一种固定流导法流量计测量微型真空泵抽速的装置及方法与流程

本发明涉及真空泵测量技术领域，具体涉及一种固定流导法流量计测量微型真空泵抽速的装置及方法。

背景技术：

测量真空泵性能时需要流量计来提供标准气体流量。通常测量真空泵抽速的流量计所提供的气体流量较大，如：《容积真空泵性能测量方法》(jb/t7266-94)等效于国际标准《容积真空泵性能测量方法—第一部分：体积流率(抽速)的测量》(iso1607/ii-1980)，《容积真空泵性能测量方法》规定流量计选用滴管式流量计和玻璃转子流量计，滴管式流量计流量范围为(1.25×10^-4～14.3)pa·m³/s，玻璃转子流量计流量范围为(14.7×10^-4～4530)pa·m³/s；《滑阀式真空泵性能测试方法》(jb/t1246-97)所规定的流量计的种类与流量计流量范围与《容积真空泵性能测量方法》(jb/t7266-94)所规定的相一致；罗茨真空泵性能测试方法(jb/t7674-95)规定一般选用滴管式流量计，但流量较大时可采用浮子流量计，流量计范围一般在(10^-4～1)pa·m³/s；《涡轮分子泵性能测试方法》(gb7774-87)中规定流量计采用滴管式流量装置(参照gb6307.1-86《蒸汽流真空泵抽速测量方法》)，流量计范围为(10^-4～1)pa·m³/s。

微型真空泵抽速需要气体微小，其流量范围为(5×10^-6～1×10^-9)pa·m³/s，所以现有真空泵抽速测量所规定的流量计不能满足微型真空泵的要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种固定流导法流量计测量微型真空泵抽速的装置及方法，能够实现微型真空泵抽速的精确测量。

本发明的固定流导法流量计测量微型真空泵抽速的装置，包括：气瓶、第一抽气系统、稳压室、固定流导小孔、测试罩、第二抽气系统、第一真空计和第二真空计，外围设备为待测微型真空泵；其中，测试罩为没有上下测量室的测试罩；

其中，气瓶通过第一阀门、第三阀门与稳压室相连；第一抽气系统通过第二阀门、第三阀门与稳压室相连；稳压室通过第四阀门、固定流导小孔、第五阀门与测试罩连接；待测微型真空泵通过第六阀门与测试罩连接；第二抽气系统通过第七阀门与测试罩连接；

第一真空计用于测量稳压室中气体压力；第二真空计用于测量测试罩中气体压力。

进一步的，所述气瓶中气体为已知的单一气体或混合气体；气瓶的气体出口压力可调。

进一步的，所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门和第七阀门均为真空阀门。

进一步的，第一真空计为电容薄膜真空计；第二真空计为磁悬浮转子真空计。

进一步的，所述测试罩采用真空熔炼的316l不锈钢制作而成。

本发明还提供了一种微型真空泵抽速的测量方法，采用上述装置进行测量，包括如下步骤：

步骤1，初始时，所有阀门以及抽气系统均处于关闭状态；

打开第二阀门、第三阀门和第四阀门，启动第一抽气系统抽真空，将稳压室抽至本底压力后，关闭第四阀门和第二阀门，关闭第一抽气系统，打开第一阀门，气瓶中的气体进入稳压室；

步骤2，当稳压室中的气体压力稳定后，关闭第一阀门和第三阀门，利用第一真空计测量稳压室中气体压力，记为p1；

步骤3，打开第七阀门和第五阀门，启动第二抽气系统抽真空，将测试罩抽至本底压力后，打开第四阀门，稳压室中的气体通过固定流导小孔进入测试罩；打开第六阀门，启动待测微型真空泵，关闭第七阀门，关闭第二抽气系统；

步骤4，当测试罩中的气体压力稳定后，利用第二真空计测量测试罩中的气体压力，记为p2；

步骤5，计算待测微型真空泵抽速s为：

其中，c为固定流导小孔的流导值。

有益效果：

本发明提供了一种固定流导法流量计测量微型真空泵抽速装置及方法，流量计使用既能产生微小流量、又能保持长时间提供稳定气体流量的固定流导法气体流量计，解决了微型真空泵抽速测量中所需微小稳定气体流量的难题；避免了通常超高真空泵抽速测试用测试罩上下对称结构的方法，减小了测试罩内表面积，减小了测试罩表面积放气影响量，提高了测量准确性，实现了微型真空泵抽速的准确测量。

附图说明

图1为本发明固定流导法流量计测量微型真空泵抽速装置的结构示意图。

其中，1—气瓶，2—第一阀门，3—第一抽气系统，4—第二阀门，5—第三阀门，6—第一真空计，7—稳压室，8—第四阀门，9—固定流导小孔，10—第五阀门，11—第二真空计，12—测试罩，13—第六阀门，14—待测微型真空泵，15—第七阀门，16—第二抽气系统。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种固定流导法流量计测量微型真空泵抽速的装置及方法。

可以提供(5×10^-6～1×10^-9)pa·m³/s范围的流量计有恒压式气体微流量计、定容式气体微流量计及固定流导法流量计。其中恒压式气体微流量计的基本工作原理是在恒定气体压力条件下，活塞杆匀速前进产生气体流量，由于活塞杆长度有限，每次工作时长有限，一般为几分钟，不能满足真空泵较长时间(20分钟以上)真空泵抽速测量需求；定容式流量计流量测量的前提条件是定容室内的压力发生变化，由于泵抽速测量时间长，导致前后气体流量相差较大，引入较大的不确定度；而固定流导法流量计在流导与体积达到一定条件时，可以提供稳定的气体微流量，所以用于微型真空泵抽速测量的流量计应为固定流导法气体微流量计。

通常使用最多的超高真空泵为涡轮分子泵和溅射离子泵，《涡轮分子泵性能测试方法》(gb7774-87)中规定当测试罩内压力较低时时，泵的测试罩分对称的上下两部分，两部分之间有限流小孔；微型真空泵一般用于真空度的保持，真空腔体中的压力越低其使用寿命越长，按照通常要求可以使用《涡轮分子泵性能测试方法》(gb7774-87)中测试罩上下对称结构进行微型真空泵的测试，但由于微型真空泵抽速小(1×10^-3m³/s～1×10^-5m³/s)，测试罩上下对称结构会使测试罩内表面积增大，测试罩放气量增大，对微型真空泵抽速测量引入的不确定度分量增大。为了减小放气量引入的不确定度分量，对于微型真空泵抽速测量可以采用没有上下测量室的测试罩，用固定流导法流量计提供标准微流量的前提下，可以准确测量微型真空泵的抽速。

恒定已知微小流量提供技术是微型真空泵抽速测量一个重要因素。使用固定流量导法流量计之后，可以简化测试装置测试罩的结构，减小测试过程测试罩放气影响，提高微型真空泵抽速测量的准确性。

如图1所示，本发明的固定流导法流量计测量微型真空泵抽速装置包括：气瓶1、第一阀门2、第一抽气系统3、第二阀门4、第三阀门5、第一真空计6、稳压室7、第四阀门8、固定流导小孔9、第五阀门10、第二真空计11、测试罩12、第六阀门13、待测微型真空泵14、第七阀门15和第二抽气系统16。

其中，气瓶1通过第一阀门2和第三阀门5与稳压室7通过管道相连，气瓶1提供测量用气体；第一抽气系统3通过第二阀门4和第三阀门5与稳压室7通过另一条管道相连，第一抽气系统3用于抽出稳压室7及第一阀门2、第二阀门4、第三阀门5之间连接管道中的气体；第一真空计6与稳压室7通过管路连接，第一真空计6测量稳压室7中气体压力；稳压室7通过第四阀门8与固定流导小孔9通过管路连接，稳压室7保持稳定气体压力；固定流导小孔9通过第五阀门与测试罩12通过管路连接，固定流导小孔9流导保持不变，使通过小孔气体流量保持恒定；第二真空计11与测试罩12通过管道连接，第二真空计11测量测试罩12中气体压力；待测微型真空泵14通过第六阀门13与测量测试罩12通过管道连接；第二抽气系统16通过第七阀门15与测量测试罩12通过管道连接，第二抽气系统16用于抽测试罩12内的气体。

其中，气瓶1可以提供不同高压的单一气体或混合气体，气体种类已知，如氮气、氦气、氩气等气体。

待测微型真空泵7抽速在1×10^-3m³/s～1×10^-5m³/s范围。待测微型真空泵7选用微型溅射离子泵。

第一阀门2、第二阀门4、第三阀门5、第四阀门8、第五阀门10、第六阀门13和第七阀门15均为真空阀门，可选用瑞士vat公司生产的真空阀门。

第一真空计6为电容薄膜真空计，可选用美国mks公司生产的电容薄膜真空计。

第二真空计9为本身没有吸气作用(即没有抽速)的磁悬浮转子真空计，可选用美国mks公司生产的srg-3磁悬浮转子真空计。

第一抽气系统3为本领域现有技术中所述用于抽气达到真空的装置，可为分子泵与机械泵的组合等，极限真空度能达到10^-4pa量级。

第二抽气系统16为本领域现有技术中所述用于抽气达到真空的装置，可为分子泵与机械泵的组合等，极限真空度能达到10^-7pa量级。机械泵为德国leybold公司生产的sc5d型机械泵，分子泵为德国leybold公司生产的wt250型分子泵。

固定流导小孔9为本领域现有技术中所述激光小孔，在分子流条件下小孔流导固定不变。可采用兰州空间技术物理研究所研制的流导小孔，采用真空熔炼的316l不锈钢制作，经国防真空计量一级站计量流导值为2.2×10^-9m³/s。

测试罩12为没有上下测量室的测试罩，采用真空熔炼的316l不锈钢制作。

采用上述测量装置进行测量时，第一阀门2、第二阀门4、第三阀门5、第四阀门8、第五阀门10、第六阀门13和第七阀门15、第一抽气系统3和第二抽气系统16在所述测量方法开始前均处于关闭状态，所述测量方法步骤如下：

(1)打开第二阀门4、第三阀门5和第四阀门8，启动第一抽气系统3抽真空，开启第一真空计6；

(2)当第一真空计6测得的稳压室7的本底压力测量值小于1pa，关闭第四阀门8，第一抽气系统再抽气10分钟后，关闭第二阀门4，关闭第一抽气系统3，打开第一阀门2，气瓶1中的气体进入稳压室7中，用第一真空计6测量稳压室7中气体压力，当稳压室7中气体压力达到稳定值时，记录稳压室7的压力值为p1，关闭第一阀门2、第三阀门5；

(3)打开第七阀门15和第五阀门10，启动第二抽气系统16抽真空，开启第二真空计11；

(4)用第二真空计11测量测试罩中的本底压力，当本底压力测量值小于1×10^-3pa，且10分钟压力值基本保持不变时，打开第四阀门8，打开第六阀门13，启动待测微型真空泵14，关闭第七阀门15，关闭第二抽气系统16；

(5)当气体流量达到动态平衡时，即第二真空计11在10分钟压力值基本保持不变时，用第二真空计11测量测试罩内的压力，记为p2。

(6)在动态平衡条件下，根据流量守恒定律，通过固定流导小孔9的气体流量q1与待测微型真空泵14抽走的气体流量q2相等，用公式(1)表示：

q1＝q2(1)

公式(1)中：

q1—通过固定流导小孔9的气体流量，单位为：pa·m³/s；

q2—待测微型真空泵14抽走的气体流量，单位为：pa·m³/s。

通过固定流导小孔9的气体流量q1用公式(2)表示：

q1＝cp1(2)

公式(2)中：

p1—稳压室7中的压力，单位为：pa；

c—固定流导小孔9的流导值，在分子流条件下是恒定值，通过计量单位给出，单位为：m³/s。

待测微型真空泵14抽走的气体流量q2，用公式(3)表示：

q2＝sp2(3)

公式(3)中：

s—待测微型真空泵(14)的抽速，单位为：m³/s。

将公式(1)、公式(2)及公式(3)联立求解得到待测微型真空泵14抽速的计算公式用公式(4)表示：

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。