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恒压式气体流量计变容室截面面积测量技术

时间:2018/08/25来源:未知

摘要:为了研制恒压式气体微流量计,设计了以波纹管为主体的变容室,并对波纹管变容室截面面积进行了测量。采用多项式拟合公式对波纹管截面面积测量结果进行了修正,避免了波纹管非线性的影响,结果表明修正后偏差小于 0.16% ,截面面积的测量结果合成标准不确定度小于 0.53% ,可以满足使用要求。

1、引言:
  在真空计量领域中,气体微流量计主要用于气体微流量的测量。国内外很多的真空计量实验室对气体微流量测量技术的研究方面已经取得了很大的发展,相继研制了几代气体微流量计。美国标准技术研究院( NIST) 、德国物理技术研究院( PTB) 、日 本 ( NMIJ) 、意 大 利 国 家 计 量 研 究 所( IMGC) 、中国兰州物理所( LIP) 分别研制了几代恒压式气体微流量计。常用的恒压式流量计分为滑动密封活塞式流量计、活塞式液压驱动波纹管结构流量计和全金属波纹管密封结构流量计等三种结构[1 ~ 3],其核心的区别主要为变容室结构不同。滑动密封活塞式流量计的变容室主体结构是一个金属圆筒,测量流量时,活塞直接插入圆筒,通过驱动活塞产生气体流量; 活塞式液压驱动波纹管结构流量计的变容室主体为波纹管,波纹管通过油室与活塞相连,当测量流量时,活塞通过挤压油来压缩波纹管,使变容室体积发生改变来产生流量; 全金属波纹管密封结构流量计的变容室主体为波纹管,测量流量时,通过微分螺旋计压缩波纹管产生流量。
  为了延伸气体微流量的测量下限,在参考各国恒压式流量计的基础上,设计了活塞直接驱动波纹管密封结构的变容室,进而建立了恒压式气体微流量计。

2、恒压式气体微流量计:
  恒压式气体微流量计主要由稳压室、参考室、电容薄膜规、变容室、活塞、活塞驱动机构、分子泵、机械泵等构成,其原理图如图 1 所示。变容室为波纹管结构形式,整个流量计为全金属,可以烘烤到 150℃。流量测量和校准范围设计为( 10- 3~ 10- 8) Pa·m3/ s。
图 1 恒压式气体微流量计原理图
图 1 恒压式气体微流量计原理图

3、变容室波纹管有效横截面面积的测量:
3.1、变容室结构组成:

  图 1 中 28 为波纹管变容室,波纹管变容室主要由活塞、支架、销钉、连接杆、波纹管、导轨筒、管道、接头等组成,详细结构图见图 2。气体流量计变容室主体为液压薄壁成型波纹管,波纹管上端与连接杆相联,下端与管道相连; 连接杆与活塞用销子连接,活塞拉动连接杆移动,连接杆压缩或拉伸波纹管; 活塞通过支架中心的通孔; 导轨筒在波纹管内且焊接在管道一端,管道另一端与接头相连。液压薄壁成型波纹管由不锈钢材料制成,具有可压缩、密封好等优点。
图 2 波纹管变容室的结构图

图 2 波纹管变容室的结构图
  波纹管变容室使用的材料均为不锈钢,具有结构简单、容积小、重量轻、成本低等优点。采用这种波纹管变容室,可以对气体微流量计整体烘烤到150℃ ,有利于流量计的除气,减小了式气体流量计器壁的放气,有效的延伸了气体流量计产生的流量下限。

3.2、变容室波纹管有效截面面积测量方法:
  变容室波纹管有效截面面积主要由波纹管容积变化和波纹管压缩位移确定,因此测量波纹管容积变化时,首先将气体通入标准容器中,测得波纹管在自然状态下的变容室容积。然后,向变容室中处于自然状态下的波纹管内通入气体,并压缩波纹管,使波纹管容积发生变化,变容室内压力上升,从而测得波纹管容积变化量,通过不同位移下测量波纹管容积变化量,得到一组有效截面面积值,取其平均值作为***终值。
  由气体微流量计的测控系统伺服电机控制活塞驱动液压波纹管,移动距离 ΔL,则可计算的到 Aeff=ΔV / ΔL。通过一系列实验值,求平均值及标准实验偏差可获得液压波纹管有效横截面积。如果容积变化量 ΔV 与长度位移 ΔL 成线性关系,则有效横截面积Aeff不随 ΔL 变化,而且具有很好的重复性。波纹管的长度为自然状态时波纹管长 100mm,***大压缩时波纹管 90mm,活塞活动***大行程为 10mm。波纹管的内径为 9.3mm,外径为 15.5mm。
 
3.3、变容室波纹管有效截面面积测量:
  由波纹管28 及容积 V44作为容积 V。测量原理为玻 — 马定律,即 PV = C。通过供气系统向 V41,V42,V43,V44,V28中充入压力为 P( 由 CDG32、CDG33 测量) 的气体。待气体平衡后,关闭阀门14,记录差压规30 的读数为 P0。压缩波纹管 ΔL,使变容室的容积变化 ΔV,平衡后差压规30 的读数为 P1。则:
计算公式

  根据公式( 3) ,变容室内分别充入 90Pa,1 000Pa,10 000 Pa 压力的气体,进行变容室波纹管有效截面面积测量,测量数据见图 3。
图 3 各种压力下波纹管有效横截面积测量数据曲线图

图 3 各种压力下波纹管有效横截面积测量数据曲线图

  由图 3 可以看出,液压波纹管的重复性比较好,它的线形较差,为了避免它的非线形的不利因素,利用( 4 ~ 8) mm 这段长度且进行修正。波纹管有效横截面积( 4 ~ 8) mm 测量不确定度评定由式( 3) 可得
计算公式
  根据公式( 4) 可得容积 V 波纹管有效横截面积测量合成标准不确定度用( 4) 式计算
图 4 波纹管有效横截面积(4 ~ 8)mm测量数据拟合曲线图(100pa)图 5 波纹管有效横截面积(4 ~ 8)mm测量数据拟合曲线图(1 000pa)

图 4 波纹管有效横截面积(4 ~ 8)mm测量数据拟合曲线图(100pa)  图 5 波纹管有效横截面积(4 ~ 8)mm测量数据拟合曲线图(1 000pa)
图 6 波纹管有效横截面积(4 ~ 8)mm测量数据拟合曲线图(10 000pa)

图 6 波纹管有效横截面积(4 ~ 8)mm测量数据拟合曲线图(10 000pa)   图 7 波纹管有效横截面积(4 ~ 8)mm测量数据平均值拟合曲线图
计算公式

  式( 4) 中项由已知容积的测量不确定度给出 0. 21% ; 第二项为活塞位移 L 的测量不确定度,位移由编码器测量,测量不确定度为 0. 01% ; 第三项由电容薄膜规的重复性给出,电容薄膜规的重复性引入的不确定度小于 0. 05% ,第四项由电容薄膜规的线性给出,线性引入的不确定度也小于0. 05% ,则容积测量不确定度见表 1 所示。另外,还需考虑波纹管有效横截面积测量重复性引入的不确定度为0. 47% ,拟合公式引入的不确定度为 0. 09% 。波纹管有效截面面积测量不确定分析见表 1。
表 1 波纹管有效横截面积测量不确定度
表 1 波纹管有效横截面积测量不确定度
 
4、结束语:
  通过对不同压缩量下波纹管有效横截面积测量,可以得到波纹管有效横截面积随压缩量变化的拟合曲线,利用两者之间的关系可进行即时修正,避免了非线形的不利因素。实验标明,拟合值与测量值的***大偏差小于 0. 16% ,波纹管有效截面面积测量结果的合成标准不确定度小于0. 53% ,可以满足气体微流量的测量要求。

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