CN107677329B - 一种多气体成分的真空漏孔流量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多气体成分的真空漏孔流量测量装置及方法，能够获得任意组分气体标准流量，实现多气体成分的真空漏孔流量的准确测量。采用限流元件和微调阀串接的多路标准流量管路并联后和测量室组成气路，通过微调阀的多路联合调节实现标准气体流量的准确获取。本发明的多气体成分的真空漏孔流量测量方法，依据被测气体质谱图，通过微调阀的调节，获得相应的压力计与真空规测量数据，进而获得流入测量室混合的标准气体流量，实现一定流量值和一定组分比例的标准气体流量的准确提供，使得标准气体流量能够简单准确的获得，克服了现有标准流量计由于流量连续变化、更换或者并联不同结构类型漏率元器件所带来的标准气体流量的不准确的问题。

Description

一种多气体成分的真空漏孔流量测量装置及方法

技术领域

本发明涉及真空漏孔测量技术领域，具体涉及一种多气体成分的真空漏孔流量测量装置及方法。

背景技术

目前，在真空系统中，获得标准气体流量的一个基本方法是采用气体漏率元器件，即利用经过计量部门计量后的标准参考漏孔连接入相应的真空系统。这种方法尽管可实现标准气体流量的获得，但由于一个漏率元器件只能提供一个流量值的标准气体流量，获得的标准气体流量难以满足对于标准气体流量连续变化或者短时间内数个不同流量值的要求。并且在现阶段的标准气体流量的装置中，一般都只能提供单一成分气体的流量，其组分一般由气瓶提供厂商提供，不能提供具有多组分标准气体流量的气体流量。

另外一种提供标准气体流量的方法是利用通道型的漏率元器件通过极为有限的改变条件，使得通过其气体流量发生极为有限的改变。将数个漏率元器件并联，可以在不同量级内实现流量的控制。但是在使用的过程中漏率元器件工作状态发生变化，导致最终提供的标准气体流量出现较大的不确定度，难以获得多组分准确混合比例下标准气体流量，这种方法获得的标准气体流量也难以满足对于标准气体流量连续变化或者短时间内数个不同流量值的要求。

现有标准流量的获得中，必需采用各种不同规格的漏率元器件组合获得连续流量，气体种类唯一，无法按需进行一定组分气体的混合，从而无法对多气体成分的真空漏孔流量进行测量。现有标准流量计由于流量连续变化的需求，通过采用更换或者并联不同结构类型漏率元器件实现流量测量，带来标准气体流量的不准确的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种多气体成分的真空漏孔流量测量装置及方法，能够获得任意组分气体标准流量，实现多气体成分的真空漏孔流量的准确测量。

本发明的技术方案如下：

本发明的多气体成分的真空漏孔流量测量装置，包括多路标准流量管路、压力计、质谱计、测量室、抽气机组和被测气体进气阀门；外围设备为被测真空漏孔，被测真空漏孔流出的气体为由多气体成分组成的混合气体；

其中，标准流量管路包括依次串接的气瓶、微调阀、混合进气阀门、限流元件和出气阀门，各路标准流量管路的出气阀门并联后接测量室；被测真空漏孔通过被测气体进气阀门与测量室相连；

混合气体中各气体成分对应的各个单一气体，作为单一标准气体充装在各路标准流量管路的气瓶中；微调阀为连续压力调节阀门；

压力计用于测量各路标准流量管路中的微调阀与混合进气阀门之间的气体压力，以及测量室内的气体压力；质谱计用于测量测量室内气体的质谱图和离子流；抽气机组用于对测量室进行抽气。

较佳地，利用绝压式压力计对各路标准流量管路中的微调阀与混合进气阀门之间的气体压力进行测量；利用真空规对测量室内的气体压力进行测量。

较佳地，混合进气阀门、出气阀门以及被测气体进气阀门均为全金属超高真空阀。

进一步地，限流元件为限流小孔、标准流量计或标准漏孔。

采用本发明的多气体成分的真空漏孔流量测量装置进行测量的测量方法，包括如下步骤：

步骤1，初始时，所有阀门为关闭状态；开启抽气机组将测量室抽至本底压力，关闭抽气机组，通过质谱计测量得到装置本底对应的室内离子流I₀；

步骤2，打开被测气体进气阀门，由多气体成分组成的混合气体通过被测真空漏孔流入测量室内，通过质谱计测量得到被校真空漏孔对应的室内离子流I_L，并得到混合气体质谱图；

步骤3，关闭被测气体进气阀门，再次开启抽气机组将测量室抽至本底压力，关闭抽气机组；

步骤4，打开任意一路标准流量管路，对应气瓶中的气体流入标准流量管路，根据质谱计的读数调节该标准流量管路上的微调阀，使得质谱计测得的质谱与步骤2得到的混合气体质谱图中对应气体的质谱一致，停止调节微调阀，记录此时标准流量管路上微调阀与混合进气阀门之间的气体压力P₁₁，以及测量室内的气体压力P₁₂；依据P₁₂与P₁₁的差值，以及该标准流量管路上限流元件的流导，得到该标准流量管路的标准气体流量；

步骤5，依次打开其他标准流量管路，对应气瓶中的气体依次流入标准流量管路；

其中，每打开一路标准流量管路，则根据质谱计的读数调节该标准流量管路上的微调阀，使得质谱计测得的质谱与步骤2得到的混合气体质谱图中对应气体的质谱一致，停止调节微调阀，记录质谱一致时，标准流量管路上微调阀与混合进气阀门之间的气体压力以及测量室内的气体压力，测量室内的气体压力与前一次记录的测量室内的气体压力作差得到测量室压力差值，依据测量室压力差值与标准流量管路上微调阀与混合进气阀门之间的气体压力之差，以及该标准流量管路上限流元件的流导，得到该标准流量管路的标准气体流量；

各路标准流量管路的微调阀均调节完成后，质谱计测得的质谱与步骤2得到的混合气体质谱图一致，记录此时质谱计测得的离子流，即混合的标准气体流量的离子流I_S；

各个标准流量管路的标准气体流量之和，即为流入测量室混合的标准气体流量Q_S；

步骤5，根据式(1)计算被测真空漏孔的流量Q_L：

有益效果：

本发明的一种多气体成分的真空漏孔流量测量装置，依据被测气体的质谱图，选择相应的标准气体，适用于任意组分的气体；采用限流元件和微调阀串接的多路标准流量管路并联后和测量室组成气路，通过微调阀的多路联合调节实现标准气体流量的准确获取，从而获得多气体成分的真空漏孔流量准确、有效。

本发明的多气体成分的真空漏孔流量测量方法，依据被测气体质谱图，通过微调阀的调节，获得相应的压力计与真空规测量数据，进而获得流入测量室混合的标准气体流量，实现一定流量值和一定组分比例的标准气体流量的准确提供，使得标准气体流量能够简单准确的获得，克服了现有技术中标准气体流量提供不准确的问题。

附图说明

图1为本发明多气体成分的真空标准气体流量获得装置示意图。

其中，1-第一气瓶，2-第二气瓶，3-第三气瓶，4-第一微调阀，5-第二微调阀，6-第三微调阀，9-第一混合进气阀门，10-第二混合进气阀门，11-第三混合进气阀门，15-第一出气阀门，16-第二出气阀门，17-第三出气阀门，22-被测气体进气阀门，8-绝压式压力计，12-第一限流元件，13-第二限流元件，14-第三限流元件，18-质谱计，19-真空规，20-测量室，21-抽气机组，23-被测真空漏孔。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的多气体成分的真空漏孔流量测量装置，包括多路标准流量管路、压力计、质谱计18、测量室20、抽气机组21和被测气体进气阀门22；

外围设备为被测真空漏孔23，被测真空漏孔流出的气体为由多气体成分组成的混合气体；

其中，标准流量管路包括依次串接的气瓶、微调阀、混合进气阀门、限流元件和出气阀门，各路标准流量管路的出气阀门并联后接测量室20；被测真空漏孔23通过被测气体进气阀门22与测量室20相连；

混合气体中各气体成分对应的各个单一气体，作为单一标准气体充装在各路标准流量管路的气瓶中；微调阀为连续压力调节阀门；

压力计用于测量各路标准流量管路中的微调阀与混合进气阀门之间的气体压力，以及测量室内的气体压力；质谱计用于测量测量室内气体的质谱图和离子流；抽气机组用于对测量室进行抽气。限流元件为限流小孔、标准流量计或标准漏孔，通导能力确定且流导已知。

本实施例中，混合气体包括气体成分，对应3个单一气体，以3个气瓶为例，如图1所示，测量装置包括第一标准流量管路、第二标准流量管路和第三标准流量管路以及绝压式压力计8、质谱计18、真空规19、测量室20、抽气机组21、被测气体进气阀门22以及被测真空漏孔23；

各标准流量管路上包括对应编号的第一气瓶1、第二气瓶2、第三气瓶3、第一限流元件12、第二限流元件13、第三限流元件14、第一微调阀4、第二微调阀5、第三微调阀6、第一混合进气阀门9、第二混合进气阀门10、第三混合进气阀门11、第一出气阀门15、第二出气阀门16和第三出气阀门17。

被测气体进气阀门22打开，被测真空漏孔23流出的多气体成分的混合气体被引入测量室20中。

流经第一限流元件12、第二限流元件13或第三限流元件14的标准气体，分别通过第一混合进气阀门15、第二混合进气阀门16或第三混合进气阀门17流入测量室20内；各个标准流量管路上所有阀门均打开时，测量室20内为混合后的标准气体。

利用绝压式压力计8测量各路标准流量管路中的微调阀与混合进气阀门之间的气体压力，利用真空规19测量测量室20内的气体压力，质谱计18测量测量室20内的离子流。混合进气阀门、出气阀门以及被测气体进气阀门均为全金属超高真空阀。

采用本发明的多气体成分的真空漏孔流量测量装置进行测量的方法，包括如下步骤：

步骤1，初始时，所有阀门为关闭状态；开启抽气机组将测量室20抽至本底压力，关闭抽气机组，通过质谱计18测量得到装置本底对应的室内离子流I₀；

步骤2，打开被测气体进气阀门，由多气体成分组成的混合气体通过被测真空漏孔23流入测量室20内，通过质谱计18测量得到被校真空漏孔对应的室内离子流I_L，并得到混合气体质谱图；

步骤3，关闭被测气体进气阀门，再次开启抽气机组将测量室20抽至本底压力，关闭抽气机组；

步骤4，打开任意一路标准流量管路，对应气瓶中的气体流入标准流量管路，根据质谱计的读数调节该标准流量管路上的微调阀，使得质谱计18测得的质谱与步骤2得到的混合气体质谱图中对应气体的质谱一致，停止调节微调阀，记录此时标准流量管路上微调阀与混合进气阀门之间的气体压力P₁₁，以及测量室内的气体压力P₁₂；依据P₁₂与P₁₁的差值(P₁₂-P₁₁)，以及该标准流量管路上限流元件的流导，得到该标准流量管路的标准气体流量；

步骤5，依次打开其他标准流量管路，对应气瓶中的气体依次流入标准流量管路；

其中，每打开一路标准流量管路，则根据质谱计的读数调节该标准流量管路上的微调阀，使得质谱计18测得的质谱与步骤2得到的混合气体质谱图中对应气体的质谱一致，停止调节微调阀，记录质谱一致时，标准流量管路上微调阀与混合进气阀门之间的气体压力以及测量室内的气体压力，测量室内的气体压力与前一次记录的测量室内的气体压力作差得到测量室压力差值，依据测量室压力差值与标准流量管路上微调阀与混合进气阀门之间的气体压力之差，以及该标准流量管路上限流元件的流导，得到该标准流量管路的标准气体流量；

各路标准流量管路的微调阀均调节完成后，质谱计18测得的质谱与步骤2得到的混合气体质谱图一致，记录此时质谱计测得的离子流，即混合的标准气体流量的离子流I_S；

各个标准流量管路的标准气体流量之和，即为流入测量室混合的标准气体流量Q_S；

步骤5，根据式(1)计算被测真空漏孔的流量Q_L：

式中：Q_L—被测真空漏孔的流量，单位为Pa·m³/s；

Q_S—流入测量室混合的标准气体流量，单位为Pa·m³/s；

I₀—装置本底对应的室内离子流，单位为A；

I_L—被校真空漏孔对应的室内离子流，单位为A；

I_S—混合的标准气体流量的离子流，单位为A。

以3个气瓶为例，采用本发明的多气体成分的真空漏孔流量测量装置进行测量的方法的步骤为：

步骤1，初始时，所有阀门为关闭状态；开启抽气机组将测量室20抽至本底压力，关闭抽气机组，通过质谱计18测量得到装置本底对应的室内离子流；

步骤2，打开被测气体进气阀门，由多气体成分组成的混合气体通过被测真空漏孔23流入测量室20内，通过质谱计18测量得到被校真空漏孔对应的室内离子流I_L，并得到混合气体质谱图；

步骤3，关闭被测气体进气阀门，再次开启抽气机组将测量室20抽至本底压力，关闭抽气机组；

步骤4，打开第一标准流量管路，第一气瓶中的气体流入标准流量管路，根据质谱计的读数调节第一微调阀，并实时观察质谱计的测量数据，使得质谱计18测得的质谱与步骤2得到的混合气体质谱图中对应气体的质谱一致，停止调节第一微调阀，记录此时第一微调阀与第一混合进气阀门之间的气体压力P₁₁，以及测量室内的气体压力P₁₂；依据P₁₂与P₁₁的差值ΔP₁，以及第一限流元件的流导C₁，得到第一标准流量管路的标准气体流量Q_s1；

步骤5，打开第二标准流量管路，第二气瓶中的气体流入第二标准流量管路；

根据质谱计的读数调节第二微调阀，并实时观察质谱计的测量数据，使得质谱计18测得的质谱与步骤2得到的混合气体质谱图中对应气体的质谱一致，停止调节第二微调阀，记录标准流量管路上第二微调阀与第二混合进气阀门之间的气体压力P₂₁以及测量室内的气体压力P₂，测量室内的气体压力P₂与前一次记录的测量室内的气体压力P₁₂作差得到测量室压力差值P₂₂，依据测量室压力差值P₂₂与气体压力P₂₁的差值ΔP₂，以及第二限流元件的流导C₂，得到第二标准流量管路的标准气体流量Q_s2

打开第三标准流量管路，第三气瓶中的气体流入第三标准流量管路；

根据质谱计的读数调节第三微调阀，并实时观察质谱计的测量数据，使得质谱计18测得的质谱与步骤2得到的混合气体质谱图中对应气体的质谱一致，停止调节第三微调阀，记录质谱一致时，标准流量管路上第三微调阀与第三混合进气阀门之间的气体压力P₃₁以及测量室内的气体压力P₃，测量室内的气体压力P₃与前一次记录的测量室内的气体压力P₂作差得到测量室压力差值P₃₂，依据测量室压力差值P₃₂与气体压力P₃₁的差值ΔP₃，以及第三限流元件的流导C₃，得到第三标准流量管路的标准气体流量Q_s3；

第一、第二和第三微调阀均调节完成后，质谱计18测得的质谱与步骤2得到的混合气体质谱图一致，记录此时质谱计测得的离子流，即混合的标准气体流量的离子流I_S；

各个标准流量管路的标准气体流量之和，即为流入测量室混合的标准气体流量Q_S，Q_s＝Q_s1+Q_s2+Q_s3；

步骤5，根据式(1)计算被测真空漏孔的流量Q_L：

得到的Q_S、I₀、I_L、I_S分别为1.54×10^-8Pa·m³/s，3.35×10^-15A，1.08×10^-11A，3.18×10^-11A，代入式(1)计算得到被测真空漏孔的流量Q_L为7.92×10^-9Pa·m³/s，使用本发明实现了对多气体成分的真空漏孔流量测量。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多气体成分的真空漏孔流量测量装置，其特征在于，包括多路标准流量管路、压力计、质谱计(18)、测量室(20)、抽气机组(21)和被测气体进气阀门(22)；外围设备为被测真空漏孔(23)，被测真空漏孔流出的气体为由多气体成分组成的混合气体；

其中，标准流量管路包括依次串接的气瓶、微调阀、混合进气阀门、限流元件和出气阀门，各路标准流量管路的出气阀门并联后接测量室(20)；被测真空漏孔(23)通过被测气体进气阀门(22)与测量室(20)相连；

混合气体中各气体成分对应的各个单一气体，作为单一标准气体充装在各路标准流量管路的气瓶中；微调阀为连续压力调节阀门；

压力计用于测量各路标准流量管路中的微调阀与混合进气阀门之间的气体压力，以及测量室内的气体压力；质谱计用于测量测量室内气体的质谱图和离子流；抽气机组用于对测量室进行抽气。

2.如权利要求1所述的一种多气体成分的真空漏孔流量测量装置，其特征在于，利用绝压式压力计对各路标准流量管路中的微调阀与混合进气阀门之间的气体压力进行测量。

3.如权利要求1所述的一种多气体成分的真空漏孔流量测量装置，其特征在于，所述混合进气阀门、出气阀门以及被测气体进气阀门均为全金属超高真空阀。

4.如权利要求1所述的一种多气体成分的真空漏孔流量测量装置，其特征在于，所述限流元件为限流小孔、标准流量计或标准漏孔。

5.一种多气体成分的真空漏孔流量测量方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一权利要求所述的多气体成分的真空漏孔流量测量装置进行测量，包括如下步骤：

步骤1，初始时，所有阀门为关闭状态；开启抽气机组将测量室(20)抽至本底压力，关闭抽气机组，通过质谱计(18)测量得到装置本底对应的室内离子流I₀；

步骤2，打开被测气体进气阀门，由多气体成分组成的混合气体通过被测真空漏孔(23)流入测量室(20)内，通过质谱计(18)测量得到被测真空漏孔对应的室内离子流I_L，并得到混合气体质谱图；

步骤3，关闭被测气体进气阀门，再次开启抽气机组将测量室(20)抽至本底压力，关闭抽气机组；

步骤4，打开任意一路标准流量管路，对应气瓶中的气体流入标准流量管路，根据质谱计的读数调节该标准流量管路上的微调阀，使得质谱计(18)测得的质谱与步骤2得到的混合气体质谱图中对应气体的质谱一致，停止调节微调阀，记录此时标准流量管路上微调阀与混合进气阀门之间的气体压力P₁₁，以及测量室内的气体压力P₁₂；依据P₁₂与P₁₁的差值，以及该标准流量管路上限流元件的流导，得到该标准流量管路的标准气体流量；

步骤5，依次打开其他标准流量管路，对应气瓶中的气体依次流入标准流量管路；

其中，每打开一路标准流量管路，则根据质谱计的读数调节该标准流量管路上的微调阀，使得质谱计(18)测得的质谱与步骤2得到的混合气体质谱图中对应气体的质谱一致，停止调节微调阀，记录质谱一致时，标准流量管路上微调阀与混合进气阀门之间的气体压力以及测量室内的气体压力，测量室内的气体压力与前一次记录的测量室内的气体压力作差得到测量室压力差值，依据测量室压力差值与标准流量管路上微调阀与混合进气阀门之间的气体压力之差，以及该标准流量管路上限流元件的流导，得到该标准流量管路的标准气体流量；

各路标准流量管路的微调阀均调节完成后，质谱计(18)测得的质谱与步骤2得到的混合气体质谱图一致，记录此时质谱计测得的离子流，即混合的标准气体流量的离子流I_S；

各个标准流量管路的标准气体流量之和，即为流入测量室混合的标准气体流量Q_S；

步骤5，根据式(1)计算被测真空漏孔的流量Q_L：