不同氣體和壓力對(duì)真空漏孔漏率的影響

針對(duì)目前大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)漏孔的漏率都是在He 和入口壓力為100 kPa 下的漏率，采用定容變壓法校準(zhǔn)了銘牌漏率為2.3 × 10^-6 Pa·m³/s 的標(biāo)準(zhǔn)真空漏孔在使用H₂、He、D₂三種氣體時(shí)，在不同入口壓力下的漏率。預(yù)先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了加熱除氣后計(jì)算了系統(tǒng)本底漏率大小，并探討了本底漏率對(duì)校準(zhǔn)漏孔漏率的影響。結(jié)合粘滯流-分子流理論研究了不同氣體和漏孔入口壓力對(duì)漏孔漏率的影響。

　　近年來(lái)，真空漏孔越來(lái)越多地應(yīng)用于航空航天、電子工業(yè)、電力工業(yè)及制冷工業(yè)等領(lǐng)域。真空漏孔是向真空端（出口壓力小于1000 Pa）提供穩(wěn)定氣體流量的裝置，目前，國(guó)內(nèi)外很多計(jì)量實(shí)驗(yàn)室和研究機(jī)構(gòu)都建立了相應(yīng)的校準(zhǔn)裝置，常用的漏率校準(zhǔn)方法有定容法、恒壓法、質(zhì)譜比較法、固定流導(dǎo)法、分流法等等。其中定容變壓法適于校準(zhǔn)漏率較大的漏孔，設(shè)備與操作簡(jiǎn)單，對(duì)漏孔校準(zhǔn)精度較高。

　　目前大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)真空漏孔的漏率都是采用He 在漏孔入口壓力為1 kPa 下標(biāo)定的，而實(shí)際工作中常需要校準(zhǔn)真空漏孔在非He 和漏孔壓力大于一個(gè)大氣壓下的漏率。氣體和壓強(qiáng)都會(huì)對(duì)漏孔的漏率產(chǎn)生一定的影響，因此，為了獲得更為的漏孔漏率，有必要研究氣體和壓力對(duì)真空漏孔漏率的影響。本文通過(guò)改變漏孔入口端氣體種類和壓力，對(duì)同一真空漏孔進(jìn)行了漏率標(biāo)定，并初步研究了氣體種類和壓力對(duì)漏孔漏率的影響。

1、漏率校準(zhǔn)機(jī)理

　　根據(jù)定義，漏率Q 就是氣體量pV 對(duì)時(shí)間t 的全微分，即

　這就是定容法，即將真空漏孔流出的氣體引入到一封閉系統(tǒng)中，在系統(tǒng)溫度、體積恒定不變的情況下，通過(guò)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)壓力的變化速率dp/dt，從而得到漏孔漏率Q 的方法。采用定容法校準(zhǔn)漏孔漏率時(shí)，溫度波動(dòng)和定容室體積大小等因素對(duì)定容法校準(zhǔn)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，如真空漏孔的接入會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)的容積變化，使測(cè)得的系統(tǒng)容積存在誤差。因此，認(rèn)為系統(tǒng)溫度需維持在296 K 以避免額外的溫度修正，系統(tǒng)容積不能太小，一般要大于2 ×10^-3m³。

　　另外用定容法測(cè)漏孔漏率時(shí)還需考慮系統(tǒng)自身的漏放氣，也就是系統(tǒng)的本底漏率影響。圖1 為漏率與時(shí)間的關(guān)系，其中，線1 代表系統(tǒng)自身漏放氣使本底壓力隨時(shí)間變化，使系統(tǒng)本底壓力升高的因素包括系統(tǒng)放氣、系統(tǒng)管壁滲透和未知泄漏。線2 代表理想的系統(tǒng)壓力隨時(shí)間變化關(guān)系，線2 的斜率dpL/dt 與系統(tǒng)容積V 的乘積即為漏孔漏率。線3代表實(shí)際實(shí)驗(yàn)記錄到的壓力-時(shí)間關(guān)系，為線1 與線2 的疊加。

圖1 壓力隨時(shí)間變化關(guān)系

　　考慮到系統(tǒng)本底漏放氣的影響，漏孔漏率可計(jì)算為

　　即起始時(shí)間相同時(shí)，可用相同時(shí)間段內(nèi)的漏率與本底漏率之差表示漏孔的真實(shí)漏率。

2、校準(zhǔn)裝置及校準(zhǔn)方法

2.1、校準(zhǔn)裝置

　　標(biāo)準(zhǔn)漏孔校準(zhǔn)裝置如圖2 所示。該校準(zhǔn)裝置主要由氣源、被校準(zhǔn)漏孔、標(biāo)準(zhǔn)容積、定容室、薄膜真空規(guī)、復(fù)合真空計(jì)及抽氣系統(tǒng)組成。

圖2 定容法標(biāo)準(zhǔn)漏孔校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)原理圖

4、結(jié)論

　　(1) 在對(duì)系統(tǒng)加熱除氣后降至23℃并在抽真空度至10^-6 Pa 條件下對(duì)系統(tǒng)密閉靜置。系統(tǒng)自身漏放氣引起的本底漏率為1.15 × 10^-8 Pa·m³/s，該系統(tǒng)在此工作條件下校準(zhǔn)漏率大于10 ^-6 Pa·m³/s 漏孔時(shí)可不考慮本底漏率影響，但當(dāng)漏孔漏率低于10^-7 Pa·m³/s 時(shí)不可忽略系統(tǒng)漏放氣造成的影響；

　　(2) 在100 ～ 400 kPa 壓差范圍內(nèi)，對(duì)漏率為2.3 × 10^-6 Pa·m³/s 的標(biāo)準(zhǔn)真空漏孔漏率校準(zhǔn)結(jié)果表明，在H2、He、D2三種充入氣體下，漏孔漏率都與壓力平方呈線性關(guān)系，漏孔氣體處于粘滯流態(tài)；

　　(3) 對(duì)相同漏孔入口壓強(qiáng)下，充入不同氣體的漏孔漏率進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，漏孔漏率與氣體粘度成反比，相同壓力下He 的粘滯系數(shù)大，氣體流動(dòng)性差，通過(guò)漏孔的漏率??； 而H2粘滯系數(shù)小，漏孔漏率大，漏孔氣體為粘滯流。