渗氦型真空漏孔漏率的温度修正
由于石英材料的渗透系数与温度成指数函数关系, 因此渗氦型真空漏孔对温度非常敏感, 在使用时需要对漏孔校准值进行温度修正。通过对一支渗氦型真空漏孔在16～40 ℃温度范围内的漏率校准, 给出了漏率随温度变化的2 种修正方法———指数修正法和线性修正法, 以及2 种方法的修正结果。
1、引言
随着科学技术的进步, 真空检漏技术在航天、航空、电子工业、核工业等领域的应用越来越广泛。在这些真空检漏中, 对漏率都有十分严格的要求, 只有定量地测量被检漏孔的漏率, 才具有实际意义。目前, 在真空检漏中用于微小真空漏孔定量检测最广泛、最有效的工具是质谱计检漏仪, 但检漏仪需要用已知漏率的真空漏孔对其灵敏度定期进行校准。常见的真空漏孔有渗氦型真空漏孔, 玻璃毛细管型真空漏孔, 金属压扁型真空漏孔, 玻璃- 铂丝型真空漏孔, 烧结型真空漏孔以及孔板型真空漏孔等。由于渗氦型漏孔具有使用方便, 对污染不敏感, 长时间内漏率稳定, 漏率可以做的很小等优点, 因此通常使用渗氦型漏孔对检漏仪进行校准。
但是对于渗氦型真空漏孔, 其漏率受温度的影响较大, 在不同的温度下漏率不同。在现场使用时由于其工况与校准时的工况经常不同, 温度也将不同, 此时漏孔的漏率值与校准时的漏率也将不同, 这将对检漏仪的校准产生较大的影响。因此需要对已知温度下的漏率进行温度修正, 以保证检漏的可靠性。
作者在16～40 ℃温度下, 对一支真空漏孔进行了校准, 并根据校准结果, 通过理论推导和数学分析给出了温度与漏率的指数修正法和线性修正法的2 种表达式, 并对2 种修正结果进行了比较。
2、渗氦型真空漏孔漏率的温度修正方法
渗氦型真空漏孔的漏孔元件一般是由对氦气有较高渗透能力的石英或玻璃管吹制而成。薄膜渗氦型真空漏孔有一个封闭的或在充气式的金属或玻璃气室。如图1 所示。
当氦气在石英薄膜中的扩散达到稳定时, 沿垂直于器壁的方向氦浓度呈线性分布, 利用费克第一定律其渗氦量为
式中Q 为漏孔漏率, Pa·m3/s; K 为渗透系数, Pa·m3/( s·cm2·Pa·mm- 1) ; A 为渗透元件表面积, cm2; p 为渗透元件两侧的渗透气体的分压差, Pa; d 为壁厚, mm。又
式中k0 为与气体- 配偶有关的渗透常数; R 为摩尔气体常数, 8.31J/( mol·K) ; T 为绝对温度, K; E 为渗透活化能, J/mol。
将式( 2) 变为式( 1) , 可得
由式( 2) 可知, 石英的渗透系数与温度是指数函数关系, 渗氦型漏孔对温度非常敏感, 需要对漏孔漏率进行温度修正。
2.1、指数修正法
对于理想气体
将式( 4) 代入式( 3) , 可得
对于任意一个已知温度T 的漏孔, 有
对同一个漏孔, 当在Tcal 温度下校准时
式( 6) 和式( 7) 两边分别相除得到式( 8)
式( 8) 可变为式( 9)
如果能够确定常数, 那么式( 9) 就是温度为T、QT 与Tcal 时的漏率Qcal 之间的指数修正公式。
则式( 5) 可变为
对等式( 10) 两边同除T, 并取自然对数, 可得
等式( 11) 现在变成了一个线性方程y=mx+b 形式。对照线性方程的标准形式可知
因此可以通过实验求得C1 和C2 。对于给定的漏孔, C1 和C2 为常数, 则可得
式( 12) 就是漏率的温度指数修正公式。指数修正公式是由渗氦型漏孔本身的特性确定的, 因此如果C2 已知,可以在很宽的温度范围内进行修正。
