大阪樱花和川崎前锋:真空比對法校準裝置的研究

真空規管 宋瑞海 北京東方計量測試研究所

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  真空比對法校準裝置采用了動態直接比對法、靜態直接比對法和靜態膨脹法, 在一臺裝置上復合了三種方法, 滿足了拓寬量程的需求。該裝置可以1×105~5×10- 4 Pa 范圍內的各類真空規進行校準, 是一種結構簡單、操作方便、檢定效率高、實用性強的真空標準裝置。整套裝置由渦輪分子泵、校準容器、副標準真空計和金屬膨脹閥等部件組成, 主要技術指標符合國際標準化組織和國內有關真空標準的規定。

  真空校準技術比較復雜,標準裝置造價比較昂貴。比對法真空校準系統具有許多優點, 它選用精度較高、性能可靠的真空計作為副標準, 是一種結構簡單、量程寬、造價便宜、操作容易的真空標準裝置, 其校準的不確定度取決于合理的系統設計和選用的副標準的不確定度。以往需要用三種不同原理和不同結構的真空標準裝置, 實現所需范圍內的壓力校準[1]。隨著技術的進步,特別是航天科技的發展, 為了提高工作效率, 解決大量真空計的校準任務,也更準確的為航天型號服務, 在分析國內外同類標準的優缺點的基礎上,研制了一臺新的真空計校準裝置。該校準裝置選用了動態直接比對法、靜態膨脹法和靜態直接比對法三種校準方法實現了1×105~5×10-4 Pa 范圍內真空規的校準,滿足了型號的不同需要。

1、理論分析和結構設計

  深刻理解真空物理理論是設計真空系統的基礎, 在真空系統中, 氣體分子流場的分布是進行壓力測量、抽速測量及機械結構設計時必須考慮的一個重要因素。比對法真空校準裝置設計的關鍵部分為校準室, 校準室容器的形狀, 大小和容器中分子流場的分布情況直接關系到該校準裝置的精度和穩定性[2]。為此,對容器內分子流場分布的情況進行了研究。在分布均勻, 等溫、各向同性的稀薄氣體狀態下, 氣體分子遵守麥克斯韋速度分布和余弦定律,壓力值才有明顯的物理意義, 兩個公式才能成立, 在球形容器中最適合于建立這種氣體狀態。文獻[3]給出了球形容器內表面分子流密度分布曲線圖(如圖1所示,對校準室的結構設計具有指導意義。

球形容器內表面分子流密度分布

圖1 球形容器內表面分子流密度分布

  對球形系統沿垂直方向, 從上到下將內表面分成10 條測試帶, 見圖1,各測試帶上的平均入射分子流密度N(i 分子數/mm2) 與赤道附近的平均入射分子流密度N( 分子數/mm2) 相比為橫坐標(Z軸)[4]。

  從圖1 可以看出球形容器內分子流分布狀況。即,在球形系統內表面上,分子流場分布不完全均勻, 在入口附近分子流密度最大, 而在出入口與赤道之間較小。

  校準容器的結構設計還考慮了表面積與體積之比應盡可能的小, 故選用球形容器最理想,因為同樣大的體積球的表面積最小, 而且在容器中能夠建立起各向同性運動的分子流狀態。但球形容器造價高,加工比較復雜。如果選用圓筒型容器, 則要求筒長于筒徑之比不大于4。在設計校準室的容積時,要大于連接到該容積被檢真空規總容積的20 倍, 又要考慮容器太大、放氣量大、抽氣的時間長、計量測試的效率低。該裝置設計的校準室容器總容積22.4 L, 備有9 個標準法蘭接口, 同時可接5 個被校準的真空規, 經過計算被接真空規的總容積為0.12 L, 遠小于校準室的容積。

5、結論

  經過性能測試,該真空比對法校準裝置的主要技術指標完全滿足了動態直接比對法、靜態膨脹法和靜態直接比對法三種方法校準真空規的技術要求, 可以對1×105~5×10- 4 Pa 壓力范圍內的各種真空規進行校準。該真空校準系統是一種方便而實用的日常校準裝置,對航天型號的研制具有重要的保障作用。