基于微膨胀的容积测量技术研究

摘要

容积是容器重要的物理量之一。快速、精确、无损地获取各类容器的容积，是准确评价与之相关的各种物理参数的关键环节，在真空检漏、真空计量、真空系统设计与计算等真空科学与技术领域中具有广泛而重要的应用价值。　　本课题提出并研究了一种适用性强的容积测量方法。该方法的原理是以对被测容器进行微小膨胀为手段，以具有良好恒压特性的参考容器为压力基准，通过测量微膨胀所产生压力的微小变化量，根据理想气体状态方程计算出被测容器的容积。该方法在测量过程中显著缩短了气体变容后的热平衡时间，可以实现容器容积的快速测量。采用参考容器作为压力基准，配合量程较小的差压传感器测量微膨胀产生的压差，可以实现容器容积的精确测量。此外，微膨胀使被测容器发生微小的压力变化，满足对某些特殊用途容器的无损测量要求。本文完成的主要工作有:　　(1)建立了被测容器微膨胀过程的热力学模型与传热学模型，分析了影响系统测量时间和测量结果的因素。在此基础上，提出以球形容器和绝热膨胀的综合仿真模型，获得了容积测量系统较为保守的弛豫时间数值模拟结果。以实验室环境温度测量为基础数据，提出采用随机性非稳态传热与多孔介质模型，对填充金属丝的参考容器的恒压特性进行仿真模拟。此外，仿真模拟了环境温度对本底压差的影响效应。　　(2)研制了容积测量实验系统并开展了相关的实验研究。在对实验系统进行泄漏检测的基础上，进行了本底压差实验、同一容积的重复性实验以及不同微膨胀容积实验等研究工作。实验结果表明，在0.1％～0.4％的膨胀比下，系统测量时间小于40s，与注水法标定结果之间的相对误差小于±1％。　　(3)分析了容积测量实验系统的不确定度来源，对容积测量结果的不确定度进行了评定。结果表明，标准不确定度为0.39％，扩展不确定度为0.78％(k=2)。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 容积测量技术研究现状

1．2．1 衡量法

1．2．2 静态膨胀法

1．2．3 流量-压力法

1．2．4 声速放(充)气法

1．2．5 容积测量方法对比分析

1．3 课题的研究意义和主要研究内容

1．4 本章小结

第二章 基于微膨胀的容积测量方法

2．1 基本原理

2．2 影响测量时间的因素分析

2．2．1 微膨胀过程的热力学模型

2．2．2 微膨胀过程的传热学模型

2．2．3 影响测量时间的因素

2．2．4 弛豫时间的判据

2．3 影响测量结果的因素分析

2．3．1 环境温度波动

2．3．2 系统漏率

2．4 本章小结

第三章 容积测量仿真研究

3．1 弛豫时间的仿真研究

3．1．1 计算模型

3．1．2 控制方程

3．1．3 边界条件与初始条件

3．1．4 仿真结果及分析

3．2 参考容器恒压特性的仿真研究

3．2．1 参考容器的物理模型

3．2．2 边界条件与模型参数的确定

3．2．3 仿真结果及分析

3．3 系统本底压差的仿真研究

3．4 本章小结

第四章 容积测量实验研究

4．1 容积测量系统

4．1．1 关键部件选型及容积测量系统

4．1．2 系统泄漏检测

4．2 实验研究

4．2．1 系统本底压差实验

4．2．2 同一容积的重复性实验

4．2．3 不同微膨胀容积实验

4．2．4 测量时间的讨论

4．3 本章小结

第五章 容积测量系统不确定度评定

5．1 评定模型

5．1．1 评定模型

5．1．2 不确定度来源

5．2 容积测量系统不确定度评定

5．2．1 A类不确定度评定

5．2．2 B类不确定度评定

5．2．3 合成标准不确定度与扩展不确定度

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况