正壓漏孔校準裝置的優(yōu)化設計

　　針對目前正壓漏孔校準工作中存在的測量下限指標低、測量不確定度大等問(wèn)題，提出了正壓漏孔校準裝置的優(yōu)化設計方法。采用特殊設計，將定容室的容積減小到10mL以下，降低了氣體累計時(shí)間，延伸了測量下限。采用主、被動(dòng)相結合的恒溫方法提高恒溫精度，使得測量系統溫度變化在校準時(shí)間內小于0.02K，減小了溫度漂移引入的虛流量及測量不確定度。在恒壓法正壓漏孔校準方法中，提出采用直徑小于1mm的精密細活塞及適用的動(dòng)密封結構，可以將測量下限延伸到10^-7Pa·m³/s 量級。通過(guò)以上方法，可使正壓漏孔校準裝置的測量下限優(yōu)于5×10^-7Pa·m³/s，不確定度小于5%，同時(shí)具有較高的工作效率。

　　正文：在國防和國民生產(chǎn)各領(lǐng)域，尤其是在型號和武器裝備的研制、試驗、生產(chǎn)和使用的過(guò)程中，正壓檢漏技術(shù)發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用，正壓漏孔作為正壓檢漏時(shí)的漏率標準，其校準精度也越來(lái)越受到人們的重視。

　　目前我國正壓漏孔校準工作還面臨以下問(wèn)題：①不能對漏率值在10^{- 7}Pa·m³/s 量級及以下的正壓漏孔進(jìn)行精確校準；② 校準時(shí)間較長(cháng)，一般情況下，校準一支小漏率正壓漏孔需要7 天時(shí)間，校準效率低；③測量不確定度大，校準下限的測量不確定度在15%～30%左右。

　　為此，本論文在定容式正壓漏孔校準裝置的研究經(jīng)驗基礎上，利用目前正在研究和設計的恒壓式正壓漏孔校準裝置的相關(guān)技術(shù)，提出了對正壓漏孔校準裝置進(jìn)行優(yōu)化設計的思路和方法，而且這些設計方法對定容式和恒壓式校準裝置都是適用的，以期進(jìn)一步提高我國正壓漏孔校準裝置的設計水平和校準質(zhì)量。

1、校準裝置原理及校準方法

　　校準裝置由供氣和穩壓系統，抽氣系統、校準系統、恒溫系統和測量與控制系統等五部分組成，圖1 為裝置原理圖，圖中虛線(xiàn)框內的部分放置在恒溫箱中。校準裝置既可采用定容法也可采用恒壓法來(lái)校準正壓漏孔。

1,11,30. 電容薄膜規(CDG)  2,3,6,8,9,10,12,13,15,17,19,23,24,25閥門(mén) 4,5,7.氣瓶 14.分子泵 16,20.標準容積 18,29.定容室 21.電磁閥 22.正壓漏孔 26.機械泵 27. 伺服機構 28.變容室及活塞

圖1 校準裝置原理圖

　　供氣和穩壓系統由高壓氣瓶、低壓氣瓶、閥門(mén)、電容薄膜規等組成，主要為正壓漏孔的入口端提供高于2個(gè)大氣壓的He氣，并為正壓漏孔的出口端提供100 kPa±5 kPa 的N2氣。抽氣系統由分子泵、機械泵、電磁閥等組成，可以對供氣系統和校準系統的管道、變容室及兩個(gè)標準容積抽真空，以滿(mǎn)足校準要求。校準系統由正壓漏孔、定容室、標準容積、電容薄模規、變容室及活塞、電機等組成，整體放置在恒溫箱內保持恒溫，是正壓漏孔校準裝置的核心部分，承擔著(zhù)正壓漏孔的校準任務(wù)。恒溫系統為內外兩層恒溫箱組成，為校準系統提供恒溫保障。測量與控制系統的由工控機、數據采集卡、熱電阻變送模塊、電機控制卡、伺服系統等組成，采用LABVIEW虛擬儀器工具開(kāi)發(fā)測控軟件，完成平動(dòng)機構的運動(dòng)控制、活塞運動(dòng)速度及移動(dòng)距離的計算、電容薄膜規的數據采集、測量結果的自動(dòng)計算及保存等功能。校準裝置可以采用定容法和兩種恒壓法（PID 控制、壓力微小波動(dòng)控制）來(lái)提供和測量流量，定容法的測量范圍是(5×10^{- 7}～5×10^{- 3}) Pa·m³/s，PID恒壓控制法的測量范圍為(1×10^{- 6}～5×10^{- 5}) Pa·m³/s，壓力微小波動(dòng)控制法的流量測量范圍為(4×10^{- 7}～2×10^{- 5}) Pa·m³/s，其測量下限的準確性主要受到溫度變化的影響。

　　關(guān)于校準裝置的詳細結構設計、測量方法及測量范圍等考慮到真空技術(shù)網(wǎng)的有另文解說(shuō)，這里就不再詳細介紹。

2、校準裝置的優(yōu)化設計

　　在總體設計的基礎上，針對目前正壓漏孔校準工作中存在的測量下限指標低、測量不確定度大等問(wèn)題，對正壓漏孔校準裝置提出了優(yōu)化設計方法，這些方法也是正壓漏孔校準裝置設計中應考慮的核心問(wèn)題，尤其值得關(guān)注。

2.1、定容室的優(yōu)化設計

　　定容室的容積大小直接關(guān)系到氣體累計間的長(cháng)短，以及定容室壓力變化的快慢，是提高正壓校準效率和測量下限的關(guān)鍵因素。根據理論計算和國外文獻，定容室的容積應小于10mL為佳, 如德國PTB 恒壓式正壓漏孔校準裝置定容室為7.8mL。我站2000年研制的正壓漏孔校準裝置定容室為33mL，定容法測量下限在10^-6Pa·m³/s由于定容室要連接正壓漏孔，壓力測量?jì)x器（一般為差壓式電容薄膜規），充氣接口（為定容室充1個(gè)大氣壓N₂氣），尤其是在恒壓法校準時(shí)還要連接活塞及配套電機，所以需要較大的外部安裝空間，這就與減小定容室的容積產(chǎn)生了矛盾，一般的做法是優(yōu)化管道設計，減小連接管道的長(cháng)度。根據實(shí)際設計和計算，這種情況下定容室容積最小只能設計到15mL左右，而且還不含與正壓漏孔的連接容積以及電容薄膜規自身的管道容積，不能滿(mǎn)足要求。為此，我們提出了如下的優(yōu)化設計方法，其結構如圖2 所示：用不銹鋼制作外型為立方體的變容室主體，在變容室主體內部開(kāi)一個(gè)截面直徑小于2mm 的圓柱體孔，將用于安裝壓力計、正壓漏孔和活塞的連接管道按設計需求焊接在變容室主體上，且連接管道與圓柱體孔內部連通，在電容薄膜規的管道及其它標準連接管道（內徑4.3 mm）中放置直徑4mm的實(shí)心不銹鋼圓柱體進(jìn)一步降低管道容積。

1,10.螺母 2，9.標準管道 3.變容室主體 4.變容室內孔 5 活塞卡套接頭 6，8.內孔通道7.檔板

圖2 定容室結構

　　這種方法的優(yōu)點(diǎn)是在有效增大變容室外面積的基礎上減小了變容室的內部容積，可以使正壓漏孔漏率的測量下限擴展到10^-7Pa·m³/s及以下，并且為正壓漏孔、壓力計、活塞及控制電機的安裝提供了充分的空間，提高了設計的靈活性。根據設計和理論計算，定容室的容積在6mL左右，再考慮到連接正壓漏孔時(shí)附加的1~2mL容積，這個(gè)容積值還是比較理想的。