路進(jìn)氣管道,實(shí)際上共有相同的4 路連接在恒溫箱的工作室中,可同時(shí)對4 支標準漏孔進(jìn)行恒溫控制和校準。恒溫箱采用PID 模糊自整定技術(shù)調整加熱系統的加熱量,以保證系統的控溫精度小于等于正負0. 1 ℃,控溫范圍5～75 ℃。

3、校準方法

　　“氣體微流量標準裝置”采用待校標準漏孔流量和微流量計提供的標準流量進(jìn)行比對的方法校準標準漏孔。

　　當校準標準漏孔時(shí),先將標準漏孔安裝在恒溫箱的工作室中,設定好所需的校準溫度,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的平衡,使工作室的溫度波動(dòng)小于等于正負0. 1 ℃。打開(kāi)閥門(mén)(25) ,將標準漏孔產(chǎn)生的待校流量引入校準室,用四極質(zhì)譜計測量待校流量所對應的離子流Ic ,關(guān)閉閥門(mén),然后將流量計產(chǎn)生的標準流量通過(guò)針閥(18) 引入校準室中,通過(guò)調節流量計流量的大小,使標準流量在校準室所對應的離子流I 非常接近待校流量所對應的離子流Ic ,并測量Is 數值。如果標準流量太大,無(wú)法使它對應的離子流接近待校流量對應的離子流,可通過(guò)閥(16) 將標準流量引入到下球室,再返流到上球室。用流量計提供的標準流量Qs ,計算出待校流量Qc

Qc = k ( Ic/ Is) Qs (2)

　　式中　k 為質(zhì)譜計的線(xiàn)性因子。待校流量和標準流量產(chǎn)生的離子流十分接近,使四極質(zhì)譜計的線(xiàn)性帶來(lái)的測量不確定度較小,一般情況下k 值取1 。通過(guò)調節恒溫箱的恒溫控制,在不同的恒溫條件下對標準漏孔進(jìn)行校準,可得到在不同溫度條件下標準漏孔的漏率值。