一种宽量程现场真空规校准装置及方法

摘要

本发明涉及一种宽量程现场真空规校准装置及方法，属于测量技术领域。包括气源、减压阀门、微调阀、监测真空计、五个真空截止阀、三个电容薄膜规、稳压室、第一截止阀、机械泵、第二电磁阀、分子泵、全金属角阀、真空室、被校准真空规和真空监测真空规；真空室内有限流抽气小孔；第五真空截止阀内有进气小孔。本发明的方法对真空规的校准范围为10

说明书

技术领域

本发明涉及一种宽量程现场真空规校准装置及方法，属于测量技术领域。

背景技术

文献“比对法真空计量标准装置的研制”，《宇航计测技术》第66期、 1992年第6期、第70～73页”，介绍了比对法真空规的校准方法及校准系 统，但其校准范围为10⁵～10^-4Pa，而且在10^-1～10^-4Pa压力范围内通过磁悬 浮转子规进行测量，这种测量方法的下限受制于磁悬浮转子规测量下限，同 时磁悬浮转子规成本比较昂贵，再加上该系统比较庞大，只适合在实验室使 用，无法满足现场宽量程高精度真空规的校准需求。文献“动态流量法超高 标准真空装置”，《真空科学与技术学报》第19卷、1999年第5期、第400～ 402页”，介绍了采用恒压式流量计校准真空规的方法，但恒压式流量计研 制成本高，装置非常庞大，只适合实验室校准超高真空规，也不能实现现场 宽量程真空规的校准。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的缺陷，提出一种宽量程现场真 空规校准装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种宽量程现场真空规校准装置，包括气源1、减压阀门2、微 调阀3、监测真空计4、第一真空截止阀5、第一电容薄膜规(1Torr)6、第 二真空截止阀7、稳压室8、第一截止阀9、机械泵10、第二电磁阀11、分 子泵12、全金属角阀13、真空室15、第二电容薄膜规(1Torr)16、第三真 空截止阀17、第三电容薄膜规(1000Torr)18、被校准真空规19、第四真空 截止阀21、第五真空截止阀22和真空监测真空规23；真空室15内有限流抽 气小孔14；第五真空截止阀22内有进气小孔20；

其连接关系为：减压阀门2的一端与气源1通过管路连接，减压阀门2 的另一端与微调阀3的一端通过管路连接，微调阀3的另一端与第一真空截 止阀5的一端、第四真空截止阀21的一端和第五真空截止阀22的一端通过 管路连接；监测真空计4与微调阀3并联连接；第一真空截止阀5的另一端 与第二真空截止阀7的一端和稳压室8的一端通过管路相连；第二真空截止 阀7的另一端与第一电容薄膜规6的一端通过管路相连；稳压室8的另一端 与第一截止阀9的一端通过管路连接；第一截止阀9的另一端与分子泵12 和全金属角阀13通过管路连接；机械泵10的另一端与第二电磁阀11的一端 通过管路相连；第二电磁阀11的另一端与分子泵12的一端通过管路相连； 分子泵12的另一端与全金属角阀13的一端通过管路相连；全金属角阀13 的另一端与真空室15通过限流抽气小孔14连接；与限流抽气小孔14相对应 的真空室15的另一端与第五真空截止阀22通过进气小孔20连接；真空室 15一侧的法兰上连接了第三电容薄膜规18，第三电容薄膜规18还与第三真 空截止阀17的一端通过管路连接；第三真空截止阀17的另一端与第二电容 薄膜规16通过管路连接；被校准真空规19和监测真空规23安装在真空室 15上。

利用上述宽量程现场真空规校准装置进行校准的方法，采用直接比对法 和流导法在11个真空数量级内实现对真空规的校准，具体步骤为：

1)将被校准真空规19安装在真空室15上，打开监测真空计4和真空监 测真空规23；

2)打开微调阀3、第一真空截止阀5、第二真空截止阀7、第一截止阀9、 第二电磁阀11、全金属角阀13、第三真空截止阀17、第四真空截止阀21和 第五真空截止阀22，然后打开机械泵10和分子泵12对真空室15、稳压室8 以及所有的管路抽真空；

3)关闭微调阀3，然后打开第一电容薄膜规6、第二电容薄膜规16和第 三电容薄膜规18，稳定一段时间后进行调零；

4)关闭第一截止阀9、第四真空截止阀21和第五真空截止阀22，打开 减压阀门2和第一真空截止阀5；

5)调节微调阀3，从气源1向稳压室8中充入一定压力的气体，压力不 超过133Pa，保持温度为(23±3)℃；

6)打开第五真空截止阀22向真空室15中注入气体，当真空室15中的 气体压力稳定后，记录第一电容薄膜规6的读数P_u，然后通过公式P＝P_u*C_u/C 计算出真空室15中的标准压力；

7)重复步骤5、6，完成采用流导法校准真空规；

8)关闭第一真空截止阀5和第五真空截止阀22，打开第四真空截止阀 21，打开减压阀门2，通过调节微调阀3和第四真空截止阀21将气源1中的 气体注入真空室15中，采用电容薄膜规18测量真空室中气体压力，使校准 室中压力不超过133Pa，关闭微调阀3和全金属角阀13，待真空室15中的气 体压力稳定；采用第二电容薄膜规16进行测量，记录测量结果P，并以P压 力作为标准压力进行校准。

9)通过微调阀3调节真空室15中的气体压力，当压力大于133Pa时关 闭第三真空截止阀17，然后采用第三电容薄膜规18测量标准压力；记录测 量结果P，并以P压力作为标准压力进行校准；

10)依次关闭分子泵12、机械泵10。

上述步骤2)中，真空室15中的真空度小于1×10^-7Pa，稳压室8中的 真空度小于1×10^-4Pa；

上述步骤3)中第一电容薄膜规6、第二电容薄膜规16和第三电容薄膜 规18的稳定时间大于等于4h；

上述步骤4)中稳压室8中气体压力稳定的定义为压力的变化值不超过 5％；

上述步骤5)中每个数量级至少取3个校准点，测量结果P_u是至少6次 测量的平均值；

上述步骤6)中每个数量级至少取3个校准点，测量结果P是至少6次 测量的平均值。

有益效果

本发明的方法对真空规的校准范围为10⁵～10^-7Pa，在10⁵～10^-1Pa范围 内的标准不确定度为1.5％，在10^-2～10^-6Pa范围内的标准不确定度为2.0％， 在10^-7Pa时的测量不确定度为5％，该方法量程宽、精度高且适合于现场操 作；该装置体积小、质量轻。

附图说明

图1为本发明的装置的示意图；

其中，1-气源，2-减压阀门，3-微调阀，4-监测真空计，5-第一真空截止 阀，6-第一电容薄膜规，7-第二真空截止阀，8-稳压室，9-第一截止阀，10- 机械泵，11-第二电磁阀，12-分子泵，13-全金属角阀，14-限流抽气小孔，15- 真空室，16-第二电容薄膜规，17-第三真空截止阀，18-第三电容薄膜规，19- 被校准真空规，20-进气小孔，21-第四真空截止阀，22-第五真空截止阀，23- 真空监测真空规23。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

一种宽量程现场真空规校准装置，包括气源1、减压阀门2、微调阀3、 监测真空计4、第一真空截止阀5、第一电容薄膜规6、第二真空截止阀7、 稳压室8、第一截止阀9、机械泵10、第二电磁阀11、分子泵12、全金属角 阀13、真空室15、第二电容薄膜规16、第三真空截止阀17、第三电容薄膜 规18、被校准真空规19、第四真空截止阀21和第五真空截止阀22；真空室 15内有限流抽气小孔14；第五真空截止阀22内有进气小孔20；

其连接关系为：减压阀门2的一端与气源1通过管路连接，减压阀门2 的另一端与微调阀3的一端通过管路连接，微调阀3的另一端与第一真空截 止阀5的一端、第四真空截止阀21的一端和第五真空截止阀22的一端通过 管路连接；监测真空计4与微调阀3并联连接；第一真空截止阀5的另一端 与第二真空截止阀7的一端和稳压室8的一端通过管路相连；第二真空截止 阀7的另一端与第一电容薄膜规6的一端通过管路相连；稳压室8的另一端 与第一截止阀9的一端通过管路连接；第一截止阀9的另一端与机械泵10 的一端通过管路连接；机械泵10的另一端与第二电磁阀11的一端通过管路 相连；第二电磁阀11的另一端与分子泵12的一端通过管路相连；分子泵12 的另一端与全金属角阀13的一端通过管路相连；全金属角阀13的另一端与 真空室15通过限流抽气小孔14连接；与限流抽气小孔14相对应的真空室 15的另一端与第五真空截止阀22通过进气小孔20连接；真空室15一侧的 法兰上连接了第三电容薄膜规18，第三电容薄膜规18还与第三真空截止阀 17的一端通过管路连接；第三真空截止阀17的另一端与第二电容薄膜规16 通过管路连接；被校准真空规19安装在真空室15上。

利用上述宽量程现场真空规校准装置进行校准的方法，采用直接比对法 和流导法在11个真空数量级内实现对真空规的校准，具体步骤为：

1)将被校准真空规19安装在真空室15上；打开监测真空计4、23；

2)打开微调阀3、第一真空截止阀5、第二真空截止阀7、稳压室8、第 一截止阀9、第二电磁阀11、全金属角阀13、第三真空截止阀17、第四真空 截止阀21和第五真空截止阀22，然后依次打开机械泵10和分子泵12对真 空室15、稳压室8以及所有的管路抽真空。

3)关闭微调阀3、第一截止阀9、第四真空截止阀21和第五真空截止 阀22，然后打开第一电容薄膜规6、第二电容薄膜规16和第三电容薄膜规 18，稳定4小时后，且真空室15和稳压室8中真空度小于1×10^-4Pa时，对 第一电容薄膜规6、第二电容薄膜规16和第三电容薄膜规18进行调零；然 后关闭第一截止阀9、第四真空截止阀21和第五真空截止阀22；

4)打开减压阀门2和第一真空截止阀5，然后通过调节微调阀3从气源 1向稳压室8中充入压力为1.55Pa的N₂气体，然后关闭微调阀3；稳压室8 中气体压力稳定，保持温度为(23±3)℃；

5)在真空室15中的压力小于1×10^-7Pa(3.8×10^-8Pa)打开第五真空截 止阀22，稳压室8中的气体进入真空室15中；当真空室15中的气体压力稳 定后，记录第一电容薄膜规6的读数的平均值，压力为1.42Pa，然后通过公 式P＝Pu*Cu/C其中Cu/C＝1.3×10^-6，计算出真空室15中的标准压力为1.85 ×10^-6Pa，记录被校准真空规19的读数的平均值为2.2×10^-6Pa；

6)继续通过微调阀3向稳定室8中注入N₂气，重复步骤4)和5)，利 用流导法对被校准真空规19在10^-2～10^-6Pa范围内进行校准；

7)关闭第一真空截止阀5、全金属角阀13和第五真空截止阀22，打开 第四真空截止阀21，气源1中的气体通过减压阀门2、微调阀3和第四真空 截止阀21进入到真空室15中，然后关闭微调阀3，待真空室15中的气体压 力稳定；当真空室15中压力小于133Pa采用第二电容薄膜规16(FS133Pa) 进行测量，记录第二电容薄膜规16和被校准真空规19读数的平均值，分别 为1.24Pa、1.3Pa，计算出修正因子c＝1.24/1.3＝0.95；这样在每个压力数量级 取3个校准点，计算出每个点的修正因子，最后得出平均修正因子为0.96；

8)继续通过微调阀3向真空室15中中注入N₂气体，当真空室15中的 压力接近133Pa时，关闭第三真空截止阀17；通过监测真空计4观察真空室 15中气体压力，当调节到需要的压力点即监测真空计4的读数为201Pa时， 关闭微调阀3，采用第三电容薄膜规18的读数作为标准进行校准，记录第三 电容薄膜规18读数的平均值200.55Pa，记录被校准真空规19读数的平均值 为203.5Pa，计算出修正因子c＝200.55/203.5＝0.99，这样一次通过微调阀3 调整真空室15中气体压力，每个数量级校准3个点，这样利用对比法在10⁵～ 10^-1Pa范围内对被校准真空规19进行校准，最后得出平均修正因子为0.99。

由于被校准的是复合型真空规，分别在10⁵～10^-1Pa和10^-1～10^-7Pa两个 区间范围内是线性的，因此校准结果分别给出修正因子为0.96和0.99；被校 准真空规19的测量不确定度为：在10⁵～10^-1Pa，合成标准测量不确定度1.7％； 在10^-1～10^-7Pa范围内，合成标准测量不确定度2.3％。