全無(wú)油金屬膨脹式真空校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)

近些年英國(guó)、美國(guó)和德國(guó)均已將膨脹式校準(zhǔn)系統(tǒng)列為國(guó)家級(jí)真空標(biāo)準(zhǔn)。筆者于1992年負(fù)責(zé)建成我省一等玻璃膨脹式真空校準(zhǔn)裝置。由于當(dāng)時(shí)條件限制，該裝置采用了有油旋片式真空泵和油玻璃擴(kuò)散泵為主要真空獲得設(shè)備，校準(zhǔn)室采用了玻璃容器，容積僅能做到10升。致使該裝置校準(zhǔn)范圍僅作到P>10-2Pa，總不確定度<5%。

如今無(wú)油真空泵和分子泵已在真空獲得領(lǐng)域得到比較廣泛的應(yīng)用，因此本人設(shè)計(jì)了新型全無(wú)油金屬膨脹式真空校準(zhǔn)裝置。

新型校準(zhǔn)裝置是依據(jù)波義耳定律，采用氣體膨脹的方法建成的膨脹式校準(zhǔn)系統(tǒng)。下圖為此裝置的氣路原理圖：

在此氣路原理圖中如果使小體積[u0]中壓力為[P0]的氣體膨脹到已被抽空的大體積[V1]中，那么在[V1]中的氣體壓力[P1]可根據(jù)波義耳定律來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

一次膨脹：

[p1（1）=p0u0/V1+u0≈p0u0/V1] （1）

n次膨脹：

[pn（n）=np0u0/V1=nP1（1）] （2）

從理論角度來(lái)看，靜態(tài)膨脹法校準(zhǔn)系統(tǒng)具有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，就是系統(tǒng)中的氣流分布是一種較理想的隨機(jī)狀態(tài)，因此氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本假設(shè)能得到滿(mǎn)足。

從實(shí)踐角度來(lái)看，靜態(tài)膨脹法校準(zhǔn)系統(tǒng)更具有很多的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造較易，操作方便，運(yùn)算迅速，參考?jí)毫θ菀拙_測(cè)量等。

通過(guò)氣路原理圖即可看出：圖中[V1]和[u0]用重量法精確測(cè)得容積，不確定度小于0.5%。[P0]由壓力規(guī)測(cè)量，不確定度小于1%。用式（1）和（2）就能對(duì)接在系統(tǒng)上的被校規(guī)進(jìn)行校準(zhǔn)。

靜態(tài)膨脹法校準(zhǔn)系統(tǒng)的不確定因素主要來(lái)源于校準(zhǔn)室[V1]的吸附解吸效應(yīng)和被校規(guī)管的抽氣影響。為了降低容器（[V1]）表面的吸附解吸效應(yīng)和被校規(guī)管抽氣影響，應(yīng)盡可能增大校準(zhǔn)室容積是有效方法。由于現(xiàn)在采用了分子泵，使V1容積做到了80升，是原來(lái)玻璃系統(tǒng)的8倍。由于現(xiàn)在的校準(zhǔn)室是不銹鋼制做的，內(nèi)壁經(jīng)過(guò)表面處理后有效地解決了吸附解吸效應(yīng)。通過(guò)實(shí)踐證明不銹鋼表面處理后解吸效應(yīng)在高真空條件下降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。此系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)烘烤后真空度達(dá)到10-8Pa。在關(guān)閉閥1靜態(tài)條件下，10分中后V1中壓強(qiáng)仍在1×10-6Pa，對(duì)10-4Pa進(jìn)行校準(zhǔn)不確定度小于1%。大的容積超低的本底和清潔的內(nèi)表面，有效的提高了可信度。此系統(tǒng)在總不確定度小于5%情況下，校準(zhǔn)范圍可達(dá)到P>10-4Pa。