本发明涉及一种便携式动态比较正压漏孔校准装置及方法，属于测量领域。
背景技术：
正压漏孔的校准可以采用定容法、恒压法、定量气体比对法以及动态比较法。其中，动态比较法以已知漏率的标准漏孔作为参考标准，与待校准正的正压漏孔状态更接近，具有校准量限范围宽、校准准确度高的特点。但是，目前正压漏孔的校准装置由于体积庞大，不便于携带，因此局限于实验室使用，无法在工作现场对正压漏孔进行校准。
技术实现要素：
针对现有正压漏孔校准装置无法在工作现场校准的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种便携式动态比较正压漏孔校准装置；本发明的目的之二在于提供一种便携式动态比较正压漏孔校准方法。
为实现本发明的目的，提供以下技术方案。
一种便携式动态比较正压漏孔校准装置，所述装置主要组成部件包括：第一阀门、第二阀门、参考正压漏孔、第一温度传感器、第三阀门、第四阀门、稳压室、第五阀门、毛细管、第六阀门、限流小孔、恒温室、第七阀门、待校准正压漏孔、第二温度传感器、第八阀门、第九阀门、质谱计、机械泵、分子泵、第十阀门、质谱分析室、第一真空计、第二真空计、第三真空计和第四真空计。
其中，优选质谱计为四级质谱计。
质谱分析室内中部设有限流小孔，用于保持质谱分析室的动态平衡；优选限流小孔孔径为33mm。
机械泵和分子泵共同构成抽真空系统。
第二阀门、参考正压漏孔、第一温度传感器、第三阀门、第七阀门、待较准正压漏孔、第二温度传感器和第八阀门位于恒温室内，第一阀门、第四阀门、稳压室、第五阀门、毛细管、第六阀门、限流小孔、第九阀门、质谱计、机械泵、分子泵、第十阀门、质谱分析室、第一真空计、第二真空计、第三真空计和第四真空计位于恒温室外。
第一阀门入口端通过管路与气源连接，第一阀门的出口端连接的管路分为主支路a和主支路b，主支路a上连接有第一真空计，在第一真空计后方主支路a入口端分为两条次支路，一条次支路将第二阀门、参考正压漏孔和第三阀门依次串联连接，第一温度传感器与参考正压漏孔连接，另一条次支路将第七阀门、待较准正压漏孔和第八阀门依次串联连接，第二温度传感器与待较准正压漏孔连接，两条次支路汇合后形成主支路a的出口端，主支路a的出口端与主支路b汇合形成一条管路与第四阀门入口端连接，主支路a和主支路b汇合后形成的管路上设有第二真空计，第四阀门出口端通过管路与稳压室入口端连接，稳压室出口端通过一条管路将第九阀门和机械泵串联连接，稳压室出口端通过另一条管路依次将第五阀门、毛细管、第六阀门、质谱分析室、第十阀门、分子泵和机械泵串联连接，稳压室出口端连接的两条管路在与机械泵连接前汇合为一条管路后再与机械泵连接，毛细管和第六阀门之间的管路上连接有第三真空计，质谱计和第四真空计位于质谱分析室外，并分别与质谱分析室中限流小孔前方的空间相连。
一种便携式动态比较正压漏孔校准方法，所述校准方法采用本发明所提供的一种便携式动态比较正压漏孔校准装置完成，所述校准装置的主要组成部件：第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门，第六阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门、质谱计、机械泵、分子泵和第十阀门在使用前均处于关闭状态，其中，恒温室保持温度恒定在20℃～26℃；作为参考标准的参考正压漏孔已经过标定，参考正压漏孔的漏率(qr)已知；气源气体为示漏气体或氮气(n2)，其中，氮气压力为一个大气压，用于模拟大气环境；示漏气体种类根据待校准正压漏孔的工作现场需要确定，示漏气体的压力大于一个大气压，且小于等于十个大气压；所述校准方法步骤如下：
(1)打开第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门，第六阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门和第十阀门，打开机械泵抽真空，采用第四真空计读取质谱分析室中的压力，待压力达到50pa时，打开分子泵抽真空，采用第四真空计读取质谱分析室中的压力，待压力达到质谱计工作所需压力时，打开质谱计，如当压力达到10-3pa量级时，打开质谱计；
(2)当抽真空系统抽真空至第四真空计读取质谱分析室中的压力量级不发生变化时，质谱分析室中达到极限压力，质谱计测量得到质谱分析室中示漏气体的本底离子流(i0)，关闭第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门，第六阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门和第十阀门；
(3)充入示漏气体：气源气体为示漏气体，打开第一阀门和第二阀门，向参考正压漏孔的入口端充入示漏气体，第一真空计读取管路中的压力，当压力达到气源提供的示漏气体压力时，关闭第一阀门和第二阀门，打开第四阀门和第九阀门，抽真空系统抽真空，当第二真空计读取管路中的压力达到10pa时，关闭第四阀门；
充入氮气：气源气体为氮气，打开第一阀门和第三阀门，向参考正压漏孔的出口端充入一个大气压的氮气，当第二真空计读取管路中的压力，当压力达到气源提供的氮气压力时，关闭第一阀门和第三阀门；
示漏气体和氮气的充入先后顺序没有要求，可以先充入示漏气体，后充入氮气，也可以先充入氮气，后充入示漏气体；
当示漏气体和氮气充入完毕后，开始累积；
(4)当第二真空计读数大于1000pa时，按照参考正压漏孔量级的不同确定参考正压漏孔的累积时间(δtr)，累积过程中用第一温度传感器记录温度，取平均值得到参考正压漏孔校准时的平均温度(tr)，待累积时间达到后，关闭第九阀门，打开第四阀门，将累积的气体膨胀到稳压室中；
(5)当第二真空计读取管路中的压力小于等于第二真空计读数的5％时，打开第五阀门，稳压室中膨胀后的气体通过毛细管，当第三真空计读取管路中的压力小于等于10-3pa时，关闭质谱计，打开第六阀门，气体进入质谱分析室，采用第四真空计读取质谱分析室中的压力，待压力达到质谱计工作所需压力时，打开质谱计，用质谱计测量得到参考正压漏孔在质谱分析室中产生的示漏气体离子流(ir)，关闭第五阀门和第六阀门；
(6)重复步骤(3)～(5)，将第二阀门替换为第七阀门，参考正压漏孔替换为待校准正压漏孔，第一温度传感器替换为第二温度传感器，第三阀门替换为第八阀门，得到待校准正压漏孔的累积时间(δt)、待校准正压漏孔校准时的平均温度(t)和待校准正压漏孔在质谱分析室中产生的示漏气体离子流(i)；
(7)待校准正压漏孔的漏率(q)的计算公式如下所示：
式中：
q——待校准正压漏孔的漏率，单位为：pam3/s；
qr——参考正压漏孔的漏率，单位为：pam3/s；
δt——待校准正压漏孔的累积时间，单位为：s；
δtr——参考正压漏孔的累积时间，单位为：s；
i——待校准正压漏孔在质谱分析室中产生的示漏气体离子流，单位为：a；
ir——参考正压漏孔在质谱分析室中产生的示漏气体离子流，单位为：a；
i0——质谱分析室中示漏气体本底离子流，单位为：a；
t——待校准正压漏孔校准时的平均温度，单位为：k；
tr——参考正压漏孔校准时的平均温度，单位为：k。
有益效果
本发明提供了一种便携式动态比较正压漏孔校准装置及方法，所述装置和方法设计了恒温室，减小了不同时间参考正压漏孔与待校准正压漏孔气体累积时不同的温度对待校准正压漏孔校准可能的影响，有效保证了待校准正压漏孔校准的准确度；稳压室的体积小，可满足便携式装置小体积、低重量的要求，参考正压漏孔与待校准正压漏孔累积的气体进行膨胀后最小为几千帕，如果采用小孔进样，则存在要求小孔孔径小，存在制造难度大，且造价昂贵的问题，因此采用毛细管进行进一步的压力衰减，可以满足分子流动态进样的条件，所述装置和方法可以实现正压漏孔的现场校准，与待校准正压漏孔的校准环境更加贴近。
附图说明
图1为实施例中一种便携式动态比较正压漏孔校准装置的结构示意图。
图中：1—第一阀门，2—第二阀门，3—参考正压漏孔，4—第一温度传感器，5—第三阀门，6—第四阀门，7—稳压室，8—第五阀门，9—毛细管，10—第六阀门，11—限流小孔，12—恒温室，13—第七阀门，14—待校准正压漏孔，15—第二温度传感器，16—第八阀门，17—第九阀门，18—质谱计，19—机械泵，20—分子泵，21－第十阀门，22—质谱分析室，23—第一真空计，24—第二真空计，25—第三真空计，26—第四真空计
具体实施方式
实施例1
一种便携式动态比较正压漏孔校准装置，所述装置主要组成部件包括：第一阀门1、第二阀门2、参考正压漏孔3、第一温度传感器4、第三阀门5、第四阀门6、稳压室7、第五阀门8，毛细管9、第六阀门10、限流小孔11、恒温室12、第七阀门13、待校准正压漏孔14、第二温度传感器15、第八阀门16、第九阀门17、质谱计18、机械泵19、分子泵20、第十阀门21、质谱分析室22、第一真空计23、第二真空计24、第三真空计25和第四真空计26。
其中，质谱计18为四级质谱计18。
质谱分析室22内中部设有挡板，挡板上设有孔径为33mm的限流小孔11，用于保持质谱分析室22的动态平衡。
机械泵19和分子泵20共同构成抽真空系统。
第二阀门2、参考正压漏孔3、第一温度传感器4、第三阀门5、第七阀门13、待较准正压漏孔14、第二温度传感器15和第八阀门16位于恒温室12内，第一阀门1、第四阀门6、稳压室7、第五阀门8，毛细管9、第六阀门10、限流小孔11、第九阀门17，质谱计18、机械泵19、分子泵20、第十阀门21、质谱分析室22、第一真空计23、第二真空计24、第三真空计25和第四真空计26位于恒温室12外。
第一阀门1入口端通过管路与气源连接，第一阀门1的出口端连接的管路分为主支路a和主支路b，主支路a上连接有第一真空计23，在第一真空计23后方主支路a入口端分为两条次支路，一条次支路将第二阀门2、参考正压漏孔3和第三阀门5依次串联连接，第一温度传感器4与参考正压漏孔3连接，另一条次支路将第七阀门13、待较准正压漏孔14和第八阀门16依次串联连接，第二温度传感器15与待较准正压漏孔14连接，两条次支路汇合后形成主支路a的出口端，主支路a的出口端与主支路b汇合形成一条管路与第四阀门6入口端连接，主支路a和主支路b汇合后形成的管路上设有第二真空计24，第四阀门6出口端通过管路与稳压室7入口端连接，稳压室7出口端通过一条管路将第九阀门17和机械泵19串联连接，稳压室7出口端通过另一条管路依次将第五阀门8、毛细管9、第六阀门10、质谱分析室22、第十阀门21、分子泵20和机械泵19串联连接，稳压室7出口端连接的两条管路在与机械泵19连接前汇合为一条管路后再与机械泵19连接，毛细管9和第六阀门10之间的管路上连接有第三真空计25，质谱计18和第四真空计26位于质谱分析室22外，并分别与质谱分析室22中限流小孔11前方的空间相连。
一种便携式动态比较正压漏孔校准方法，所述校准方法采用本实施例所提供的一种便携式动态比较正压漏孔校准装置完成，所述校准装置的主要组成部件：第一阀门1、第二阀门2、第三阀门5、第四阀门6、第五阀门8、第六阀门10、第七阀门13、第八阀门16、第九阀门17、质谱计18、机械泵19、分子泵20和第十阀门21在使用前均处于关闭状态，其中，恒温室12保持温度恒定在20℃～26℃；作为参考标准的参考正压漏孔3已经过标定，参考正压漏孔3的漏率(qr)已知；气源气体为示漏气体、氮气(n2)，其中，氮气压力为一个大气压，用于模拟大气环境；示漏气体种类根据待校准正压漏孔14的工作现场需要确定，示漏气体的压力大于一个大气压，且小于等于十个大气压；所述校准方法步骤如下：
(1)打开第二阀门2、第三阀门5、第四阀门6、第五阀门8，第六阀门10、第七阀门13、第八阀门16、第九阀门17和第十阀门21，打开机械泵19抽真空，采用第四真空计26读取质谱分析室22中的压力，待压力达到50pa时，打开分子泵20抽真空，采用第四真空计26读取质谱分析室22中的压力，当压力达到10-3pa量级时，打开四极质谱计18；
(2)当抽真空系统抽真空至第四真空计26读取质谱分析室22中的压力量级不发生变化时，质谱分析室22中达到极限压力，质谱计18测量得到质谱分析室22中示漏气体的本底离子流(i0)，关闭第二阀门2、第三阀门5、第四阀门6、第五阀门8，第六阀门10、第七阀门13、第八阀门16、第九阀门17和第十阀门21；
(3)充入示漏气体：气源气体为示漏气体，打开第一阀门1和第二阀门2，向参考正压漏孔3的入口端充入示漏气体，第一真空计23读取管路中的压力，当压力达到气源提供的示漏气体压力时，关闭第一阀门1和第二阀门2，打开第四阀门6和第九阀门17，抽真空系统抽真空，当第二真空计24读取管路中的压力达到10pa时，关闭第四阀门6；
充入氮气：气源气体为氮气，打开第一阀门1和第三阀门5，向参考正压漏孔3的出口端充入一个大气压的氮气，当第二真空计24读取管路中的压力，当压力达到气源提供的氮气压力时，关闭第一阀门1和第三阀门5；
示漏气体和氮气的充入先后顺序没有要求，可以先充入示漏气体，后充入氮气，也可以先充入氮气，后充入示漏气体；
当示漏气体和氮气充入完毕后，开始累积；
(4)当第二真空计24读数大于1000pa时，按照参考正压漏孔3量级的不同确定参考正压漏孔的累积时间(δtr)，累积过程中用第一温度传感器4记录温度，取平均值得到参考正压漏孔3校准时的平均温度(tr)，待累积时间达到后，关闭第九阀门17，打开第四阀门6，将累积的气体膨胀到稳压室7中；
(5)当第二真空计24读取管路中的压力小于等于第二真空计24读数的5％时，打开第五阀门8，稳压室7中膨胀后的气体通过毛细管9，当第三真空计25读取管路中的压力小于等于10-3pa时，关闭质谱计18，打开第六阀门10，气体进入质谱分析室22，采用第四真空计26读取质谱分析室22中的压力，待压力达到质谱计18工作所需压力时，打开质谱计18，测量得到参考正压漏孔3在质谱分析室22中产生的示漏气体离子流(ir)，关闭第五阀门8和第六阀门10；
(6)重复步骤(3)～(5)，将第二阀门2替换为第七阀门13，参考正压漏孔3替换为待校准正压漏孔14，第一温度传感器4替换为第二温度传感器15，第三阀门5替换为第八阀门16，得到待校准正压漏孔14的累积时间(δt)、待校准正压漏孔14校准时的平均温度(t)和待校准正压漏孔14在质谱分析室22中产生的示漏气体离子流(i)；
(7)待校准正压漏孔14的漏率(q)的计算公式如下所示：
式中：
q——待校准正压漏孔14的漏率，单位为：pam3/s；
qr——参考正压漏孔3的漏率，单位为：pam3/s；
δt——待校准正压漏孔14的累积时间，单位为：s；
δtr——参考正压漏孔3的累积时间，单位为：s；
i——待校准正压漏孔14在质谱分析室22中产生的示漏气体离子流，单位为：a；
ir——参考正压漏孔3在质谱分析室22中产生的示漏气体离子流，单位为：a；
i0——质谱分析室22中示漏气体本底离子流，单位为：a；
t——待校准正压漏孔14校准时的平均温度，单位为：k；
tr——参考正压漏孔3校准时的平均温度，单位为：k；
数据：qr＝2.39×10-3pam3/s，δt＝1360s，δtr＝1200s，i＝2.38×10-9a，ir＝2.36×10-9a，i0＝1.55×10-9a，t＝300.1k，tr＝300.2k，代入公式(1)，计算得到q＝2.21×10-3pam3/s。