基于不同气体和压力下通道型正压标准漏孔漏率的分析

刘燚 刘贝贝 周宇仁 庄炜杰 邬昕 胡馨丹 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

随着科技的迅速发展，通道型标准漏孔广泛应用于电子器件、制冷、航空航天等工业领域[1]。通道型标准漏孔根据出口端压力是真空或是大气压，可以分为真空漏孔和正压标准漏孔[2]。通道型正压标准漏孔出口端压力为大气压，进口端压力高于大气压，影响通道型正压标准漏孔漏率值的因素主要有气体类型和进口端压力以及气体的温度[3,4]。不同气体类型对漏孔的漏率值有很大影响，有学者使用真空标准漏孔在H2、He、D2三种气体以及不同的入口端压力下研究了本底漏率对校准漏孔漏率的影响，发现漏孔漏率与气体黏度成反比这一结论[5]。与此同时，研究者用N2和He2两种气体对同一个金属压扁型正压漏孔的漏率进行了不同压力下的研究，并根据黏滞流-分子流理论对结果作了修正[6]。此外，还有学者研究了同一气体在多种压力下金属压扁型正压漏孔漏率随压力的变化，并推导出正压漏孔漏率随压力变化的修正公式。

以往的研究主要集中于分析真空标准漏孔或金属压扁型正压漏孔在不同压力以及H2、He、D2或He2等气体类型下漏率值随压力的变化，而使用高纯空气对通道型正压标准漏孔漏率随压力的变化研究较少。本文主要采用高纯空气和高纯氮气以及高纯氦气分别研究在不同压力条件下漏率值随压力的变化，并将三种气体在同一压力条件下所得的漏率值作了比较分析。

1 测量装置及不确定度分析

1.1 测量装置

通道型正压标准漏孔校准装置如图1所示。该装置由供气源端、被测端、数据显示端组成。其中，供气源端通过气瓶中的高纯气源提供，气体经过减压阀减压后再经手动调节阀，手动调节阀的作用是控制压力大小。压力通过数字压力计显示，数字压力计安装在手动泵上，手动泵的作用是微调压力。被测端用于安装通道型标准漏孔，安装中要确保不漏气。经过被测端的气体最后进入数据显示端，数据显示端是通过测量范围为 1～220 mL/min的皂膜流量计显示漏率。

图1 通道型标准漏孔校准装置

1.2 不确定度分析

在测量过程中，环境温度维持在（20±1）℃，环境相对湿度为35%～45%，大气压为102.3 kPa。测量过程周围无作用力、无热源、无磁场等干扰因素。测量主要依据正压标准漏孔校准装置操作规范，漏率值由以下公式计算：

式中：Qvi——每次测得的漏率；

测量中的不确定度来源主要有：重复测量、皂膜流量计、进口端气源压力波动、压力测量[8]。本次不确定度分析将高纯空气作为分析对象。

重复测量是对同种气体在同一气源压力下的漏率值进行测量6次，本次气源是高纯空气，取最小的气源压力10 kPa，标称漏率值为 1.08 mL/min。在气源压力为10 kPa的条件下获得的6次实测漏率值分别为 1.09 mL/min、1.09 mL/min、1.08 mL/min、1.08 mL/min、1.09 mL/min、1.08 mL/min。采用极差法计算重复测量获得的相对标准不确度：

式中：S(Qi)——被测漏率值的重复性；

Qmax——重复测量中最大的漏率值；

Qmin——重复测量中最小的漏率值；

C——极差系数（C=2.53）

目前所使用的皂膜流量计的最大允许误差为±1%，服从均匀分布，其中，则得到的皂膜流量计相对标准不确定度：。

进口端气源压力波动引入的不确定度，在满足JJF 1627-2017皂膜流量计法标准漏孔校准规范6.2.1.3规定的条件下，得到的进口端气源压力波动相对标准不确定度：ur(p0)=1%。

压力测量引入的不确定度，根据测量范围为0～600 kPa的数字压力计，准确度等级为0.05级且服从均匀分布，k取，则由压力测量引入的相对标准不确定度：。

相对合成标准不确定度：

2 结果与讨论

2.1 不同压力对漏率的影响

高纯空气在不同的气源压力下对通道型正压标准漏孔漏率的影响如图2所示。最小的气源压力给定10 kPa，得到的实测漏率值为1.08 mL/min。从图2中可以看出，在气源压力从10 kPa增加到80 kPa的过程中，漏率与压力基本成比例。当压力继续增大超过100 kPa时，可以明显地看到漏率有突然增大的趋势。例如气源压力从100 kPa增大到150 kPa，漏率值的变化量为9.29 mL/min，气源压力从550 kPa增大到600 kPa时，漏率值的变化量为14.47 mL/min。因此，在气源压力超过100 kPa时，漏率会随着压力的增大而迅速增大。这主要是因为在低于100 kPa的气源压力下，高纯空气在通道型正压标准漏孔中压力与气体的黏滞力达到一种平衡状态，使得压力与漏率值基本成比例关系。当压力超过100 kPa后，气体在漏孔中的黏滞力有减弱的趋势，使得漏率增量不断增大。

图2 高纯空气在不同压力下通道型正压标准漏孔的漏率

2.2 不同气体对漏率的影响

高纯空气和高纯氮气以及高纯氦气在不同的气源压力下获得的通道型正压标准漏孔的漏率如图3所示。从图3中可以看出，对于进口端不同的气体类型，通道型正压标准漏孔的漏率都会随着进口压力的增大而增大。在气源压力低于40 kPa时，气体类型对漏孔的漏率值的影响较小，漏率值基本相近，但始终是高纯氦气所获得的漏率值较大。当气源压力高于200 kPa时，可以看到高纯氦气所获得的漏率值明显高于高纯氮气和高纯空气所获得的漏率值。这主要是因为相对原子质量越小，气体在漏孔中的黏滞性越低，在相同的进口端压力下气体的流速越大，从而使漏率值增大。此外，还可以看出，当进口端的气源为高纯空气、高纯氮气时，通道型标准漏孔所获得的漏率值相差较小，这是因为在空气中，氮气的含量占78%左右，且氮气的相对原子质量小于空气的相对原子质量，氮气的黏滞性能较弱，因此，始终是高纯氮气的漏率值高于高纯空气的漏率值。

图3 不同气体类型及不同压力下通道型正压标准漏孔的漏率

通道型正压标准漏孔的进气端通入气体分别为高纯空气、高纯氮气、高纯氦气，且气源压力为600 kPa时，通道型正压标准漏孔所获得的漏率值分别为 137.87 mL/min、144.38 mL/min、191.47 mL/min。进气端为高纯氮气所获得的漏率值比高纯空气所获得的高4.7%，进气端为高纯氦气所获得的漏率值比高纯空气所获得的高38.9%。这说明同一通道型正压标准漏孔在通入不同气体时，较大压力下获得的漏率值相差较大。通道型正压标准漏孔在较大的气源压力下检测漏率，选用不同类型的气体对最终漏率值影响很大，因此，明确气体类型是十分重要的。

3 结语

本文主要依据JJF 1627-2017以及正压标准漏孔校准装置，分析了不同气体类型以及不同气源压力条件下正压标准漏孔的漏率变化规律，得到的主要结论如下：

（1）当气体类型为高纯空气且在不同的压力条件下，通道型正压标准漏孔的漏率值会随进口压力的增大而增大。在低于40 kPa的条件下，漏率值与压力成正比关系。

（2）气源压力范围在10～200 kPa时，三种气体（高纯氦气、高纯空气、高纯氮气）条件下获得的漏率值基本相近。当气源压力超过200 kPa时，高纯氦气所获得的漏率值高于高纯空气和高纯氮气。在较大的压力条件下选择何种气体进行校准，对结果的影响很大，因此，在校准前一定要明确气源类型。

（3）比较三种气体可以看出，气体类型为高纯空气和高纯氮气时，在通道型标准漏孔中的漏率很接近，但高纯氮气获得的漏率值最大。气体的相对原子质量越小，气体的黏滞性能越弱，在通道中流动阻力减小，从而获有较大的漏率值。