氦質譜檢漏儀現場校準方法研究

2010-03-25 趙瀾 蘭州物理研究所

  目前,用戶采用單只標準漏孔對氦質譜檢漏儀進行校準,由于受檢漏儀線性范圍的影響限制,不能對其全量程范圍進行校準。為了滿足對氦質譜檢漏儀全量程范圍內的現場校準,將一系列不同量級漏率的薄膜滲氦型標準漏孔分別接入氦質譜檢漏儀,得到一組標準漏孔檢漏儀示值,通過對標準漏孔漏率值與檢漏儀示值的關系曲線進行數學擬合,得到氦質譜檢漏儀全量程測量范圍示值與漏率值之間的擬合公式。其校準過程簡單,能夠提高氦質譜檢漏質量。

  隨著科學技術的進步, 真空檢漏技術在航天、航空、電子工業、核工業等領域的應用越來越廣泛?臻g環模設備、高能加速器、核輻射物理裝置、等離子體物理裝置、受控熱核反應裝置的真空室若有微小的漏孔,無法獲得超高真空,無法正常工作,檢漏顯得十分重要,它是真空獲得的基礎。為了保持載人飛船的艙內壓力,使其長時間正常工作,需要通過檢漏來精確測量微小漏率。衛星自控系統的燃料如有泄漏,將會造成衛星的飛行失敗,泄漏的燃料和氣體還會污染衛星上的光學儀器、光敏元件等、使電子原器件的性能變壞,縮短工作壽命,需要通過檢漏來堵漏。

  在這些真空檢漏中,一般用氦質譜檢漏儀對微小漏孔漏率進行定量檢測,氦質譜檢漏儀在使用前需要校準。氦質譜檢漏儀的校準的主要項目包括:噪音、最小可檢漏率、漏率值校準、清除時間等,其中最重要的項目是漏率值的校準。漏率值校準通常是在氦質譜檢漏儀使用前用標準漏孔進行校準。但是,目前國內對于氦質譜檢漏儀的校準只采用單只漏孔單點校準,由于受檢漏儀線性范圍的影響限制,這種校準只能適用于某一數量級范圍內的校準,而在實際使用時經常要用到幾個數量級范圍。本文主要研究用一系列不同量級標準漏孔對氦質譜檢漏儀進行現場校準,通過校準擬合公式,校準范圍可以延伸到全量程。

1、校準方法

1.1、標準漏孔校準氦質譜檢漏儀方法

  采用標準漏孔對氦質譜檢漏儀進行校準,將一系列經過校準的不同量級標準漏孔分別接入氦質譜檢漏儀系統,實驗室溫度保持在23±1℃,可以讀出一組標準漏孔漏率的檢漏儀示值,從而得到標準漏孔漏率值與檢漏儀示值的關系曲線,并通過對這條曲線進行數學擬合,得到氦質譜檢漏儀全量程測量范圍示值與漏率值之間的擬合公式。

  校準系統原理圖由真空標準漏孔、漏孔隔離閥及氦質譜檢漏儀組成, 漏孔溫度由溫度計測量。如圖1 所示。

氦質譜檢漏儀現場校準原理圖

1.氦質譜檢漏儀;  2,3,8,9.標準漏孔;  4,5,6,7.截止閥

圖1 氦質譜檢漏儀現場校準原理圖

1.2、校準儀器的選擇

  為了滿足現場校準,便于攜帶,真空標準漏孔選用薄膜滲氦型標準漏孔。薄膜滲氦型標準漏孔具有對污染不敏感;漏率可以做得很;重復性、穩定性等計量特性好;對溫度變化敏感,使用需要對漏率溫度修正等特點。本次校準選擇了8 只漏孔,漏率值分別為1.58×10- 6,2.94×10- 7,1.74×10- 8,1.38×10- 8,5.62×10- 9 和3.94×10- 9,1.29×10- 9,3.69×10- 10,單位為Pa·m3·s- 1,溫度為23.0℃,合成標準不確定度為9.0%。

2、校準結果

2.1、校準步驟

  設置環境溫度為23.0℃,將標準漏孔通過漏孔隔離閥與氦質譜檢漏儀相連接,打開漏孔閥,打開檢漏儀進行平衡,平衡6 h 后,開始測量標準漏孔在檢漏儀的讀數示值,每個10 min 記錄一個數值及此時環境溫度,共記錄6 組數據,對六組漏率示值數據進行溫度修正,測量重復性用相對實驗標準偏差表示。

2.2、校準數據

  分別對編號為(1)、(2)、(3)的氦質譜檢漏儀進行校準,校準數據如表1,表2,表3。

表1 氦質譜檢漏儀(1)校準值(單位Pa·m3·s-1)  表2 氦質譜檢漏儀(2)校準值(單位Pa·m3·s-1)  表3 氦質譜檢漏儀(3)校準值(單位Pa·m3·s-1

2.3、校準曲線

  根據以上數據,以檢漏儀示值為橫坐標、標準值為縱坐標,作出示值與標準值之間的曲線如圖2,圖3,圖4。

圖2 氦質譜檢漏儀(1)校準曲線  圖3 氦質譜檢漏儀(3)校準曲線  圖4 氦質譜檢漏儀(3)校準曲線

氦質譜檢漏儀(1)校準曲線氦質譜檢漏儀(1)校準曲線氦質譜檢漏儀(1)校準曲線

  圖2,圖3,圖4 中點線為校準數據曲線,粗直線為由計算機作出了校準曲線的乘冪擬合曲線,其乘冪擬合曲線公式為分別為y = 0.0309x 0.7909,y = 0.0063x 0.721,y = 0.4341x 0.968。比較圖2,圖3,圖4發現檢漏儀(1)的校準曲線與擬合曲線偏差較大,兩條表征曲線一致性較差;檢漏儀(2)、(3)校準曲線與擬合曲線偏差較小,兩條表征一致性較好。擬合公式計算漏率值與實測標準值最大偏差見表4。

2.4、校準結果不確定度分析

  氦質譜檢漏儀現場校準方法合成標準不確定度由A 類不確定度及B 類不確定度組成。

2.4.1、標準不確定度的A 類評定(uA)

  uA 是根據測試數據的重復性和擬合公式引起的不確定度合成。測試數據的重復性采用了貝賽爾公式計算相對實驗標準偏差得到,選取重復性最大為測量重復性。標準漏率值與擬合公式計算漏率值最大相對偏差按均勻分布來計算擬合公式而引入的不確定度。