现场真空校准装置的设计

冯 焱，孙雯君，成永军，赵 澜

(兰州空间技术物理研究所，甘肃兰州730000)

1 引言

在日常的校准工作中，许多单位提出希望对其使用的真空计进行现场校准。例如，在运载火箭共底压力测量中使用的放射性电离真空计［1］，经过实验室校准投入使用后的这段时间内，无法再次送校。再如，生产线上有大量的真空计，分期分批送校的工作量大、周期长，还要影响生产进度［2］。这种情况下，真空计的技术指标是否还能满足要求，测量数据是否准确可靠，都需要通过现场校准来保障。

现场真空校准装置适用于特殊环境和条件下的真空校准，与实验室校准装置相比有一些不同。首先，装置设计时需要考虑质量、体积等指标。但是，小型化的真空设备，如分子泵、机械泵等，其技术指标要低于普通设备，所以小型化的要求和提高校准水平本身是矛盾的。另外，装置设计时需要考虑其所使用的环境。如果环境温度变化较大时，需要考虑温度变化对电容薄膜规、磁悬浮转子规的影响;如果工作环境存在强震动、强噪声时，则不能正常使用磁悬浮转子规。

为了解决上述问题，在研究了实验室校准装置的设计原理及方法的基础上，研制了可用于现场环境下的真空计校准装置。该装置可适应复杂的现场环境，预计可达到10－4～105Pa的校准范围，还具有质量轻、体积小、便于携带的特点。现场真空校准装置的建立，既方便了客户，又可以保障产品的质量。

2 现场真空校准装置的设计

现场真空校准装置采用了模块化分体式结构，各功能模块可进行拆分和组装，以适应不同的现场环境特点，满足现场真空计的校准需求。

现场真空校准装置总体积小于500 mm×450 mm×850 mm，总质量小于40 kg，主要由供气和进样模块、抽气模块、压力衰减模块、压力测量与校准模块、烘烤模块等五部分组成，其原理图如图1所示。

图1 现场真空校准装置原理图

2.1 供气和进样模块

供气和进样模块由高压气瓶或气袋(23)、微调阀(11)、阀门(22)等组成。根据现场校准的实际情况，可选择不使用压力衰减模块(5，6，7)直接将气体引入到校准室(8)中，或使用压力衰减模块使气体经上游室(5)和小孔(6)衰减后再引入到校准室中。校准气体一般使用纯度为99.99%的高纯氮气。为了达到便携的目的，也可不携带高压气瓶，利用工作现场已有气体进行校准。

2.2 抽气模块

抽气模块由分子泵(10)、机械泵(21)、阀门(9、18、19、20)等组成，可对校准室、上游室、各处管道抽真空，也可使用旁路抽气系统直接对校准室、上游室进行粗抽。为实现校准装置体积小、质量轻、极限真空度高等指标的要求，机械泵选用德国PFEIFFER公司生产的DUO2.5，其质量约为10.5 kg;分子泵选用小型泵，其抽速约为80 L/s，质量约为2.4 kg;为便于将抽气系统与真空系统拆卸，分子泵选用KF法兰接口，便于携带和运输。

2.3 压力衰减模块

压力衰减模块由上游室(5)、小孔(6)、阀门(7)等组成，该模块可方便的拆卸和安装。上游室选用体积为1 L的不锈钢柱形容器，小孔选用厚度为1 mm，直径为45 μm的激光小孔，以保证在校准过程中上游室的压力稳定。在使用压力衰减法进行校准时，需携带该模块。其他情况下，可不携带压力衰减模块。

2.4 压力测量与校准模块

压力测量与校准模块由校准室(8)、电容薄膜真空计(13、15、17)、复合真空计(3)、磁悬浮转子真空计或副标准电离真空计(1)、被校真空计(4)和阀门(2、12、14、16)等组成，可实现对校准室、上游室的压力监测和对被校真空计的校准。

校准室为SUS304L不锈钢球形结构，直径约为200 mm，既有利于建立起均匀的、各向同性的分子流场，又便于携带。

考虑工作现场温度、震动等环境因素和被校真空计校准需求的情况下，选用不同的真空计作为标准真空计。同时，配备便携式计算机，便于对现场校准数据的记录和计算。

2.5 烘烤模块

为了使校准室达到较高的极限真空度，设计了校准室烘烤模块。该系统由真空容器烘烤加热带和温度控制部分组成，当现场校准需要的真空度较高时，可使用该模块对校准室进行烘烤，一般情况下可不携带。

3 校准方法

考虑到不同环境条件对真空计校准结果的影响以及主标准器的使用条件，现场真空校准装置复合了静态比较法、动态比较法和压力衰减法3种方法，可实现校准范围为10－4～105Pa的真空计的校准。根据现场校准需求和工作环境状况，分别选用不同的模块和方法实现对真空计的校准。

3.1 10－1～105 Pa范围内真空计的校准

当真空计的校准范围为10－1～105Pa时，选用静态比较法实现校准。采用该方法时，可以选用满量程为133.3Pa(13)和133 333.3 Pa(15)的电容薄膜真空计作为标准真空计，不携带其他真空计、压力衰减模块及其相关供气、抽气管路;同时，需考虑环境温度对电容薄膜真空计的影响。校准前，在实验室完成不同温度下电容薄膜真空计的修正实验，得到其温度修正曲线。

校准时，校准室抽至小于10－4Pa的本底压力后关闭抽气阀门(9)，打开微调阀(4)向校准室引入校准气体。当校准室达到所需的静态平衡校准压力时，关闭微调阀，分别记录电容薄膜真空计和被校真空计的读数，二者之比即为被校真空计的校准因子。记录校准过程中的温度变化，利用实验室修正曲线对校准结果进行修正。

3.2 10－4～10－1Pa 范围内真空计的校准——动态比较法

当真空计的校准范围为10－4～10－1Pa，且工作现场无电磁场和强噪音干扰，尤其是震动较小时，可考虑采用动态比较法实现校准。一般使用磁悬浮转子真空计［3］作为标准真空计(1);当工作现场环境不宜使用磁悬浮转子真空计时，可使用副标准电离真空计作为标准真空计。这种情况下，不携带其他真空计、压力衰减模块及其相关供气、抽气管路。校准前，在实验室完成不同温度下磁悬浮转子真空计的修正实验，得到其温度修正曲线。

校准时，安装抽气限流小孔，抽气阀门处于开启状态，调节微调阀(4)向校准室(5)注入不同流量的气体增压进行校准。当校准室达到所需的动态平衡校准压力时，关闭微调阀，分别记录标准真空计和被校真空计的读数，二者之比即为被校真空计的校准因子。同时，记录校准过程中的温度变化，利用修正曲线对校准结果进行修正。

3.3 10－4～10－1Pa 范围内真空计的校准——压力衰减法

如果工作现场存在强震动或强磁场时，不能使用磁悬浮转子真空计或电离真空计作为标准真空计与被校真空计进行比较校准，可考虑选用压力衰减法实现校准。一般使用电容薄膜真空计(13)作为参考标准，测量上游室的压力，校准过程中只需考虑温度的影响。

校准时，调节微调阀(11)向上游室(4)引入校准气体，使上游室的气体压力处于10－1～100 Pa的范围内。若小孔的压力衰减比为1 000，即可在校准室形成10－4～10－1Pa的压力范围。校准室中的压力满足

式中 Rp为压力衰减比，无量纲;p1为上游室压力，Pa;p2为校准室压力，Pa。

根据气体流动状态的判别方法［4］，当珋pd＜0.02 Pa·m时，即为分子流状态。其中，珋p为小孔两端的气体平均压力，Pa;d为小孔的直径，m;p2为校准室压力，Pa。

不同压力下珋pd乘积的计算数据如表1所列。由表1的理论计算结果可知，当上游室气体压力范围为10－1～100 Pa时，气体分子处于分子流状态。在这种情况下，只要分别测量校准室和上游室的标准压力，通过式(2)即可计算得到小孔的压力衰减比

表1 不同压力下珔pd乘积的计算数据

分别记录标准真空计和被校真空计的读数，将标准真空计的读数p1和压力衰减比Rp的实际测量值带入式(1)，即可计算得到校准室的标准压力值。标准压力值和被校真空计的读数之比即为被校真空计的校准因子。

需要说明的是，由于该方法以上游室的真空度为标准压力，故可在校准室极限真空度为10－6Pa的情况下，将校准下限可延伸至10－5Pa的量级，这方面的工作将另撰文研究。另外，本方法中激光小孔的流导值可用实验方法和理论方法进行测量和标定［5］。

4 校准装置的测量不确定度分析

4.1 比较法测量不确定度分析

采用静态和动态比较法进行校准时，校准装置的不确定度来源主要包括以下几个方面。1)主标准器的测量不确定度:由一等标准的不确定度、加上随机校准的不确定度分量合成，估计为1%;2)本底压力引入的测量不确定度:实际校准时采用氮气作为校准气体，要求本底压力低于最小被校压力的2个数量级，这样本底压力造成的不确定度分量估计为1%;3)现场环境影响引入的测量不确定度:现场工作环境条件不易控制，将对校准结果产生较大的影响，不确定度分量估计为6%;4)校准室中压力波动造成的不确定度，该不确定度分量通过实验可得到，估计为1%。

以上各分量均不相关，采用方和根法［6］可得到合成标准不确定度，约为7%。

4.2 压力衰减法测量不确定度分析

采用压力衰减法进行校准时，校准装置的不确定度来源除了包括以上提及的四项来源之外，还包括由于小孔引起的压力衰减系数带来的不确定度，该项不确定度估计为1%。以上各分量均不相关，采用方和根法可得到合成标准不确定度，约为7%。

综上所述，现场真空合成标准装置的校准不确定度估计值为7%。

装置加工调试完成后，我们将开展实验研究工作，实验结果将另撰文讨论。

5 结论

现场真空校准装置的设计中，复合了静态比较法、动态比较法和压力衰减法3种真空校准方法，采用了模块化分体式结构，实现了小型化和预期的技术指标。现场真空校准装置的校准范围预计为10－4～105Pa，合成标准不确定度预估小于7%。该校准装置的建立，可直接解决现场真空校准的问题，让真空计量走出校准实验室，直接为基层服务。

［1］李莉，赵光平，赵澜，等.放射性电离真空计的校准方法［J］.真空与低温，2010，3:174～176.

［2］张涤新.真空计量的需求与发展［J］.真空与低温，2007，3:125 ～127.

［3］李正海，李得天.磁悬浮转子规使用中应注意的几个问题［J］.真空与低温，2003，4:224～227.

［4］达道安.真空设计手册第三版［M］.北京:国防工业出版社，2004.102.

［5］张涤新，郭美如，冯焱，等.小孔流导测量方法的研究［J］.真空与低温，2005，1:22 ～28.

［6］JJF1059－1999，测量不确定度评定与表示［S］.