冷媒气体泄漏率的定量分析

宋栋梁

(江苏省计量科学研究院，南京 210007)

正压标准漏孔是一种对气体泄漏量进行量值传递的标准器具，它将被测气体置于金属体内，通过预定数目的可渗透薄膜及内外压差向外扩散，由于通孔的形状标准，内外压差可测，因此可用真空科学的经典理论计算直接得出其漏率值，可实现超微小漏率的检测;同时可利用现有的色谱技术对标准漏孔的漏率进行标定。

漏孔根据填充物和功用的不同分为很多种，文中描述的以氟利昂为填充物的标准漏孔。氟利昂等消耗臭氧物质是臭氧层破坏的元凶，氟利昂是本世纪20年代合成的，其化学性质稳定，不具有可燃性和毒性，被当作制冷剂、发泡剂和清洗剂，广泛用于家用电器、泡沫塑料、日用化学品、汽车、消防器材等领域。氟利昂物质有 R134A、R600A、R22、R404c、R407A、R410c等型氟利昂，以冷媒检漏仪为量传对象。

1 工作原理

正压式的标准漏孔常用全金属通导型，其特点反应快，无累积，漏率稳定，不易堵塞。冷媒泄漏率设计浓度范围在1～15 g/a(即克/年)，实际使用时可根据需要在使用范围内进行调节。在量传过程中，把被检仪器的传感器(即探头)对准标准漏孔，来探测氟利昂的标准泄漏量与检漏仪的响应值是否一致。利用小孔流导的基本特性，其流量可以任意调节，校准时流量计提供的流量大小仅与稳压室的压力有关，并且可以将流量计的流量调节到与被校漏孔漏率大小相等，再用四极质谱计将二者进行比较，计算出漏孔的漏率，解决了四极质谱计的线性以及长期稳定性差影响校准结果的问题［1］。由于稳压室中的气体压力高，不需要特别严格的材料处理工艺，不需要彻底烘烤出气就能得到纯净的单一气体，满足校准工作的要求;测量范围达到了10－4～10－7Pa·mVs，评定的合成标准不确定度小于4%。通过对漏率不确定度分量的分析评估、精确校准电容薄膜、控制温度变化等方法可以进一步降低校准不确定度［2］。

表1 漏率换算关系Table1 The conversion relations of leakage rate

表2 3种气体在不同压力下的泄漏率Table2 Three kinds of gas leakage rate under different pressure

2 漏率换算关系

以1 g/a冷媒R22，R134A，R410A在给定检测压力下的真空箱氦检漏系统报警漏率计算。

根据阿弗加德罗定律:

通过表1，就可以轻松将冷媒年泄漏量G和漏孔漏率Q任意转换，值得注意的是由于填充物质不同，物质的摩尔质量M是不一样的，所以在进行漏率换算时要明确泄漏的冷媒物质。

3 线性度测量试验

运用称重比较仪，在对含有不同物质的标准漏孔进行泄漏率的测定，正压漏孔在 0.1～1.0 MPa下的泄漏线性数据见表2。

通过表2可知，标准漏孔内填充了不同的氟利昂物质，它们的泄漏率随着漏孔内部压力的升高而大幅升高，并非呈直线上升，而近似于抛物线上升的趋势。

4 标准漏孔测量不确定度评估

在通常的温湿度和大气压环境条件下，标准漏孔保持一个恒定的漏率，可以用称重比较仪(最大载荷:1000 g;检定分度值:0.1 mg)来检定其泄漏量的准确值，并与其标称值进行比较。以2 g/a的标准漏孔为例，试验时间为15 d，泄漏量为83.3 mg。检测和保存过程中，环境温湿度的波动不能太大，否则对漏率准确度影响就必须要考虑了漏率越大，泄漏量也越大，用上述天平来检测就能够得到较准确的结果。在不考虑其它因素影响时，合成不确定度可保证在10%以内，满足各种半定量或定性的氟利昂检漏仪的检测要求。

4.1 测量方法

把标准漏孔放在称重比较仪上，连续试验15 d，检测标准漏孔的累积泄漏量，并与标准漏孔的标准值进行比较。

4.1.1 数学模型

式中，Q为标准漏孔漏率，g/a;T为泄漏时间，a;Δm为在泄漏时间内的累积泄漏量，g，以下用m表示。

4.1.2 方差与合成不确定度表示

合成不确定度表示:

4.1.3 计算分量标准不确定度

以标准值为2 g/a的标准漏孔为例进行评估。

4.2 质量不确定度分量评估

4.2.1 测量过程中外界环境引入的不确定度u(m1)估算

1.温湿度变化对漏孔漏率的影响

在15 d内，该类影响对漏孔泄漏量引起的偏差在0～2.0 mg，按均匀分布不确定度分量为:

2.空气流动及大气压变化对漏孔漏率的影响

在15 d内，该类影响对漏孔泄漏量引起的偏差在0～2.0 mg，按均匀分布，k =，不确定度分量为:

3.灰尘及取放过程对漏孔质量的影响

在15 d内，该类影响对漏孔泄漏量引起的偏差在0～4.0 mg，按均匀分布，不确定度分量为:

4.由此，对环境影响引入的不确定度进行合成:

4.2.2 由示值重复性估算的不确定度u(m2)

用称重比较仪对标准漏孔的泄漏量进行重复测量，重复6次，每次测量过程为15 d，结果见表3。

表3 重复性试验数据Table3 The data of repeatability tests

4.2.3 称重比较仪的不确定度u(m3)

检定证书给出称重比较仪的最大允许误差为0.02 mg，按均匀分布，因前后两次测量，故乘以

4.3 时间不确定度分量

在15 d内，时间误差应在0～10 min，按平均分布，k，时间不确定度分量为:

以标准值为2 g/a的标准漏孔为例，不确定度分量一览表见表4。

表4 过程不确定度分量Table4 Uncertainty components in process

4.4 合成标准不确定度

以上各量互不相关，故合成标准不确定度为:

4.5 扩展不确定度

假设置信概率p约为95%时，包含因子k取2，扩展不确定度为:

从以上评估结果可以看出，合成不确定度小于4%，小于一般检定要求的10%，能够满足检测使用的要求。

5 实验验证

用色谱法比对，用一台Agilent 7890的PDHID检测器作验证，分别通入浓度为1.01μmol/mol的气体标准物质和相当于1μmol/mol的标准漏孔泄漏气体，色谱进样流量为20 mL/min，1 g/a的泄漏量相当于标准气体的浓度为1.035 μmol/mol，与1.01μmol/mol的标准气体相比，实验得到表5数据。

表5 漏孔泄漏率量值验证Table5 The value validation of leakage rate

通过与标准气体的比对，标准漏孔泄漏率的示值误差优于±4%之内，所以它的量值传递的准确度得到验证。

6 结论

通过以上的定量分析与验证可知，此类正压标准漏孔的校准结果不确定度不大于4%，完全适用于在制冷行业大量应用的各类卤素检漏仪的量值传递。而且标准漏孔本身具有快速测量、操作简单、易于掌握，而且随着现代工业制造技术的发展，其校准不确定度还可以进一步减小等优势，可以把气体泄漏率这一量值做很好的溯源与传递。

［1］杨新民.标准漏孔校准装置的研究与应用［D］，西安:西安电子科技大学，2007.

［2］刘秀林.标准漏孔及其校准［J］.航空计测技术，2001(5):43-45.