基于不同氣體和壓力下通道型正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔漏率的分析

劉燚 劉貝貝 周宇仁 莊煒杰 鄔昕 胡馨丹 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

隨著科技的迅速發(fā)展，通道型標(biāo)準(zhǔn)漏孔廣泛應(yīng)用于電子器件、制冷、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域[1]。通道型標(biāo)準(zhǔn)漏孔根據(jù)出口端壓力是真空或是大氣壓，可以分為真空漏孔和正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔[2]。通道型正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔出口端壓力為大氣壓，進(jìn)口端壓力高于大氣壓，影響通道型正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔漏率值的因素主要有氣體類型和進(jìn)口端壓力以及氣體的溫度[3,4]。不同氣體類型對漏孔的漏率值有很大影響，有學(xué)者使用真空標(biāo)準(zhǔn)漏孔在H2、He、D2三種氣體以及不同的入口端壓力下研究了本底漏率對校準(zhǔn)漏孔漏率的影響，發(fā)現(xiàn)漏孔漏率與氣體黏度成反比這一結(jié)論[5]。與此同時(shí)，研究者用N2和He2兩種氣體對同一個(gè)金屬壓扁型正壓漏孔的漏率進(jìn)行了不同壓力下的研究，并根據(jù)黏滯流-分子流理論對結(jié)果作了修正[6]。此外，還有學(xué)者研究了同一氣體在多種壓力下金屬壓扁型正壓漏孔漏率隨壓力的變化，并推導(dǎo)出正壓漏孔漏率隨壓力變化的修正公式。

以往的研究主要集中于分析真空標(biāo)準(zhǔn)漏孔或金屬壓扁型正壓漏孔在不同壓力以及H2、He、D2或He2等氣體類型下漏率值隨壓力的變化，而使用高純空氣對通道型正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔漏率隨壓力的變化研究較少。本文主要采用高純空氣和高純氮?dú)庖约案呒兒夥謩e研究在不同壓力條件下漏率值隨壓力的變化，并將三種氣體在同一壓力條件下所得的漏率值作了比較分析。

1 測量裝置及不確定度分析

1.1 測量裝置

通道型正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔校準(zhǔn)裝置如圖1所示。該裝置由供氣源端、被測端、數(shù)據(jù)顯示端組成。其中，供氣源端通過氣瓶中的高純氣源提供，氣體經(jīng)過減壓閥減壓后再經(jīng)手動調(diào)節(jié)閥，手動調(diào)節(jié)閥的作用是控制壓力大小。壓力通過數(shù)字壓力計(jì)顯示，數(shù)字壓力計(jì)安裝在手動泵上，手動泵的作用是微調(diào)壓力。被測端用于安裝通道型標(biāo)準(zhǔn)漏孔，安裝中要確保不漏氣。經(jīng)過被測端的氣體最后進(jìn)入數(shù)據(jù)顯示端，數(shù)據(jù)顯示端是通過測量范圍為 1～220 mL/min的皂膜流量計(jì)顯示漏率。

圖1 通道型標(biāo)準(zhǔn)漏孔校準(zhǔn)裝置

1.2 不確定度分析

在測量過程中，環(huán)境溫度維持在（20±1）℃，環(huán)境相對濕度為35%～45%，大氣壓為102.3 kPa。測量過程周圍無作用力、無熱源、無磁場等干擾因素。測量主要依據(jù)正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔校準(zhǔn)裝置操作規(guī)范，漏率值由以下公式計(jì)算：

式中：Qvi——每次測得的漏率；

測量中的不確定度來源主要有：重復(fù)測量、皂膜流量計(jì)、進(jìn)口端氣源壓力波動、壓力測量[8]。本次不確定度分析將高純空氣作為分析對象。

重復(fù)測量是對同種氣體在同一氣源壓力下的漏率值進(jìn)行測量6次，本次氣源是高純空氣，取最小的氣源壓力10 kPa，標(biāo)稱漏率值為 1.08 mL/min。在氣源壓力為10 kPa的條件下獲得的6次實(shí)測漏率值分別為 1.09 mL/min、1.09 mL/min、1.08 mL/min、1.08 mL/min、1.09 mL/min、1.08 mL/min。采用極差法計(jì)算重復(fù)測量獲得的相對標(biāo)準(zhǔn)不確度：

式中：S(Qi)——被測漏率值的重復(fù)性；

Qmax——重復(fù)測量中最大的漏率值；

Qmin——重復(fù)測量中最小的漏率值；

C——極差系數(shù)（C=2.53）

目前所使用的皂膜流量計(jì)的最大允許誤差為±1%，服從均勻分布，其中，則得到的皂膜流量計(jì)相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度：。

進(jìn)口端氣源壓力波動引入的不確定度，在滿足JJF 1627-2017皂膜流量計(jì)法標(biāo)準(zhǔn)漏孔校準(zhǔn)規(guī)范6.2.1.3規(guī)定的條件下，得到的進(jìn)口端氣源壓力波動相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度：ur(p0)=1%。

壓力測量引入的不確定度，根據(jù)測量范圍為0～600 kPa的數(shù)字壓力計(jì)，準(zhǔn)確度等級為0.05級且服從均勻分布，k取，則由壓力測量引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度：。

相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

2 結(jié)果與討論

2.1 不同壓力對漏率的影響

高純空氣在不同的氣源壓力下對通道型正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔漏率的影響如圖2所示。最小的氣源壓力給定10 kPa，得到的實(shí)測漏率值為1.08 mL/min。從圖2中可以看出，在氣源壓力從10 kPa增加到80 kPa的過程中，漏率與壓力基本成比例。當(dāng)壓力繼續(xù)增大超過100 kPa時(shí)，可以明顯地看到漏率有突然增大的趨勢。例如氣源壓力從100 kPa增大到150 kPa，漏率值的變化量為9.29 mL/min，氣源壓力從550 kPa增大到600 kPa時(shí)，漏率值的變化量為14.47 mL/min。因此，在氣源壓力超過100 kPa時(shí)，漏率會隨著壓力的增大而迅速增大。這主要是因?yàn)樵诘陀?00 kPa的氣源壓力下，高純空氣在通道型正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔中壓力與氣體的黏滯力達(dá)到一種平衡狀態(tài)，使得壓力與漏率值基本成比例關(guān)系。當(dāng)壓力超過100 kPa后，氣體在漏孔中的黏滯力有減弱的趨勢，使得漏率增量不斷增大。

圖2 高純空氣在不同壓力下通道型正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔的漏率

2.2 不同氣體對漏率的影響

高純空氣和高純氮?dú)庖约案呒兒庠诓煌臍庠磯毫ο芦@得的通道型正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔的漏率如圖3所示。從圖3中可以看出，對于進(jìn)口端不同的氣體類型，通道型正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔的漏率都會隨著進(jìn)口壓力的增大而增大。在氣源壓力低于40 kPa時(shí)，氣體類型對漏孔的漏率值的影響較小，漏率值基本相近，但始終是高純氦氣所獲得的漏率值較大。當(dāng)氣源壓力高于200 kPa時(shí)，可以看到高純氦氣所獲得的漏率值明顯高于高純氮?dú)夂透呒兛諝馑@得的漏率值。這主要是因?yàn)橄鄬υ淤|(zhì)量越小，氣體在漏孔中的黏滯性越低，在相同的進(jìn)口端壓力下氣體的流速越大，從而使漏率值增大。此外，還可以看出，當(dāng)進(jìn)口端的氣源為高純空氣、高純氮?dú)鈺r(shí)，通道型標(biāo)準(zhǔn)漏孔所獲得的漏率值相差較小，這是因?yàn)樵诳諝庵校獨(dú)獾暮空?8%左右，且氮?dú)獾南鄬υ淤|(zhì)量小于空氣的相對原子質(zhì)量，氮?dú)獾酿阅茌^弱，因此，始終是高純氮?dú)獾穆┞手蹈哂诟呒兛諝獾穆┞手怠?/p>

圖3 不同氣體類型及不同壓力下通道型正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔的漏率

通道型正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔的進(jìn)氣端通入氣體分別為高純空氣、高純氮?dú)狻⒏呒兒?，且氣源壓力?00 kPa時(shí)，通道型正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔所獲得的漏率值分別為 137.87 mL/min、144.38 mL/min、191.47 mL/min。進(jìn)氣端為高純氮?dú)馑@得的漏率值比高純空氣所獲得的高4.7%，進(jìn)氣端為高純氦氣所獲得的漏率值比高純空氣所獲得的高38.9%。這說明同一通道型正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔在通入不同氣體時(shí)，較大壓力下獲得的漏率值相差較大。通道型正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔在較大的氣源壓力下檢測漏率，選用不同類型的氣體對最終漏率值影響很大，因此，明確氣體類型是十分重要的。

3 結(jié)語

本文主要依據(jù)JJF 1627-2017以及正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔校準(zhǔn)裝置，分析了不同氣體類型以及不同氣源壓力條件下正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔的漏率變化規(guī)律，得到的主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)氣體類型為高純空氣且在不同的壓力條件下，通道型正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔的漏率值會隨進(jìn)口壓力的增大而增大。在低于40 kPa的條件下，漏率值與壓力成正比關(guān)系。

（2）氣源壓力范圍在10～200 kPa時(shí)，三種氣體（高純氦氣、高純空氣、高純氮?dú)猓l件下獲得的漏率值基本相近。當(dāng)氣源壓力超過200 kPa時(shí)，高純氦氣所獲得的漏率值高于高純空氣和高純氮?dú)狻Ｔ谳^大的壓力條件下選擇何種氣體進(jìn)行校準(zhǔn)，對結(jié)果的影響很大，因此，在校準(zhǔn)前一定要明確氣源類型。

（3）比較三種氣體可以看出，氣體類型為高純空氣和高純氮?dú)鈺r(shí)，在通道型標(biāo)準(zhǔn)漏孔中的漏率很接近，但高純氮?dú)猥@得的漏率值最大。氣體的相對原子質(zhì)量越小，氣體的黏滯性能越弱，在通道中流動阻力減小，從而獲有較大的漏率值。