CN219511742U - 一种电容薄膜真空规检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电容薄膜真空规检测装置，该检测装置可分别用比较法和膨胀法对电容薄膜真空规进行校准，被检测的电容薄膜真空规不配备真空仪表；在使用膨胀法进行检测时，通过在膨胀室与校准室之间并联多个气体膨胀管路，可实现多个量程的可选功能。

Description

一种电容薄膜真空规检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种电容薄膜真空规检测装置，属于计量仪器校准检测技术领域。

背景技术

电容薄膜真空规是根据弹性薄膜在压差作用下产生应变而引起电容变化的原理而制成，当膜片受到压差作用时，膜片会发生偏移，导致电容量发生变化，最后经过测量转换电路将电容的变化转换为电压信号。电容薄膜真空规与电子显示单元一起常作为低真空范围段的计量标准器具，具有测量准确度高、线性好、灵敏度高、测量结果与气体种类无关等特点，被广泛使用于航空航天、半导体、医药、化工等众多领域。

目前电容薄膜真空规都是和真空仪表配套进行校准，单独的电容薄膜真空规还无法进行量值溯源，而很多真空系统的仪表都是无法拆卸的，所以研究电容薄膜真空规检测方法，研制一套电容薄膜真空规校准装置是亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种电容薄膜真空规检测装置，该检测装置可分别用比较法和膨胀法对电容薄膜真空规进行校准，被检测的电容薄膜真空规不配备真空仪表；在使用膨胀法进行检测时，通过在膨胀室与校准室之间并联多个气体膨胀管路，可实现多个量程的可选功能。

本实用新型采取以下技术方案：

一种电容薄膜真空规检测装置，包括比较法测量组件A、膨胀法附加测量组件B、气体膨胀组件C、粗抽机械泵18、精抽机械泵19；所述比较法测量组件A包括膨胀室7，膨胀室外接多个不同数量级的量程的电容薄膜真空计9、11、8、13，当采用比较法检测时，膨胀室7还与被校电容薄膜真空规43连接，被校电容薄膜真空规43分别与直流电源44和可检测电压的数字多用表45连接；所述膨胀室7还外接压力氮气源；所述膨胀室7的真空抽气口与所述粗抽机械泵18连接；所述膨胀室7的真空抽气口还与第一分子泵15、精抽机械泵19依次连接；所述膨胀室7还与第一电离真空计12连接；所述膨胀法附加测量组件B包括校准室26，当采用膨胀法检测时，校准室26与被校电容薄膜真空规43连接，被校电容薄膜真空规43分别与直流电源44和可检测电压的数字多用表45连接；所述校准室26的真空抽气口与所述粗抽机械泵18连接；所述校准室26的真空抽气口还与第二分子泵22、精抽机械泵19依次连接；所述校准室26与第二电离真空计27连接；所述气体膨胀组件C包括连接所述膨胀室7和所述校准室26的并联的不同标准体积组成的具有不同膨胀比的气体膨胀管路。

优选的，所述多个不同数量级的量程的电容薄膜真空计9、11、8、13包括1Torr电容薄膜真空计8、10Torr电容薄膜真空计9、100Torr电容薄膜真空计11、1000Torr电容薄膜真空计13。

进一步的，所述压力氮气源为氮气钢瓶1。

优选的，所述校准室26还与1Torr电容薄膜真空计31连接。

一种电容薄膜真空规检测方法，采用上述的电容薄膜真空规检测装置；可选择采用比较法或膨胀法进行检测；

采用比较法时，包括以下步骤：

S1、将被校薄膜真空规43接入膨胀室7，打开被校薄膜真空规43与膨胀室7间的阀门Ⅰ41，开启粗抽机械泵18和连接膨胀室7与粗抽机械泵18之间的阀门Ⅱ23，先对膨胀室7进行粗抽，为开启分子泵15获得高真空做准备；

S2、待膨胀室7压力小于等于10Pa，关闭阀门Ⅱ23，启动精抽机械泵19，打开连通分子泵15与精抽机械泵19之间的阀门Ⅲ17，启动分子泵15，待分子泵15满转时，打开连通膨胀室7与分子泵15的阀门Ⅳ14；开启分子泵，让膨胀室7获得高真空；

S3、待监测的第一电离真空计12示值小于等于1×10^-2Pa时，被校薄膜真空规43在零点时的数值有可能不准，对被校薄膜真空规43进行零点调整；

S4、关闭Ⅳ14，调节连接膨胀室7与氮气钢瓶1的针阀2，使膨胀室7压力由低到高逐个建立所需要的校准点，分别记录1Torr电容薄膜真空计8、10Torr电容薄膜真空计9、100Torr电容薄膜真空计11、1000Torr电容薄膜真空计13的示值和数字多用表14的示值；在测量范围内至少校准10个压力测量点，每个数量级内测量点不少于5个；此步骤为由低到高稳定调整校准室7内压力，记录电容薄膜真空规43在不同真空度下的电压输出值；

S5、校准完毕后，关闭针阀2，依次按顺序关闭阀门Ⅳ14，分子泵15，阀门Ⅲ17，精抽机械泵19，关闭电源；

采用膨胀法时，包括以下步骤：

S1’、将被校薄膜真空规43接入校准室26，打开被校电容薄膜真空规43与校准室26间的阀门42，开启粗抽机械泵18和阀门V24，先对校准室26进行粗抽，为开启第二分子泵22获得高真空做准备；

S2’、待校准室26压力小于等于10Pa，关闭阀门V，启动精抽机械泵19，打开阀门Ⅵ20，启动第二分子泵22，待第二分子泵22满转时，打开阀门Ⅶ25；此步骤让校准室26获得高真空；

S3’、待监测的第二电离真空计27示值小于等于1×10^-2Pa时，对被校薄膜真空规43进行零点调整；被校薄膜真空规43在零点时的数值有可能不准，此步骤对被校薄膜真空规43零点输出值进行调整；

S4’、关闭阀门Ⅶ25，进行膨胀校准：利用气体膨胀组件C有三路膨胀系统可用，体积比分别为k1＝9.4999×10^-2、k2＝1.0605×10^-2、k3＝1.0888×10^-3，根据被校薄膜真空规43测量点选择对应的膨胀的标准体积，校准点从被校薄膜规量程的1/10处开始，测量10个点，按照如下表格选择标准器和体积比：

S5’、根据测量点选择体积比，并根据体积比确定膨胀室压力；打开标准体积33/36/39左侧阀门，调节针阀2使膨胀室压力至所需压力，记录膨胀室压力，关闭左侧阀门，打开标准体积右侧阀门34/37/40，获得标准压力值，并记录数字多用表45测量值；

S6’、校准完毕后，按顺序关闭阀门Ⅶ25，第二分子泵22，阀门Ⅵ20，精抽机械泵19，关闭电源。

优选的，步骤S5’中，校准室标准压力值为：p＝p_n·k+p_n-1·(1-k)k+L L+p₁·(1-k)^(n-1)k；其中，p—校准室标准压力值；p_n—第n次膨胀室取样压力；k—选取的体积比。

进一步的，步骤S5’中，被校薄膜真空规43量程为1Torr，选择10Torr标准器，k2膨胀比；打开k2对应的标准体积36左侧阀门35，调节针阀2使膨胀室压力至所需压力10Torr，记录膨胀室压力，关闭标准体积36左侧阀门35，打开标准体积36右侧阀门37，获得标准压力值，并记录数字多用表测量值。

优选的，还包括对于被校薄膜真空规43的示值相对误差进行不确定度分析的步骤。

本实用新型的有益效果在于：

1)提供了一套电容薄膜真空规的校准检测装置，设计为比较法测量组件A、膨胀法附加测量组件B、气体膨胀组件C三个单元模块，可同时适用于比较法和膨胀法对电容薄膜真空规进行校准；

2)被检测的电容薄膜真空规不需要配备真空仪表，直接根据电压信号进行检测校准，克服了单独的电容薄膜规目前无法进行量值溯源的问题；

3)在使用膨胀法进行检测时，通过在膨胀室与校准室之间并联多个气体膨胀管路，可实现多个量程的可选功能。

附图说明

图1是本实用新型电容薄膜真空规检测装置的结构示意图。

图中，1、氮气钢瓶；2、针阀；3、4、5、6、14、17、20、23、24、25、28、30、41、42、阀门(其中，41阀门Ⅰ，23阀门Ⅱ，17阀门Ⅲ，14阀门Ⅳ，24阀门Ⅴ，20阀门Ⅵ，25阀门Ⅶ)；7、膨胀室；8、1Torr电容薄膜真空计；9、10Torr电容薄膜真空计；11、100Torr电容薄膜真空计；13、1000Torr电容薄膜真空计；10、29、铂电阻温度计；12、第一电离真空计，27、第二电离真空计；15、第一分子泵，22、第二分子泵；16、21、缓冲室；18、粗抽机械泵，19、精抽机械泵；26、校准室；31、1Torr电容薄膜真空计；32、34、35、37、38、40、气动阀；33、36、39、标准体积；43、被校电容薄膜真空规；44、直流电源；45、数字多用表。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进一步说明。

首先对本电容薄膜真空规检测装置的结构组成进行说明：

参见图1，本电容薄膜真空规检测装置包括比较法测量组件A、膨胀法附加测量组件B、气体膨胀组件C、粗抽机械泵18、精抽机械泵19；所述比较法测量组件A包括膨胀室7，膨胀室外接多个不同数量级的量程的电容薄膜真空计9、11、8、13，当采用比较法检测时，膨胀室7还与被校电容薄膜真空规43连接，被校电容薄膜真空规43分别与直流电源44和可检测电压的数字多用表45连接；所述膨胀室7还外接压力氮气源；所述膨胀室7的真空抽气口与所述粗抽机械泵18连接；所述膨胀室7的真空抽气口还与第一分子泵15、精抽机械泵19依次连接；所述膨胀室7还与第一电离真空计12连接；所述膨胀法附加测量组件B包括校准室26，当采用膨胀法检测时，校准室26与被校电容薄膜真空规43连接，被校电容薄膜真空规43分别与直流电源44和可检测电压的数字多用表45连接；所述校准室26的真空抽气口与所述粗抽机械泵18连接；所述校准室26的真空抽气口还与第二分子泵22、精抽机械泵19依次连接；所述校准室26与第二电离真空计27连接；所述气体膨胀组件C包括连接所述膨胀室7和所述校准室26的并联的不同标准体积组成的具有不同膨胀比的气体膨胀管路。

其中，所述多个不同数量级的量程的电容薄膜真空计9、11、8、13包括1Torr电容薄膜真空计8、10Torr电容薄膜真空计9、100Torr电容薄膜真空计11、1000Torr电容薄膜真空计13。

参见图1，本电容薄膜真空规检测方法既可以采用比较法，也可以采用膨胀法进行电容薄膜真空规的校准。比较法测量范围为(1～1000)Torr，膨胀法测量范围为(0.01～1000)Torr。比较法操作简单，而膨胀法测量范围广。

若采用比较法，则将薄膜真空规接入膨胀室7。若采用膨胀法，则将薄膜真空规接入校准室26。将被校电容薄膜真空规安装在校准装置上，连接被校电容薄膜真空规的过渡管道应尽量短，给被校准薄膜真空规正确接上直流电源，并在薄膜真空规的输出端接上电压表。

电容薄膜真空规校准总共分为两步，第一步通过控制机械泵、分子泵、氮气源、阀门等，向被校薄膜真空规提供一定压力的真空度；第二步测量被校薄膜真空规在此真空度下的输出电压。具体操作步骤如下：

一、采用比较法：

真空膨胀室采用圆柱形金属容器，所有接口都在同一水平面上，这样可以保证在接近平衡态的真空条件下进行校准。

采用比较法测试时，包括以下步骤：

1)将被校薄膜真空规接入膨胀室7，打开被校薄膜真空规43与膨胀室7间的阀门41，开启机械泵18和阀门23，先对膨胀室7进行粗抽。此步骤将被校电容薄膜真空规与膨胀室7连通，对膨胀室进行预抽，为开启分子泵获得高真空做准备。

2)待膨胀室压力小于等于10Pa，关闭阀门23，启动机械泵19，打开阀门17，启动分子泵15，待分子泵满转时，打开阀门14。此步骤开启分子泵，让校准室获得高真空。

3)待监测的电离真空计12示值小于等于1×10^-2Pa时，按照电容薄膜真空规的产品技术要求对薄膜规进行零点调整。薄膜规在零点时的数值有可能不准，此步骤为在满足薄膜规调零条件下，对薄膜规零点输出值进行调整。

(4)关闭阀门14，调节针阀2，使膨胀室7压力由低到高逐个建立所需要的校准点，分别记录电容薄膜真空计8或9或11或13的示值和数字多用表14的示值。在测量范围内应至少校准10个压力测量点，每个数量级内测量点应不少于5个。此步骤为由低到高稳定调整校准室内压力，记录电容薄膜真空规在不同真空度下的电压输出值。

5)校准完毕后，关闭针阀2，按顺序关闭阀门14，分子泵15，阀门17，机械泵19，关闭电源。

二、采用膨胀法：

真空校准室采用圆柱形金属容器，所有接口都在同一水平面上，这样可以保证在接近平衡态的真空条件下进行校准。校准室为全金属真空腔，体积约为60L，标准体积为也为全金属结构，三个标准体积大致为6L、0.6L、0.06L，实际的体积比通过原位法测试得到，即在装置安装调试完成后，分别在膨胀室7和校准室26安装高精度压力计或电容薄膜真空计，采用气体膨胀技术对体积比进行原位置精确测量。气体膨胀技术的原理是玻意尔-马略特定律，气体由已知压力的小体积33、36、39向大体积26等温膨胀，产生低压力，膨胀后的平衡压力为：

式中：

P₀—小体积内压力，亦为膨胀室压力；

v—小体积容积(装置中标准体积33、36、39)；

V—大体积容积(装置中校准室26)；

P—校准室平衡后压力；

为体积比，是本装置最重要的基本参数，用k表示。

本装置的体积比测试结果如表1所示：

表1装置的体积比测试结果

本装置采用全金属设计，校准室整体可烘烤至150℃，通过选择放气小、密封性能高的材料和阀门并配以性价比的真空抽气机组，真空校准室的极限压力在烘烤24小时并冷却至室温可以达到为9×10^-7Pa。在测量压力下限0.1Pa处，真空校准室的静态升压率和对电容薄膜真空计校准装置技术性能影响占主导地位。校准室达到极限真空的条件下，关闭抽气阀门，静态升压率为1×10^-5Pa/min；在日常的测试中，静态升压率为9×10^-5Pa/min。

采用膨胀法测试时，包括以下步骤：

1)将被校薄膜真空规接入校准室26，打开被校电容薄膜真空规43与校准室26间的阀门42，开启机械泵18和阀门24，先对校准室26进行粗抽。此步骤将被校电容薄膜真空规与校准室26连通，对校准室26进行预抽，为开启分子泵获得高真空做准备。

2)待校准室26压力小于等于10Pa，关闭阀门24，启动机械泵19，打开阀门20，启动分子泵22，待分子泵满转时，打开阀门25。此步骤开启分子泵，让校准室获得高真空。

3)待监测的电离真空计27示值小于等于1×10-2Pa时，按照电容薄膜真空规的产品技术要求对薄膜规进行零点调整。薄膜规在零点时的数值有可能不准，此步骤为在满足薄膜规调零条件下，对薄膜规零点输出值进行调整。

4)关闭阀门25，进行膨胀校准。本装置有三路膨胀系统可用，体积比分别为k1＝9.4999×10^-2、k2＝1.0605×10^-2、k3＝1.0888×10^-3，所以可根据被校薄膜规测量点选择膨胀的标准体积，由于校准点一般从被校薄膜规量程的1/10处开始，测量10个点，所以可按照如下表格选择标准器和体积比。

(5)根据测量点选择体积比，并根据体积比确定膨胀室压力。打开标准体积左侧阀门，调节针阀2使膨胀室压力至所需压力，记录膨胀室压力，关闭左侧阀门，打开标准体积右侧阀门，获得标准压力值，并记录数字多用表测量值。

校准室标准压力值为：

p＝p_n·k+p_n-1·(1-k)k+L L+p₁·(1-k)^(n-1)k

p—校准室标准压力值；

p_n—第n次膨胀室取样压力；

k—选取的体积比。

以被校薄膜规量程为1Torr为例，可选择10Torr标准器，k2膨胀比。打开标准体积36左侧阀门35，调节针阀2使膨胀室压力至所需压力10Torr，记录膨胀室压力，关闭阀门35，打开标准体积36右侧阀门37，获得标准压力值，并记录数字多用表测量值。

三、不确定度分析：

电容薄膜真空规示值相对误差的数学模型：

式中：

e—被校电容薄膜真空规的示值相对误差；

u_std—标准压力值对应的理论计算值，V；

u_d—被校电容薄膜真空规的实际测量值，V。

灵敏系数：

不确定度评定

式中：

u(e)—被校电容薄膜真空规示值相对误差的标准不确定度；

u_r(u_d)—被校电容薄膜真空规实际测量值的相对标准不确定度；

u_r(u_std)—压力标准装置引入的相对标准不确定度。

各输入量的不确定度评定：

被校电容薄膜真空规实际测量值的相对标准不确定度u_r(u_d)，

u_d的测量不确定度主要来源于测量重复性和电压表的准确度。

压力标准装置引入的相对标准不确定度u_r(u_std)：

u_std＝kp_std

对于比较法，p_std的不确定度来源主要有：标准真空计校准值、标准真空计稳定性以及校准条件引入的不确定度。

对于膨胀法，p_std的不确定度来源主要有：标准真空计校准值、标准真空计稳定性、校准装置体积比、以及校准条件引入的不确定度。

扩展不确定度：

使用电容薄膜真空规校准装置依次对(0.01～1000)Torr的电容薄膜真空规进行校准并对测量不确定度进行评定。

比较法电容薄膜真空规示值相对误差的扩展不确定度为：

(1～1000)Torr，U＝(0.69％～0.02％)(k＝2)

膨胀法电容薄膜真空规示值相对误差的扩展不确定度为：

(0.01～1000)Torr，U＝(1.00％～0.03％)(k＝2)

以上是本实用新型的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本实用新型总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本实用新型要求保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种电容薄膜真空规检测装置，其特征在于：

包括比较法测量组件(A)、膨胀法附加测量组件(B)、气体膨胀组件(C)、粗抽机械泵(18)、精抽机械泵(19)；

所述比较法测量组件(A)包括膨胀室(7)，膨胀室外接多个不同数量级的量程的电容薄膜真空计(9、11、8、13)，当采用比较法检测时，膨胀室(7)还与被校电容薄膜真空规(43)连接，被校电容薄膜真空规(43)分别与直流电源(44)和可检测电压的数字多用表(45)连接；所述膨胀室(7)还外接压力氮气源；所述膨胀室(7)的真空抽气口与所述粗抽机械泵(18)连接；所述膨胀室(7)的真空抽气口还与第一分子泵(15)、精抽机械泵(19)依次连接；所述膨胀室(7)还与第一电离真空计(12)连接；

所述膨胀法附加测量组件(B)包括校准室(26)，当采用膨胀法检测时，校准室(26)与被校电容薄膜真空规(43)连接，被校电容薄膜真空规(43)分别与直流电源(44)和可检测电压的数字多用表(45)连接；所述校准室(26)的真空抽气口与所述粗抽机械泵(18)连接；所述校准室(26)的真空抽气口还与第二分子泵(22)、精抽机械泵(19)依次连接；所述校准室(26)与第二电离真空计(27)连接；

所述气体膨胀组件(C)包括连接所述膨胀室(7)和所述校准室(26)的并联的不同标准体积组成的具有不同膨胀比的气体膨胀管路。

2.如权利要求1所述的电容薄膜真空规检测装置，其特征在于：所述多个不同数量级的量程的电容薄膜真空计(9、11、8、13)包括1Torr电容薄膜真空计(8)、10Torr电容薄膜真空计(9)、100Torr电容薄膜真空计(11)、1000Torr电容薄膜真空计(13)。

3.如权利要求2所述的电容薄膜真空规检测装置，其特征在于：所述压力氮气源为氮气钢瓶(1)。

4.如权利要求1所述的电容薄膜真空规检测装置，其特征在于：所述校准室(26)还与1Torr电容薄膜真空计(31)连接。