真空比對法校準裝置的研究

　　真空比對法校準裝置采用了動(dòng)態(tài)直接比對法、靜態(tài)直接比對法和靜態(tài)膨脹法， 在一臺裝置上復合了三種方法， 滿(mǎn)足了拓寬量程的需求。該裝置可以1×10⁵~5×10^{- 4} Pa 范圍內的各類(lèi)真空規進(jìn)行校準， 是一種結構簡(jiǎn)單、操作方便、檢定效率高、實(shí)用性強的真空標準裝置。整套裝置由渦輪分子泵、校準容器、副標準真空計和金屬膨脹閥等部件組成， 主要技術(shù)指標符合國際標準化組織和國內有關(guān)真空標準的規定。

　　真空校準技術(shù)比較復雜，標準裝置造價(jià)比較昂貴。比對法真空校準系統具有許多優(yōu)點(diǎn)， 它選用精度較高、性能可靠的真空計作為副標準, 是一種結構簡(jiǎn)單、量程寬、造價(jià)便宜、操作容易的真空標準裝置, 其校準的不確定度取決于合理的系統設計和選用的副標準的不確定度。以往需要用三種不同原理和不同結構的真空標準裝置, 實(shí)現所需范圍內的壓力校準[1]。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，特別是航天科技的發(fā)展， 為了提高工作效率， 解決大量真空計的校準任務(wù)，也更準確的為航天型號服務(wù)， 在分析國內外同類(lèi)標準的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎上,研制了一臺新的真空計校準裝置。該校準裝置選用了動(dòng)態(tài)直接比對法、靜態(tài)膨脹法和靜態(tài)直接比對法三種校準方法實(shí)現了1×10⁵~5×10^-4 Pa 范圍內真空規的校準，滿(mǎn)足了型號的不同需要。

1、理論分析和結構設計

　　深刻理解真空物理理論是設計真空系統的基礎， 在真空系統中， 氣體分子流場(chǎng)的分布是進(jìn)行壓力測量、抽速測量及機械結構設計時(shí)必須考慮的一個(gè)重要因素。比對法真空校準裝置設計的關(guān)鍵部分為校準室， 校準室容器的形狀， 大小和容器中分子流場(chǎng)的分布情況直接關(guān)系到該校準裝置的精度和穩定性[2]。為此，對容器內分子流場(chǎng)分布的情況進(jìn)行了研究。在分布均勻, 等溫、各向同性的稀薄氣體狀態(tài)下, 氣體分子遵守麥克斯韋速度分布和余弦定律，壓力值才有明顯的物理意義, 兩個(gè)公式才能成立， 在球形容器中最適合于建立這種氣體狀態(tài)。文獻[3]給出了球形容器內表面分子流密度分布曲線(xiàn)圖（如圖1所示，對校準室的結構設計具有指導意義。

圖1 球形容器內表面分子流密度分布

　　對球形系統沿垂直方向, 從上到下將內表面分成10 條測試帶, 見(jiàn)圖1，各測試帶上的平均入射分子流密度N（i 分子數/mm2） 與赤道附近的平均入射分子流密度N（ 分子數/mm2） 相比為橫坐標（Z軸）[4]。

　　從圖1 可以看出球形容器內分子流分布狀況。即，在球形系統內表面上，分子流場(chǎng)分布不完全均勻， 在入口附近分子流密度最大， 而在出入口與赤道之間較小。

　　校準容器的結構設計還考慮了表面積與體積之比應盡可能的小， 故選用球形容器最理想，因為同樣大的體積球的表面積最小， 而且在容器中能夠建立起各向同性運動(dòng)的分子流狀態(tài)。但球形容器造價(jià)高，加工比較復雜。如果選用圓筒型容器， 則要求筒長(cháng)于筒徑之比不大于4。在設計校準室的容積時(shí)，要大于連接到該容積被檢真空規總容積的20 倍， 又要考慮容器太大、放氣量大、抽氣的時(shí)間長(cháng)、計量測試的效率低。該裝置設計的校準室容器總容積22.4 L， 備有9 個(gè)標準法蘭接口， 同時(shí)可接5 個(gè)被校準的真空規， 經(jīng)過(guò)計算被接真空規的總容積為0.12 L， 遠小于校準室的容積。

5、結論

　　經(jīng)過(guò)性能測試,該真空比對法校準裝置的主要技術(shù)指標完全滿(mǎn)足了動(dòng)態(tài)直接比對法、靜態(tài)膨脹法和靜態(tài)直接比對法三種方法校準真空規的技術(shù)要求, 可以對1×10⁵~5×10^{- 4} Pa 壓力范圍內的各種真空規進(jìn)行校準。該真空校準系統是一種方便而實(shí)用的日常校準裝置，對航天型號的研制具有重要的保障作用。