電離真空計現(xiàn)場校準的測量不確定度評定

歐雷

(中航工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，四川成都610091)

0 引言

真空技術作為實用基礎技術近幾年在工藝制造的應用越來越廣泛，該技術有利于除氣、熱處理、焊接、鍍膜、電子束等生產(chǎn)工藝中技術難點的解決，特別是特種試驗及特種工藝過程中大量應用了真空技術，真空量值是否準確，直接關系到產(chǎn)品的質(zhì)量。在真空測量中，電離規(guī)是最主要的一種規(guī)型，在低壓力氣體中，氣體分子被電離所生成的正離子數(shù)通常是與氣體分子密度成正比的，利用此關系可以制作成各種類型的電離真空規(guī)，不同類型的電離真空規(guī)配合使用所測量的壓力范圍，幾乎可以覆蓋從大氣壓起直到目前所能測量的最低壓力［1］。

電離真空計生產(chǎn)現(xiàn)場的安裝、環(huán)境條件與實驗室存在一定差異，實驗室校準不能完全復現(xiàn)被測儀表現(xiàn)場使用狀態(tài)，存在一定的修正誤差，隨著制造工藝水平的發(fā)展，PLC控制等程控技術更多地用于生產(chǎn)現(xiàn)場，其真空規(guī)管配套的工控機不能拆卸，通過現(xiàn)場校準能解決這些校準難題［2］。合理地對現(xiàn)場校準測得值進行不確定度評定，有利于評估校準效果，為科研生產(chǎn)提供計量保障。

1 測量概述

1.1 測量依據(jù)

JJF1062-1999《電離真空計校準規(guī)范》。

1.2 測量方法

電離真空計校準在現(xiàn)場使用絕對真空規(guī)比對校準裝置，采用動態(tài)相對法原理，在球形校準室中建立起動態(tài)平衡壓力，用標準電離真空計和被校電離真空計同時測量校準室中的同一壓力值，進行直接比對。

1.3 測量模型

被校電離真空計示值的計算公式為

但考慮到現(xiàn)場校準環(huán)境復雜，校準過程中氣體分子分布不均勻、動態(tài)比對不穩(wěn)定性等因素對測量結(jié)果的影響，以黑箱模型的方式寫入測量模型后［3］，式(1)成為

式中:pR為被校電離真空計測得的量值;pS為標準電離真空計參考量值;ΔP為被校電離真空計示值的影響量;pJ為氣體分子分布不均勻的影響量;pB為動態(tài)比對不穩(wěn)定性的影響量;pD為本底壓力的影響量;pT為環(huán)境溫度的影響量;pL為被校電離真空計零點漂移的影響量。

1.4 已知條件

1)計量標準器:選用GP370型標準電離真空計，測量范圍(5×10-4～1×10-1)Pa，擴展不確定度為1.1%～3%。

2)被校對象:選用ZDF型熱陰極電離真空計，測量范圍(5×10-4～1×10-1)Pa。

3)校準裝置:測量范圍(3×10-4～2×102)Pa的CAC-ZK-01大型真空工藝設備現(xiàn)場系統(tǒng)測試與校準裝置，擴展不確定度為3%～10%。

4)測量條件:現(xiàn)場;環(huán)境溫度為20.0℃，相對濕度為60%RH。

2 不確定度分量

2.1 標準電離真空計參考量值引入的不確定度分量u(pS)

2.2 氣體分子分布不均勻引入的不確定度分量u(pJ)

校準裝置的真空校準室采用球形容器，完全克服了氣體分子的束流效應，在容器內(nèi)建立各向同性的均勻分子流場，但也存在一定的分布不均勻。采用不確定度的B類評定，根據(jù)資料，對于高真空狀態(tài)下球形容器氣體分子在球的赤道附近密度不均勻性一般小于0.3%，即9×10-5Pa，估計均勻分布，取包含因子k

2.3 動態(tài)比對不穩(wěn)定性引入的不確定度分量u(pB)

在校準過程中，動態(tài)比對時注入校準氣體后會造成校準室內(nèi)壓力波動，影響壓力示值的測量。采用不確定度的B類評定，根據(jù)上級檢定部門對出具的校準裝置檢定證書數(shù)據(jù)，校準室1分鐘壓力穩(wěn)定度為0.2%，即6×10-5Pa，估計均勻分布，取包含因子

2.4 本底壓力引入的不確定度分量u(pD)

2.5 環(huán)境溫度影響引入的不確定度分量u(pT)

2.6 被校電離真空計零點漂移引入的不確定度分量u6(pL)

2.7 被校電離真空計示值引入的不確定度分量u(ΔP)

2.7.1 不確定度分量來源

不確定度分量來源包括測量結(jié)果的重復性以及有限分辨力，被測儀器的有限分辨力會對測量結(jié)果的重復性測量有影響。在測量不確定度評定中，當重復性引入的標準不確定度分量大于被測儀器的有限分辨力所引入的不確定度分量時，可以不考慮有限分辨力所引入的不確定度分量［4］。

2.7.2 被校電離真空計有限分辨力引入的不確定度分量u7(ΔP)1

2.7.3 測量結(jié)果重復性引入的不確定度分量u(ΔP)2

按照校準規(guī)范的要求，在重復條件下連續(xù)對被校真空計作3次測量，以3次示值的算術平均值作為測量結(jié)果，測得重復性數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)不確定度A類評定，選取重復性差值最大的3×10-2Pa校準點，由極差法計算實驗標準偏差，按公式(3)計算不確定度［5］

式中:xmax為在同一校準點上測得的最大值;xmin為在同一校準點上測得的最小值;dn為為極差法的系數(shù);n為重復測量的次數(shù)。

其中，d3=1.69。

計算得:u(ΔP)2=6.8×10-4Pa。

表1 重復性數(shù)據(jù) Pa

2.7.4 選取不確定度分量u(ΔP)

由于重復性引入的不確定度分量包含有限分辨力的影響，為避免重復計算，只引入最大影響量u(ΔP)2，舍棄較小的影響量u(ΔP)1，則-4

3 合成標準不確定度uc

3.1 不確定度分量匯總表

主要不確定度分量匯總表見表2。

表2 主要不確定度分量匯總表

3.2 合成標準不確定度計算

以上引入各項不確定度分量的因素獨立互不相關的，按公式(4)計算合成標準不確定度［6］

式中:uc(pR)為合成標準不確定度;u(pS)為標準電離真空計參考量值引入的不確定度;u(pJ)為氣體分子分布不均勻性引入的不確定度;u(pB)為動態(tài)比對不穩(wěn)定性引入的不確定度;u(pD)為本底壓力引入的不確定度;u(pT)為環(huán)境溫度影響引入的不確定度;u(pL)為被校電離真空計零點漂移引入的不確定度;u(ΔP)為被校電離真空計示值引入的不確定度。

計算得

4 擴展不確定度計算

取包含因子k=2，則擴展不確定度為

計算相對擴展不確定度，得

5 結(jié)論

本文對電離真空計現(xiàn)場校準的影響量進行分析，建立包括黑箱模型的測量模型，按照規(guī)程要求作三次測量，采用極差法計算實驗標準差，對測得值進行不確定度評定，該評定方法可為專業(yè)計量人員提供參考，但還需進一步完善。

［1］達道安.真空設計手冊(第3版)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.

［2］歐雷.前端泄壓在現(xiàn)場壓力校準中的應用［J］.計測技術，2013，33(S1):67-68.

［3］倪育才.實用測量不確定度評定(第4版)［M］.北京:中國質(zhì)檢出版社，2014.

［4］中國計量測試學會.一級注冊計量師基礎知識及專業(yè)實務(第3版)［M］.北京:中國質(zhì)檢出版社，2013.

［5］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJF1059-2012測量不確定度評定與表示［S］.北京:中國質(zhì)檢出版社，2012.

［6］中國計量測試學會壓力計量專業(yè)委員會組.壓力測量不確定度評定評定實例［M］.北京:中國質(zhì)檢出版社，2012.