電容薄膜規(CDG)熱流逸效應修正方法
電容薄膜規(CDG)的測量下限主要取決于分辨率和零點(diǎn)穩定性,而溫度的變化會(huì )對零點(diǎn)穩定性產(chǎn)生較大的影響。為了改善CDG的零點(diǎn)穩定性能,減少外界溫度變化對測量的影響,使用中,通常將傳感器恒溫控制在45 ℃。這時(shí),傳感器所在的測量室與被測容器(溫度一般為23 ±3 ℃) 產(chǎn)生較大的溫差,從而產(chǎn)生了熱流逸效應,這使CDG的傳感器不能精確反映校準室的實(shí)際壓強。
假定CDG連接在一個(gè)校準容器上,連接管道的直徑為d 。當系統內的壓強處于穩態(tài)時(shí),CDG測量室內的氣體壓強為P1 ,溫度為T(mén)1 ;校準室內的氣體壓強為P2 ,溫度為T(mén)2 。當壓強較高時(shí),氣體分子的平均自由程€λ 遠遠小于d ,系統內氣體分子處于粘滯流狀態(tài)。當兩室之間的氣體壓強處于平衡狀態(tài)時(shí),兩室中雖然溫度不同,但壓強值相等,即
當壓強較低時(shí),氣體分子的平均自由程€λ遠遠大于d ,系統內氣體分子處于自由分子流狀態(tài)。當平衡時(shí),分子穿越兩室的幾率相等,則
Rk 稱(chēng)為克努曾值,由此可見(jiàn),在低壓強下,相連兩室的溫度不同導致壓強不同,這種現象即為CDG的熱流逸現象 。
當壓強適中時(shí),系統內氣體分子處于過(guò)渡流(克努曾流) 狀態(tài), 熱流逸效應使得p2/p1介于1 和根號下T2/T1值之間,即
為了確定這一范圍內壓強比p2/p1的準確值, 國外很多學(xué)者進(jìn)行過(guò)研究, 真空技術(shù)網(wǎng)也對此加以探討。本文定義p2/p1為CDG的校準因子, 即CDG的示值壓強除以校準室里的標準壓強, 標準壓強的測量和計算均根據文獻進(jìn)行了溫度修正。
所有試驗在一臺靜態(tài)膨脹式真空校準裝置上進(jìn)行,裝置工作原理圖如圖1 所示。
圖1 靜態(tài)膨脹式真空校準裝置工作原理圖
該裝置通過(guò)直接比對以及一至三級膨脹,可以產(chǎn)生10- 5 Pa～105Pa的壓強,最佳校準范圍為10-4Pa～104Pa 。直接比對法是將校準室17、18 抽至某一本底壓強后,把石英規的測試口與17 或18 或17 加18 連通,關(guān)閉抽氣閥門(mén),通過(guò)放氣閥向校準室注入氣體,用石英規作為標準進(jìn)行校準,石英規的最佳量程為20kPa～100kPa 。一級膨脹法是將氣體從3 或5 膨脹到17 或18 ,壓強由初始值衰減10-2 (或10-3) 倍。二級膨脹法是將氣體在一級膨脹的基礎上,由二級取樣小容器8 或12 在17 或18 中取樣,向另一大容器18 或17 膨脹,初始壓強衰減10 - 4～10 - 6倍。三級膨脹法是將氣體在一級膨脹的基礎上,由二級取樣小容器8 或12在17 或18 中取樣,然后將8 或12 隔離起來(lái),將17或18抽空后再封閉起來(lái),用8 或12中的氣體再次向17 或18 膨脹,最后用取樣小容器8 或12 在17 或18 中取樣,向另一大容器18 或17 膨脹,初始壓強衰減10-6～10-9倍 。實(shí)驗用2.26 ×10 - 2 Pa～2.88×102Pa 的壓強通過(guò)一級膨脹和二級膨脹即可得到。
將MKS 公司生產(chǎn)的兩只滿(mǎn)量程133.33Pa 的絕壓式電容薄膜規(ACDG) 和一只滿(mǎn)量程1333.3Pa 的ACDG連接到校準室1上, 連接管道內徑為d =4.76mm。實(shí)驗氣體是純度為99.99 %的N2 、Ar和He 。
ACDG傳感器由熱控單元恒溫控制到廠(chǎng)家事先設定好的溫度T2 = 45 ℃。采用N2 、He 、Ar 三種氣體實(shí)驗時(shí),校準室的溫度分別為: (23.49 ±0.27) ℃、(21.78 ±0.20) ℃、(23.17 ±0.31) ℃。校準室的溫度用12 只均勻分布在校準室外壁的Pt100 鉑電阻溫度計測量,可以瞬時(shí)采集溫度數據,測量標準不確定度為0.01 ℃。實(shí)驗的壓強范圍為2.26 ×10- 2 Pa～2.88 ×102Pa ,標準壓強用一級膨脹和二級膨脹路徑獲得,實(shí)驗中校準室本底壓強始終低于8 ×10 - 6 Pa 。三只ACDG測量單一氣體的熱流逸曲線(xiàn)幾乎相同,圖2(a)、2(b)、2(c)顯示了實(shí)驗結果。
圖2 熱流逸效應實(shí)驗結果
N2 在(23.49 ±0.27) ℃時(shí)的實(shí)驗點(diǎn)(○) ; He 在(21.78 ±0.20)℃時(shí)的實(shí)驗點(diǎn)(□);Ar 在(23.17 ±0.31)℃時(shí)的實(shí)驗點(diǎn)(△) ; P2 為ACDG的示值壓強; P1 為標準壓強
