比较法真空规校准装置性能研究

真空与低温
第１６卷第１期
机械泵、低温泵；校准系统包括校准室、主标准器（磁悬浮转子真空计，电容薄膜真空计）、本底检测真空计；气 体压力调节系统包括压力微调阀、稳压室、储气瓶；测量控制系统包括流量控制阀、气动插板阀、数据采集和
程序控制等。装置原理示意图如图ｌ所示。
４
１．机．械泵；２．放气阀；３．低温泵；４．插板阀；５．校准室；６．三通阀；８．真空角阀；７．主标准器（磁悬浮转子真空计，电容薄膜真空计）；
２５％，自由度ｏ＝－（ｏ．２５）忱＝８。
３．３．３校准室内本底压力造成的影响 根据国家对二等真空标准的规定，要求校准装置的本底压力低于最小被校压力的１００倍ｔ２１。通过低温泵
对校准室２４ ｈ抽气后，在校准室内获得的本底极限压力为２．９ｘ１０＂五Ｐａ。根据校准规范的要求，在１０一Ｐａ的
量级，第一个校准点选择在３ｘｌＯ－４ Ｐａ附近，这样在这个校准点本底造成的最大影响是０．９７％。该分量的本底 压力影响服从均匀分布，置信概率为１００％时，取Ｉ｜｝＝、／丁，则ｕ－－０．９７％／＼／丁－－０．５６％。根据信息来源判断不可 信度大约５０％，忙（０．５０）－２／２＝２。
万方数据
李正海等：比较法真空规校准装置性能研究
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３．３．２校准室容器的大小造成的压力波动的评定 根据国家二等真空比较标准的规定，校准室的容积要大于被校规管总容积的２０倍陶。该装置校准室容器
约为２ Ｌ，而每支被校规管的容积为６６ ｍＬ＇以每次可同时校２支规管计算，总容积为１３２ ｍＬ。校准室的容积
４装置不确定度的验证
测量不确定度评定后，对得到的合成不确定度进行验证，验证的方法有校准或检定法、传递比较法、多台 平均值法和比较法等。该装置采用校准法进行验证。具体做法是用磁悬浮转子真空计，在膨胀式真空标准装
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真空与低温
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置上取３．００×１０。２ Ｐａ的典型点进行校准，然后取相同的３．００ｘｌｏ－２ Ｐａ的典型点在比较法真空规校准装置进行
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖａｃｕｕｍ ｇａｕｇｅ
ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｔａｎｄａｒｄ ｉｎ
ｅｎｓｕｒｅ
ｖａｃｕｕｎ
ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ａｒｅａ，ｗｈｉｃｈ
ｍａｊｏｒ
ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ
ｈａｖｅ
ｔｒａｃｅｄ
ｔｏ
ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｖａｃｕｕｍ ｓｔａｎｄａｒｄ．Ｔｏ
（６）校准装置重复性测量引入的不确定度；
（７）环境条件变化引入的不确定度。 ３．３测量不确定度的分析和评定 ３．３．１校准室容器内气体不均匀性的评定 真空度的测量主要条件就是在平衡态下测量，气体分子在校准室容器分布的均匀性直接影响真空度的
测量结果的准确性。比较法真空规校准装置的校准室采用柱形校准容器。根据文献资料【１１，采用蒙特卡罗法模
大约是被校规管总容积的１５倍，不满足２０倍的要求。由于热阴极电离规的吸放气效应，热阴极电离规的抽
速为Ｏ．１ Ｕｓ，所以估计造成０．３５％的压力波动。由于规管的抽速为一个常量，所以该分量的压力波动服从均
匀分布。假定置信概率为１００％时，取ｋ＝１．，７３，则ｕ＝Ｏ．．３５％／、／—ｒ＝ｏ．２０％。根据信息来源判断不可信度大约
２装置工作原理和组成 ２．１装置的原理和校准方法
装置的工作原理是将被校准的真空计与主标准器连接到装置的校准室上，通过微调阀调节校准室中的 压力点，当校准室中的压力达到所需的动态平衡或静态平衡压力时，被校真空计和主标准器同时测量校准室 中的同一压力，将测量结果进行直接比较，给出压力示值的修正因子或校准曲线。 比较法真空规校准装置采用动态比较和静态比较２种方法。动态比较法的主标准器用磁悬浮转子真空 计，静态比较法的主标准器用电容薄膜真空计。主标准器溯源到一等膨胀式真空标准装置，校准证书给出的
３．３．４校准热阴极电离规时相互之间影响的评定
为了提高工作效率，校准装置可同时校准２—３支热阴极电离规管，由于规管的抽气和出气效应，以及电 场之间的相互干扰，要确定它们之间的相互影响量。具体方法是在校准装置上同时接３支电离规，调节到某 一最佳压力点待稳定后，同时读３支规管的读数，然后关闭其中的１支，读其余２支规管的读数，再关闭其中 的１支，观测剩余１支规管的读数。然后比较３支规管的读数、２支规管的读数和１支规管的读数，测量同一 压力下，３支规管的读数、２支规管的读数和１支规管的读数之间的差别，通过数据处理计算电离规相互之间 的读数影响量是０．７９％。该分量电离规之间相互影响服从均匀分布，置信概率为１００％时，取ｊ｝＝、／丁，则ｕ＝ ０．７９％／＂Ｖ丁＝Ｏ．４６％。根据信息来源判断不可信度大约５０％。自由度ｖ＝－（ｏ．５０）－２／２＝２。
０
６－７０８６（２０１０）０１－－００３７－０５
ＰＥＩ吓ＯＲＭＡＮＣＥ ＳＴＵＤＹ ｏＮ ＶＡＣＩ兀刀Ｍ ＧＡＵＧＥ
ＣＡＬⅡｌＲＡＴＩＯＮ
ＳＹＳＴＥＭⅥ咖ＣＯＭ吼～Ｒ玛ｏＮ
ＬＩ Ｚｈｅｎｇ－ｈａｉ，ＸＵ Ｊｌｅ ｏｆ
Ｍ［ＥＴＨＯＤ
（Ｌａｎｚｈｏｕ ｌｍｉｔｉｔｕｔｅ
Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｌ蛆ｚｈｏｕ ７３００００）
ａｌｓｏ ｇｉｖｅｎ．
ｇａｕｇｅ；ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ；ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ
１引言
比较法真空规校准装置主要用于真空量值的比较校准，是真空计量进行量传的主要校准装置。目前，大 量的高真空计和低真空计都是通过比较法真空规校准装置进行校准，为了保证校准数据的质量，需要对装置 的不确定度进行分析和评定。比较法真空规校准装置的主标准器电容薄膜真空计和磁悬浮转子真空计溯源 到膨胀式一等真空标准装置，装置测量不确定度的评定，通过Ａ类和Ｂ类评定方法进行。同时对比较法真空 规校准装置的计量性能进行深入研究，包括装置的稳定性和重复性的测量和验证。
扩展不确定度是０．９％（盂＝２）。 ２．２装置的组成
比较法真空规校准装置由抽气系统、校准系统、气体压力调节系统和测量控制系统组成。抽气系统包括
收稿日期：２００９—１１—３０．
作者简介：李正海（１９５２一）。男，陕西省子长县人。高级工程师，国家一级注册计量师，从事真空规的测量与校准技术研究。
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９．被校规；１０．微调阀；１１．低真空计；１２穗压室；１３．调气阀；１４．储气瓶。
图ｌ
比较法真空规校准装置原理示意图
３装置测量不确定度的评定
３．１
比较法校准真空规的数学模型
比较法真空规校准装置Байду номын сангаас压力校准范围是ｌｘｌＯ－４—１ｘ１０ｓＰａ。当校准室中所需的动态平衡压力（或静态平
衡压力）达到时，用主标准器和被校真空计同时测量校准室中的同一压力值，进行直接比较，按照式（１）计算
第１６卷第１期 ２０１０年３月
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比较法真空规校准装置性能研究
李正海，徐婕 （兰州物理研究所。甘肃兰州７３００００）
摘要：比较法真空规校准装置是真空计量的主要工作标准，主标准器溯源到静态膨胀式真空标准装置。为了 保证量值传递数据的准确可靠，对装置的不确定度进行了分析和评定，同时对装置的计量性能稳定性和重复性进行 了测试和研究。 关键词：真空规；校准；不确定度；稳定性；重复性 中图分类号：ｒＩ－Ｂ７７ｌ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０
修正因子
Ｃ＝ｐ。／ｔ，，
（１）
式中Ｃ为修正因子妒．为主标准器的测量值，Ｐａ；ｐ，为被校规的测量值，Ｐａ。 ３．２影响测量结果不确定度的主要来源 根据实际工作经验和有关文献资料的报告，影响比较法真空规校准装置测量不确定度的主要来源有以 下几个方面： （１）校准室容器内气体的不均匀性； （２）校准室容器几何尺寸引入的压力波动； （３）校准室内本底压力引入的不确定度； （４）校准热阴极电离规之间的相互影响引入的不确定度； （５）主标准器引入的不确定度；
表２ 比较法真空规校准装置重复性测量数据
ｉ＝（３．００＋３－０１＋３．０１＋２，－９９＋３－０１＋２－９８）ｘ１０４：３．ＯＯｘｌ０４
Ｏ
Ｐａ
＆（戈）＝
／ｘｘｌ００％＝１．０％
计量标准对重复性的要求是小于合成标准不确定度的２１３，即２ｕｄ３＝２ｘ１．６％／３＝１．１％，比较法真空规校准 装置的重复性１．０％满足要求。
３．３．５校准装置的主标准器引入的不确定度
比较法真空规校准装置的主标准是采用进口美国ＭＫＳ公司的磁悬浮转子规和电容薄膜规，经金属膨胀 式真空标准校准后，２个主标准器给出的标准不确定度最大都是０．９％，则归０．９％，自由度忙∞。
３．３．６校准装置重复性测量引入不确定度 真空规比较校准装置重复性引入的不确定度１．０％，自由度ｖ＝－５。 ３．３．７环境条件的变化引入的不确定度 ３．４合成标准不确定度
拟计算柱形校准容器中气体分子分布，在高真空状态下气体分子在校准容器赤道附近的密度的不均匀性是 ０．８７％。采用蒙特卡罗法模拟跟踪气体分子在一万次以上，该分量在赤道附近的密度分布服从正态分布，假定
置信概率为９５．４５％，取ｋ＝２，则ｕ－－Ｏ．８７％／２＝０．４４％。根据信息来源判断不可信度大约５０％，自由度啦（０Ｌ５）眈＿２。
环境条件严格控制的校准规范规定的范围内，环境条件变化引入的标准不确定度分量可以忽略不计。
３．５有效自由度
驴Ｖ∑（ｕ‘）２＝、ｖ／—０．４ ２＋０．２０ ＋０．５６２＋—０．４６２＋０．９０２＋１．０ ２＝１．６％
３．６扩展不确定度
悼眷２孚巧罕孝李碍硼
查ｔ分布的知（ｔＩ）表≯嘶（６０）＝２．００。
Ｕａ＝ｋｘｕ。＝２ｘ１．６％＝３．２％。
Ｐａ
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李正海等：比较法真空规校准装置性能研究
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ｓ芦
／：ｉ．ｘ１００％－－０．００５９９ｘ１０－３／３．０２８００ｘｌＯ－３ｘ１００％－－０．２％