正压漏孔校准装置不确定度研究

正压漏孔校准装置不确定度研究

冯科儒

广州计量检测技术研究院  广东广州 510663

摘要 正压漏孔校准装置目前主要由定容法和定压法组成。两种方法各有优缺点，定压法相较于定容法，结构相对简单，搭建成本较低。但是核心原件电容薄膜规在压力增大时薄膜会发生形变引入不确定度。定压法通过改变体积消除压差克服了这一问题，但是改变体积需要活塞杆运动，涉及动密封以及活塞杆控制相对复杂，搭建成本较高。本文详细地介绍定压法校准装置的构成，并开展不确定度评定其各类影响因素。

关键词 正压漏孔 定容法 不确定度

正压漏孔在特定温度、气体种类、进气口压力和出气口压力下，能够提供恒定的气体流量，通常用于检测吸枪式检漏仪。按照其结构，主要可以分为两类，一类是通道型漏孔，即泄漏元件为真实小孔，包括毛细管型、小孔型、金属压扁型等；另一类是渗透型漏孔，示踪气体通常为氦气。在航空航天、电力、微电子、半导体等行业得到广泛应用。为了保证正压漏孔的漏率的准确性，必须定期校准。

正压漏孔的压漏孔校准装置目前主要由定容法和定压法组成。两者都是基于漏率原理，当容积不变时，漏孔漏率，称为定容法。当压力不变时，漏孔漏率，称为定压法。两种方法各有优缺点，定压法相较于定容法，结构相对简单，搭建成本较低。但是核心原件电容薄膜规在压力增大时薄膜会发生形变引入不确定度。定压法通过改变体积消除压差克服了这一问题，测量精度较高。但是改变体积需要活塞杆运动，涉及动密封以及活塞杆控制相对复杂，搭建成本较高。本文介绍一种测量范围为（1×10-6~1×10-4）Pa·m3/s正压漏孔校准装置，并对其测量效果开展不确定度评定。

1 校准原理与装置

漏孔漏率用气体量流量表示为：若保持压力不变，只测量体积对时间的变化量，称为定压法，测量模型为：，体积改变是通过推动活塞杆移动来完成的，活塞杆的面积也可以作为常量提到微分之前。则：。式中：q为漏孔漏率；p为漏孔出气口压力；s为活塞面积；L为活塞移动位移；t为时间。

漏孔中的气体流入校准室，造成校准室压力升高，拉动活塞杆，增大校准室体积，使得压力下降。调节活塞杆移动量，使得校准室压力恒定，或在小范围内波动。通过求得单位时间内活塞杆运动的位移量就能得出漏孔漏率。

定压法正压漏孔校准装置主要由校准室、参考室、差压测量传感器、绝压测量传感器、活塞杆驱动系统，恒温控制系统以及计算机组成，原理结构见图1。校准室与参考室间压差压传感器由MKS690系列电容薄膜规构成，校准室内大气压由CONST273绝压计测量，精密加工活塞杆面积约为2mm2，活塞杆运动由计算机控制精密电机运行，活塞杆位移量由光栅测微仪测量。整套装置嵌入绝热材料制作的水套箱中，水套箱中由循环水泵和紧密半导体恒温系统控制。

2 校准步骤

2.1将活塞杆移动到初始位置，依次关闭阀门10、9，记录气压计读数p；

2.2漏孔气体流入校准室后，差压传感器示值增加，向外拉活塞杆使校准室体积增加，差压传感器示值减小。控制活塞移动，使得差压传感器示值保持在（-Δp~Δp）之间。其中Δp应尽可能小，不大于100Pa，；

2.3活塞正常动作后，取差压传感器正行程（升压）过零点为初始点（时间和位置零点），取最后一次差压传感器正行程（升压）过零点为终点，记录ΔL和Δt；

2.4开启阀门9、10；

2.5虚漏测量

依次关闭阀门8、10、9，移动活塞杆使差压传感器示值为0，记录初始点（时间和位置零点）。等待一段时间（大于Δt）后，移动活塞杆使差压传感器示值为0，记为终止，记录ΔL0和Δt0，虚漏按式计算，漏孔漏率计算按式计算，式中：q 为漏孔漏率值，Pa·m3/s；p为漏孔出气口压力，Pa；s 为活塞杆面积，m2；ΔL为活塞杆移动位移，m；ΔL0为虚漏测量时活塞杆移动位移，m；Δt 为时间间隔，s；Δt0为虚漏测量时，时间间隔，s。

3 不确定度评定

3.1评定依据

JJF 1059.1-2012 测量不确定度评定与表示。

3.2 测量模型

漏孔漏率值的测量模型为：

                  (1)      

式中：q为漏孔漏率值，Pa·m3/s；p为漏孔出气口压力，Pa；s为活塞杆面积，m2；

ΔL为活塞杆移动位移，m；Δt为时间间隔，s；q0为虚漏，Pa·m3/s。

由公式(1)可得：

其中相对灵敏系数：

；；；；；

3.3输入量的标准不确定度分量评定

3.3.1压力测量引入的相对标准不确定度ur(p)

漏孔出气口压力由0.1% F.S.的数字压力计测量得到，按矩形分布，则压力测量引入的相对标准不确定度为：

3.3.2活塞杆面积测量引入的相对标准不确定度ur(s)

活塞杆直径1.596mm，测量不确定度小于1μm，ur(D)=0.063%。三个截面面积偏差小于0.02%，因此活塞面积的相对不确定度估计ur (s)=0.13%。

3.3.3活塞杆位移测量引入的相对标准不确定度

ur(ΔL)

活塞杆位移采用光栅测微仪测量，光栅在全量程内最大偏差为4μm，有效行程为10mm，光栅测量的不确定度ur (ΔL)=0.04%。

3.3.4时间间隔测量引入的相对标准不确定度ur(Δt)

时间间隔测量调用计算机内部计时器，该不确定度可以忽略。软件控制、采样时间间隔为0.1s，按最保守的状态估计，u(Δt)=0.2s。

时间间隔通常为（100~600）s，按最短时间间隔100s计算，ur (Δt)=0.20%。

3.5.5虚漏测量引入的标准不确定度ur(q0)

虚漏主要是环境温度波动引起的压力改变，从而体现为漏孔漏率。对6次虚漏测量值进行A类评定，ur(q0)=20%。

3.4合成标准不确定度

待测漏孔的不确定度一览表如表1所示。

表1待测漏孔的不确定度一览表

3.5计算合成相对标准不确定度

标准不确定度各分量不相关，待测漏孔漏率值q合成标准不确定度ur(q)为：

3.6计算相对扩展不确定度

取包含因子k=2，相对扩展不确定度为：

4 结论

使用了电容薄膜规、光栅测微仪、半导体恒温系统构成的定压法正压漏孔校准装置在校准漏孔漏率范围(1×10-6～1×10-4)Pa·m3/s内，其相对扩展不确定度为Ur=2.2，k=2，能满足绝大部分正压漏孔校准需求。

参考文献

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[2]倪育才． 实用测量不确定度评定( 第 2 版) ［M］． 北京：中国计量出版社，2008

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