CN102393275A - 一种宽量程现场真空规校准装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽量程现场真空规校准装置及方法,属于测量技术领域。包括气源、减压阀门、微调阀、监测真空计、五个真空截止阀、三个电容薄膜规、稳压室、第一截止阀、机械泵、第二电磁阀、分子泵、全金属角阀、真空室、被校准真空规和真空监测真空规;真空室内有限流抽气小孔;第五真空截止阀内有进气小孔。本发明的方法对真空规的校准范围为105~10-7Pa,在105~10-1Pa范围内的标准不确定度为1.5%,在10-2~10-6Pa范围内的标准不确定度为2.0%,在10-7Pa时的测量不确定度为5%,该方法量程宽、精度高且适合于现场操作;该装置体积小、质量轻。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽量程现场真空规校准装置及方法,属于测量技术领域。
背景技术
文献“比对法真空计量标准装置的研制”,《宇航计测技术》第66期、1992年第6期、第70~73页”,介绍了比对法真空规的校准方法及校准***,但其校准范围为105~10-4Pa,而且在10-1~10-4Pa压力范围内通过磁悬浮转子规进行测量,这种测量方法的下限受制于磁悬浮转子规测量下限,同时磁悬浮转子规成本比较昂贵,再加上该***比较庞大,只适合在实验室使用,无法满足现场宽量程高精度真空规的校准需求。文献“动态流量法超高标准真空装置”,《真空科学与技术学报》第19卷、1999年第5期、第400~402页”,介绍了采用恒压式流量计校准真空规的方法,但恒压式流量计研制成本高,装置非常庞大,只适合实验室校准超高真空规,也不能实现现场宽量程真空规的校准。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的缺陷,提出一种宽量程现场真空规校准装置及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种宽量程现场真空规校准装置,包括气源1、减压阀门2、微调阀3、监测真空计4、第一真空截止阀5、第一电容薄膜规(1Torr)6、第二真空截止阀7、稳压室8、第一截止阀9、机械泵10、第二电磁阀11、分子泵12、全金属角阀13、真空室15、第二电容薄膜规(1Torr)16、第三真空截止阀17、第三电容薄膜规(1000Torr)18、被校准真空规19、第四真空截止阀21、第五真空截止阀22和真空监测真空规23;真空室15内有限流抽气小孔14;第五真空截止阀22内有进气小孔20;
其连接关系为:减压阀门2的一端与气源1通过管路连接,减压阀门2的另一端与微调阀3的一端通过管路连接,微调阀3的另一端与第一真空截止阀5的一端、第四真空截止阀21的一端和第五真空截止阀22的一端通过管路连接;监测真空计4与微调阀3并联连接;第一真空截止阀5的另一端与第二真空截止阀7的一端和稳压室8的一端通过管路相连;第二真空截止阀7的另一端与第一电容薄膜规6的一端通过管路相连;稳压室8的另一端与第一截止阀9的一端通过管路连接;第一截止阀9的另一端与分子泵12和全金属角阀13通过管路连接;机械泵10的另一端与第二电磁阀11的一端通过管路相连;第二电磁阀11的另一端与分子泵12的一端通过管路相连;分子泵12的另一端与全金属角阀13的一端通过管路相连;全金属角阀13的另一端与真空室15通过限流抽气小孔14连接;与限流抽气小孔14相对应的真空室15的另一端与第五真空截止阀22通过进气小孔20连接;真空室15一侧的法兰上连接了第三电容薄膜规18,第三电容薄膜规18还与第三真空截止阀17的一端通过管路连接;第三真空截止阀17的另一端与第二电容薄膜规16通过管路连接;被校准真空规19和监测真空规23安装在真空室15上。
利用上述宽量程现场真空规校准装置进行校准的方法,采用直接比对法和流导法在11个真空数量级内实现对真空规的校准,具体步骤为:
1)将被校准真空规19安装在真空室15上,打开监测真空计4和真空监测真空规23;
2)打开微调阀3、第一真空截止阀5、第二真空截止阀7、第一截止阀9、第二电磁阀11、全金属角阀13、第三真空截止阀17、第四真空截止阀21和第五真空截止阀22,然后打开机械泵10和分子泵12对真空室15、稳压室8以及所有的管路抽真空;
3)关闭微调阀3,然后打开第一电容薄膜规6、第二电容薄膜规16和第三电容薄膜规18,稳定一段时间后进行调零;
4)关闭第一截止阀9、第四真空截止阀21和第五真空截止阀22,打开减压阀门2和第一真空截止阀5;
5)调节微调阀3,从气源1向稳压室8中充入一定压力的气体,压力不超过133Pa,保持温度为(23±3)℃;
6)打开第五真空截止阀22向真空室15中注入气体,当真空室15中的气体压力稳定后,记录第一电容薄膜规6的读数Pu,然后通过公式P=Pu*Cu/C计算出真空室15中的标准压力;
7)重复步骤5、6,完成采用流导法校准真空规;
8)关闭第一真空截止阀5和第五真空截止阀22,打开第四真空截止阀21,打开减压阀门2,通过调节微调阀3和第四真空截止阀21将气源1中的气体注入真空室15中,采用电容薄膜规18测量真空室中气体压力,使校准室中压力不超过133Pa,关闭微调阀3和全金属角阀13,待真空室15中的气体压力稳定;采用第二电容薄膜规16进行测量,记录测量结果P,并以P压力作为标准压力进行校准。
9)通过微调阀3调节真空室15中的气体压力,当压力大于133Pa时关闭第三真空截止阀17,然后采用第三电容薄膜规18测量标准压力;记录测量结果P,并以P压力作为标准压力进行校准;
10)依次关闭分子泵12、机械泵10。
上述步骤2)中,真空室15中的真空度小于1×10-7Pa,稳压室8中的真空度小于1×10-4Pa;
上述步骤3)中第一电容薄膜规6、第二电容薄膜规16和第三电容薄膜规18的稳定时间大于等于4h;
上述步骤4)中稳压室8中气体压力稳定的定义为压力的变化值不超过5%;
上述步骤5)中每个数量级至少取3个校准点,测量结果Pu是至少6次测量的平均值;
上述步骤6)中每个数量级至少取3个校准点,测量结果P是至少6次测量的平均值。
有益效果
本发明的方法对真空规的校准范围为105~10-7Pa,在105~10-1Pa范围内的标准不确定度为1.5%,在10-2~10-6Pa范围内的标准不确定度为2.0%,在10-7Pa时的测量不确定度为5%,该方法量程宽、精度高且适合于现场操作;该装置体积小、质量轻。
附图说明
图1为本发明的装置的示意图;
其中,1-气源,2-减压阀门,3-微调阀,4-监测真空计,5-第一真空截止阀,6-第一电容薄膜规,7-第二真空截止阀,8-稳压室,9-第一截止阀,10-机械泵,11-第二电磁阀,12-分子泵,13-全金属角阀,14-限流抽气小孔,15-真空室,16-第二电容薄膜规,17-第三真空截止阀,18-第三电容薄膜规,19-被校准真空规,20-进气小孔,21-第四真空截止阀,22-第五真空截止阀,23-真空监测真空规23。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例
一种宽量程现场真空规校准装置,包括气源1、减压阀门2、微调阀3、监测真空计4、第一真空截止阀5、第一电容薄膜规6、第二真空截止阀7、稳压室8、第一截止阀9、机械泵10、第二电磁阀11、分子泵12、全金属角阀13、真空室15、第二电容薄膜规16、第三真空截止阀17、第三电容薄膜规18、被校准真空规19、第四真空截止阀21和第五真空截止阀22;真空室15内有限流抽气小孔14;第五真空截止阀22内有进气小孔20;
其连接关系为:减压阀门2的一端与气源1通过管路连接,减压阀门2的另一端与微调阀3的一端通过管路连接,微调阀3的另一端与第一真空截止阀5的一端、第四真空截止阀21的一端和第五真空截止阀22的一端通过管路连接;监测真空计4与微调阀3并联连接;第一真空截止阀5的另一端与第二真空截止阀7的一端和稳压室8的一端通过管路相连;第二真空截止阀7的另一端与第一电容薄膜规6的一端通过管路相连;稳压室8的另一端与第一截止阀9的一端通过管路连接;第一截止阀9的另一端与机械泵10的一端通过管路连接;机械泵10的另一端与第二电磁阀11的一端通过管路相连;第二电磁阀11的另一端与分子泵12的一端通过管路相连;分子泵12的另一端与全金属角阀13的一端通过管路相连;全金属角阀13的另一端与真空室15通过限流抽气小孔14连接;与限流抽气小孔14相对应的真空室15的另一端与第五真空截止阀22通过进气小孔20连接;真空室15一侧的法兰上连接了第三电容薄膜规18,第三电容薄膜规18还与第三真空截止阀17的一端通过管路连接;第三真空截止阀17的另一端与第二电容薄膜规16通过管路连接;被校准真空规19安装在真空室15上。
利用上述宽量程现场真空规校准装置进行校准的方法,采用直接比对法和流导法在11个真空数量级内实现对真空规的校准,具体步骤为:
1)将被校准真空规19安装在真空室15上;打开监测真空计4、23;
2)打开微调阀3、第一真空截止阀5、第二真空截止阀7、稳压室8、第一截止阀9、第二电磁阀11、全金属角阀13、第三真空截止阀17、第四真空截止阀21和第五真空截止阀22,然后依次打开机械泵10和分子泵12对真空室15、稳压室8以及所有的管路抽真空。
3)关闭微调阀3、第一截止阀9、第四真空截止阀21和第五真空截止阀22,然后打开第一电容薄膜规6、第二电容薄膜规16和第三电容薄膜规18,稳定4小时后,且真空室15和稳压室8中真空度小于1×10-4Pa时,对第一电容薄膜规6、第二电容薄膜规16和第三电容薄膜规18进行调零;然后关闭第一截止阀9、第四真空截止阀21和第五真空截止阀22;
4)打开减压阀门2和第一真空截止阀5,然后通过调节微调阀3从气源1向稳压室8中充入压力为1.55Pa的N2气体,然后关闭微调阀3;稳压室8中气体压力稳定,保持温度为(23±3)℃;
5)在真空室15中的压力小于1×10-7Pa(3.8×10-8Pa)打开第五真空截止阀22,稳压室8中的气体进入真空室15中;当真空室15中的气体压力稳定后,记录第一电容薄膜规6的读数的平均值,压力为1.42Pa,然后通过公式P=Pu*Cu/C其中Cu/C=1.3×10-6,计算出真空室15中的标准压力为1.85×10-6Pa,记录被校准真空规19的读数的平均值为2.2×10-6Pa;
6)继续通过微调阀3向稳定室8中注入N2气,重复步骤4)和5),利用流导法对被校准真空规19在10-2~10-6Pa范围内进行校准;
7)关闭第一真空截止阀5、全金属角阀13和第五真空截止阀22,打开第四真空截止阀21,气源1中的气体通过减压阀门2、微调阀3和第四真空截止阀21进入到真空室15中,然后关闭微调阀3,待真空室15中的气体压力稳定;当真空室15中压力小于133Pa采用第二电容薄膜规16(FS133Pa)进行测量,记录第二电容薄膜规16和被校准真空规19读数的平均值,分别为1.24Pa、1.3Pa,计算出修正因子c=1.24/1.3=0.95;这样在每个压力数量级取3个校准点,计算出每个点的修正因子,最后得出平均修正因子为0.96;
8)继续通过微调阀3向真空室15中中注入N2气体,当真空室15中的压力接近133Pa时,关闭第三真空截止阀17;通过监测真空计4观察真空室15中气体压力,当调节到需要的压力点即监测真空计4的读数为201Pa时,关闭微调阀3,采用第三电容薄膜规18的读数作为标准进行校准,记录第三电容薄膜规18读数的平均值200.55Pa,记录被校准真空规19读数的平均值为203.5Pa,计算出修正因子c=200.55/203.5=0.99,这样一次通过微调阀3调整真空室15中气体压力,每个数量级校准3个点,这样利用对比法在105~10-1Pa范围内对被校准真空规19进行校准,最后得出平均修正因子为0.99。
由于被校准的是复合型真空规,分别在105~10-1Pa和10-1~10-7Pa两个区间范围内是线性的,因此校准结果分别给出修正因子为0.96和0.99;被校准真空规19的测量不确定度为:在105~10-1Pa,合成标准测量不确定度1.7%;在10-1~10-7Pa范围内,合成标准测量不确定度2.3%。
Claims (7)
1.一种宽量程现场真空规校准装置,其特征在于:包括气源(1)、减压阀门(2)、微调阀(3)、监测真空计(4)、第一真空截止阀(5)、第一电容薄膜规(6)、第二真空截止阀(7)、稳压室(8)、第一截止阀(9)、机械泵(10)、第二电磁阀(11)、分子泵(12)、全金属角阀(13)、真空室(15)、第二电容薄膜规(16)、第三真空截止阀(17)、第三电容薄膜规(18)、被校准真空规(19)、第四真空截止阀(21)、第五真空截止阀(22)和真空监测真空规(23);真空室(15)内有限流抽气小孔(14);第五真空截止阀(22)内有进气小孔(20);
减压阀门(2)的一端与气源(1)通过管路连接,减压阀门(2)的另一端与微调阀(3)的一端通过管路连接,微调阀(3)的另一端与第一真空截止阀(5)的一端、第四真空截止阀(21)的一端和第五真空截止阀(22)的一端通过管路连接;监测真空计(4)与微调阀(3)并联连接;第一真空截止阀(5)的另一端与第二真空截止阀(7)的一端和稳压室(8)的一端通过管路相连;第二真空截止阀(7)的另一端与第一电容薄膜规(6)的一端通过管路相连;稳压室(8)的另一端与第一截止阀(9)的一端通过管路连接;第一截止阀(9)的另一端与分子泵(12)和全金属角阀(13)通过管路连接;机械泵(10)的另一端与第二电磁阀(11)的一端通过管路相连;第二电磁阀(11)的另一端与分子泵(12)的一端通过管路相连;分子泵(12)的另一端与全金属角阀(13)的一端通过管路相连;全金属角阀(13)的另一端与真空室(15)通过限流抽气小孔(14)连接;与限流抽气小孔(14)相对应的真空室(15)的另一端与第五真空截止阀(22)通过进气小孔(20)连接;真空室(15)一侧的法兰上连接了第三电容薄膜规(18),第三电容薄膜规(18)还与第三真空截止阀(17)的一端通过管路连接;第三真空截止阀(17)的另一端与第二电容薄膜规(16)通过管路连接;被校准真空规(19)和监测真空规23安装在真空室(15)上。
2.一种宽量程现场真空规校准方法,其特征在于具体步骤为:
1)将被校准真空规(19)安装在真空室(15)上,打开监测真空计(4)和真空监测真空规(23);
2)打开微调阀(3)、第一真空截止阀(5)、第二真空截止阀(7)、第一截止阀(9)、第二电磁阀(11)、全金属角阀(13)、第三真空截止阀(17)、第四真空截止阀(21)和第五真空截止阀(22),然后打开机械泵(10)和分子泵(12)对真空室(15)、稳压室(8)以及所有的管路抽真空;
3)关闭微调阀(3),然后打开第一电容薄膜规(6)、第二电容薄膜规(16)和第三电容薄膜规(18),稳定一段时间后进行调零;
4)关闭第一截止阀(9)、第四真空截止阀(21)和第五真空截止阀(22),打开减压阀门(2)和第一真空截止阀(5);
5)调节微调阀(3),从气源(1)向稳压室(8)中充入一定压力的气体,压力不超过133Pa,保持温度为(23±3)℃;
6)打开第五真空截止阀(22)向真空室(15)中注入气体,当真空室(15)中的气体压力稳定后,记录第一电容薄膜规(6)的读数Pu,然后通过公式P=Pu*Cu/C计算出真空室(15)中的标准压力;
7)重复步骤5、6,完成采用流导法校准真空规;
8)关闭第一真空截止阀(5)和第五真空截止阀(22),打开第四真空截止阀(21),打开减压阀门(2),通过调节微调阀(3)和第四真空截止阀(21)将气源(1)中的气体注入真空室(15)中,采用电容薄膜规18测量真空室中气体压力,使校准室中压力不超过133Pa,关闭微调阀(3)和全金属角阀(13),待真空室(15)中的气体压力稳定;采用第二电容薄膜规(16)进行测量,记录测量结果P,并以P压力作为标准压力进行校准;
9)通过微调阀(3)调节真空室(15)中的气体压力,当压力大于133Pa时关闭第三真空截止阀(17),然后采用第三电容薄膜规(18)测量标准压力;记录测量结果P,并以P压力作为标准压力进行校准;
10)依次关闭分子泵(12)、机械泵(10)。
3.根据权利要求2所述的一种宽量程现场真空规校准方法,其特征在于:步骤2)中,真空室(15)中的真空度小于1×10-7Pa,稳压室(8)中的真空度小于1×10-4Pa。
4.根据权利要求2所述的一种宽量程现场真空规校准方法,其特征在于:步骤3)中第一电容薄膜规(6)、第二电容薄膜规(16)和第三电容薄膜规(18)的稳定时间大于等于4h。
5.根据权利要求2所述的一种宽量程现场真空规校准方法,其特征在于:步骤4)中稳压室(8)中气体压力稳定的定义为压力的变化值不超过5%。
6.根据权利要求2所述的一种宽量程现场真空规校准方法,其特征在于:步骤5)中每个数量级至少取3个校准点,测量结果Pu是至少6次测量的平均值。
7.根据权利要求2所述的一种宽量程现场真空规校准方法,其特征在于:步骤6)中每个数量级至少取3个校准点,测量结果P是至少6次测量的平均值。
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