CN102393275A - 一种宽量程现场真空规校准装置及方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种宽量程现场真空规校准装置及方法
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Pu，然后通过公式P＝Pu*Cu/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Pu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％。

Claims (7)

1.一种宽量程现场真空规校准装置，其特征在于：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)、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)；
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。
2.一种宽量程现场真空规校准方法，其特征在于具体步骤为：
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Pu，然后通过公式P＝Pu*Cu/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)。
3.根据权利要求2所述的一种宽量程现场真空规校准方法，其特征在于：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。
4.根据权利要求2所述的一种宽量程现场真空规校准方法，其特征在于：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。
5.根据权利要求2所述的一种宽量程现场真空规校准方法，其特征在于：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％。
6.根据权利要求2所述的一种宽量程现场真空规校准方法，其特征在于：步骤5)中每个数量级至少取3个校准点，测量结果Pu是至少6次测量的平均值。
7.根据权利要求2所述的一种宽量程现场真空规校准方法，其特征在于：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。
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