劉燚 劉貝貝 周宇仁 莊煒杰 鄔昕 胡馨丹 / 上海市計量測試技術研究院

0 引言

隨著科技的迅速發(fā)展，通道型標準漏孔廣泛應用于電子器件、制冷、航空航天等工業(yè)領域[1]。通道型標準漏孔根據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準漏孔[2]。通道型正壓標準漏孔出口端壓力為大氣壓，進口端壓力高于大氣壓，影響通道型正壓標準漏孔漏率值的因素主要有氣體類型和進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，有學者使用真空標準漏孔在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論[5]。與此同時，研究者用N2和He2兩種氣體對同一個金屬壓扁型正壓漏孔的漏率進行了不同壓力下的研究，并根據黏滯流-分子流理論對結果作了修正[6]。此外，還有學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準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準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氣以及高純氦氣分別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

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

圖1 通道型標準漏孔校準裝置

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。測量主要依據正壓標準漏孔校準裝置操作規(guī)范，漏率值由以下公式計算：

式中：Qvi——每次測得的漏率；

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

重復測量是對同種氣體在同一氣源壓力下的漏率值進行測量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。采用極差法計算重復測量獲得的相對標準不確度：

式中：S(Qi)——被測漏率值的重復性；

Qmax——重復測量中最大的漏率值；

Qmin——重復測量中最小的漏率值；

C——極差系數（C=2.53）

目前所使用的皂膜流量計的最大允許誤差為±1%，服從均勻分布，其中，則得到的皂膜流量計相對標準不確定度：。

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

壓力測量引入的不確定度，根據測量范圍為0～600 kPa的數字壓力計，準確度等級為0.05級且服從均勻分布，k取，則由壓力測量引入的相對標準不確定度：。

相對合成標準不確定度：

2 結果與討論

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準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。當壓力繼續(xù)增大超過100 kPa時，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，漏率值的變化量為14.47 mL/min。因此，在氣源壓力超過100 kPa時，漏率會隨著壓力的增大而迅速增大。這主要是因為在低于100 kPa的氣源壓力下，高純空氣在通道型正壓標準漏孔中壓力與氣體的黏滯力達到一種平衡狀態(tài)，使得壓力與漏率值基本成比例關系。當壓力超過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準漏孔的漏率

2.2 不同氣體對漏率的影響

高純空氣和高純氮氣以及高純氦氣在不同的氣源壓力下獲得的通道型正壓標準漏孔的漏率如圖3所示。從圖3中可以看出，對于進口端不同的氣體類型，通道型正壓標準漏孔的漏率都會隨著進口壓力的增大而增大。在氣源壓力低于40 kPa時，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。當氣源壓力高于200 kPa時，可以看到高純氦氣所獲得的漏率值明顯高于高純氮氣和高純空氣所獲得的漏率值。這主要是因為相對原子質量越小，氣體在漏孔中的黏滯性越低，在相同的進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，當進口端的氣源為高純空氣、高純氮氣時，通道型標準漏孔所獲得的漏率值相差較小，這是因為在空氣中，氮氣的含量占78%左右，且氮氣的相對原子質量小于空氣的相對原子質量，氮氣的黏滯性能較弱，因此，始終是高純氮氣的漏率值高于高純空氣的漏率值。

圖3 不同氣體類型及不同壓力下通道型正壓標準漏孔的漏率

通道型正壓標準漏孔的進氣端通入氣體分別為高純空氣、高純氮氣、高純氦氣，且氣源壓力為600 kPa時，通道型正壓標準漏孔所獲得的漏率值分別為 137.87 mL/min、144.38 mL/min、191.47 mL/min。進氣端為高純氮氣所獲得的漏率值比高純空氣所獲得的高4.7%，進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準漏孔在通入不同氣體時，較大壓力下獲得的漏率值相差較大。通道型正壓標準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 結語

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

（1）當氣體類型為高純空氣且在不同的壓力條件下，通道型正壓標準漏孔的漏率值會隨進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系。

（2）氣源壓力范圍在10～200 kPa時，三種氣體（高純氦氣、高純空氣、高純氮氣）條件下獲得的漏率值基本相近。當氣源壓力超過200 kPa時，高純氦氣所獲得的漏率值高于高純空氣和高純氮氣。在較大的壓力條件下選擇何種氣體進行校準，對結果的影響很大，因此，在校準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氣時，在通道型標準漏孔中的漏率很接近，但高純氮氣獲得的漏率值最大。氣體的相對原子質量越小，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。