宋棟梁
(江蘇省計量科學(xué)研究院,南京 210007)
正壓標準漏孔是一種對氣體泄漏量進行量值傳遞的標準器具,它將被測氣體置于金屬體內(nèi),通過預(yù)定數(shù)目的可滲透薄膜及內(nèi)外壓差向外擴散,由于通孔的形狀標準,內(nèi)外壓差可測,因此可用真空科學(xué)的經(jīng)典理論計算直接得出其漏率值,可實現(xiàn)超微小漏率的檢測;同時可利用現(xiàn)有的色譜技術(shù)對標準漏孔的漏率進行標定。
漏孔根據(jù)填充物和功用的不同分為很多種,文中描述的以氟利昂為填充物的標準漏孔。氟利昂等消耗臭氧物質(zhì)是臭氧層破壞的元兇,氟利昂是本世紀20年代合成的,其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不具有可燃性和毒性,被當(dāng)作制冷劑、發(fā)泡劑和清洗劑,廣泛用于家用電器、泡沫塑料、日用化學(xué)品、汽車、消防器材等領(lǐng)域。氟利昂物質(zhì)有 R134A、R600A、R22、R404c、R407A、R410c等型氟利昂,以冷媒檢漏儀為量傳對象。
正壓式的標準漏孔常用全金屬通導(dǎo)型,其特點反應(yīng)快,無累積,漏率穩(wěn)定,不易堵塞。冷媒泄漏率設(shè)計濃度范圍在1~15 g/a(即克/年),實際使用時可根據(jù)需要在使用范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。在量傳過程中,把被檢儀器的傳感器(即探頭)對準標準漏孔,來探測氟利昂的標準泄漏量與檢漏儀的響應(yīng)值是否一致。利用小孔流導(dǎo)的基本特性,其流量可以任意調(diào)節(jié),校準時流量計提供的流量大小僅與穩(wěn)壓室的壓力有關(guān),并且可以將流量計的流量調(diào)節(jié)到與被校漏孔漏率大小相等,再用四極質(zhì)譜計將二者進行比較,計算出漏孔的漏率,解決了四極質(zhì)譜計的線性以及長期穩(wěn)定性差影響校準結(jié)果的問題[1]。由于穩(wěn)壓室中的氣體壓力高,不需要特別嚴格的材料處理工藝,不需要徹底烘烤出氣就能得到純凈的單一氣體,滿足校準工作的要求;測量范圍達到了10-4~10-7Pa·mVs,評定的合成標準不確定度小于4%。通過對漏率不確定度分量的分析評估、精確校準電容薄膜、控制溫度變化等方法可以進一步降低校準不確定度[2]。
表1 漏率換算關(guān)系Table1 The conversion relations of leakage rate
表2 3種氣體在不同壓力下的泄漏率Table2 Three kinds of gas leakage rate under different pressure
以1 g/a冷媒R22,R134A,R410A在給定檢測壓力下的真空箱氦檢漏系統(tǒng)報警漏率計算。
根據(jù)阿弗加德羅定律:
通過表1,就可以輕松將冷媒年泄漏量G和漏孔漏率Q任意轉(zhuǎn)換,值得注意的是由于填充物質(zhì)不同,物質(zhì)的摩爾質(zhì)量M是不一樣的,所以在進行漏率換算時要明確泄漏的冷媒物質(zhì)。
運用稱重比較儀,在對含有不同物質(zhì)的標準漏孔進行泄漏率的測定,正壓漏孔在 0.1~1.0 MPa下的泄漏線性數(shù)據(jù)見表2。
通過表2可知,標準漏孔內(nèi)填充了不同的氟利昂物質(zhì),它們的泄漏率隨著漏孔內(nèi)部壓力的升高而大幅升高,并非呈直線上升,而近似于拋物線上升的趨勢。
在通常的溫濕度和大氣壓環(huán)境條件下,標準漏孔保持一個恒定的漏率,可以用稱重比較儀(最大載荷:1000 g;檢定分度值:0.1 mg)來檢定其泄漏量的準確值,并與其標稱值進行比較。以2 g/a的標準漏孔為例,試驗時間為15 d,泄漏量為83.3 mg。檢測和保存過程中,環(huán)境溫濕度的波動不能太大,否則對漏率準確度影響就必須要考慮了漏率越大,泄漏量也越大,用上述天平來檢測就能夠得到較準確的結(jié)果。在不考慮其它因素影響時,合成不確定度可保證在10%以內(nèi),滿足各種半定量或定性的氟利昂檢漏儀的檢測要求。
把標準漏孔放在稱重比較儀上,連續(xù)試驗15 d,檢測標準漏孔的累積泄漏量,并與標準漏孔的標準值進行比較。
4.1.1 數(shù)學(xué)模型
式中,Q為標準漏孔漏率,g/a;T為泄漏時間,a;Δm為在泄漏時間內(nèi)的累積泄漏量,g,以下用m表示。
4.1.2 方差與合成不確定度表示
合成不確定度表示:
4.1.3 計算分量標準不確定度
以標準值為2 g/a的標準漏孔為例進行評估。
4.2.1 測量過程中外界環(huán)境引入的不確定度u(m1)估算
1.溫濕度變化對漏孔漏率的影響
在15 d內(nèi),該類影響對漏孔泄漏量引起的偏差在0~2.0 mg,按均勻分布不確定度分量為:
2.空氣流動及大氣壓變化對漏孔漏率的影響
在15 d內(nèi),該類影響對漏孔泄漏量引起的偏差在0~2.0 mg,按均勻分布,k =,不確定度分量為:
3.灰塵及取放過程對漏孔質(zhì)量的影響
在15 d內(nèi),該類影響對漏孔泄漏量引起的偏差在0~4.0 mg,按均勻分布,不確定度分量為:
4.由此,對環(huán)境影響引入的不確定度進行合成:
4.2.2 由示值重復(fù)性估算的不確定度u(m2)
用稱重比較儀對標準漏孔的泄漏量進行重復(fù)測量,重復(fù)6次,每次測量過程為15 d,結(jié)果見表3。
表3 重復(fù)性試驗數(shù)據(jù)Table3 The data of repeatability tests
4.2.3 稱重比較儀的不確定度u(m3)
檢定證書給出稱重比較儀的最大允許誤差為0.02 mg,按均勻分布,因前后兩次測量,故乘以
在15 d內(nèi),時間誤差應(yīng)在0~10 min,按平均分布,k,時間不確定度分量為:
以標準值為2 g/a的標準漏孔為例,不確定度分量一覽表見表4。
表4 過程不確定度分量Table4 Uncertainty components in process
以上各量互不相關(guān),故合成標準不確定度為:
假設(shè)置信概率p約為95%時,包含因子k取2,擴展不確定度為:
從以上評估結(jié)果可以看出,合成不確定度小于4%,小于一般檢定要求的10%,能夠滿足檢測使用的要求。
用色譜法比對,用一臺Agilent 7890的PDHID檢測器作驗證,分別通入濃度為1.01μmol/mol的氣體標準物質(zhì)和相當(dāng)于1μmol/mol的標準漏孔泄漏氣體,色譜進樣流量為20 mL/min,1 g/a的泄漏量相當(dāng)于標準氣體的濃度為1.035 μmol/mol,與1.01μmol/mol的標準氣體相比,實驗得到表5數(shù)據(jù)。
表5 漏孔泄漏率量值驗證Table5 The value validation of leakage rate
通過與標準氣體的比對,標準漏孔泄漏率的示值誤差優(yōu)于±4%之內(nèi),所以它的量值傳遞的準確度得到驗證。
通過以上的定量分析與驗證可知,此類正壓標準漏孔的校準結(jié)果不確定度不大于4%,完全適用于在制冷行業(yè)大量應(yīng)用的各類鹵素檢漏儀的量值傳遞。而且標準漏孔本身具有快速測量、操作簡單、易于掌握,而且隨著現(xiàn)代工業(yè)制造技術(shù)的發(fā)展,其校準不確定度還可以進一步減小等優(yōu)勢,可以把氣體泄漏率這一量值做很好的溯源與傳遞。
[1]楊新民.標準漏孔校準裝置的研究與應(yīng)用[D],西安:西安電子科技大學(xué),2007.
[2]劉秀林.標準漏孔及其校準[J].航空計測技術(shù),2001(5):43-45.