/ 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

復(fù)合真空變送器，是將電阻測(cè)量單元和電離測(cè)量單元組合在一個(gè)單元內(nèi)，廣泛用于半導(dǎo)體、電子元件、真空爐、冷凍干燥、真空冶煉、真空鍍膜等各種制造設(shè)備的低、中、高真空系統(tǒng)的壓力測(cè)量和控制。

電阻測(cè)量單元通過熱絲電阻的變化反映壓力，輸出信號(hào)一般為電壓信號(hào)，主要用于粗、低真空的測(cè)量；電離測(cè)量單元原理基于待測(cè)氣體的壓力與氣體電離產(chǎn)生的電流呈正比關(guān)系，輸出信號(hào)一般也為電壓信號(hào)，主要應(yīng)用于高真空和超高真空測(cè)量[1-3]。復(fù)合真空變送器將電阻測(cè)量單元和電離測(cè)量單元集成在一個(gè)規(guī)管中，并采用集成電路實(shí)現(xiàn)了電阻測(cè)量單元和電離測(cè)量單元的自動(dòng)切換，可通過與顯示器連接來顯示真空壓力，也可通過輸出電壓信號(hào)至PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，克服了傳統(tǒng)的真空規(guī)管必須和顯示器連接才能讀取真空壓力以及用兩個(gè)規(guī)管分別測(cè)量高低真空壓力的缺陷[4]。復(fù)合真空變送器有效地降低了安裝、設(shè)置和集成的復(fù)雜性，在未來將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。因此，復(fù)合真空變送器的校準(zhǔn)也是真空計(jì)量有待解決的一個(gè)問題。本文用兩臺(tái)校準(zhǔn)裝置分別完成了對(duì)復(fù)合真空變送器的電阻測(cè)量單元和電離測(cè)量單元的校準(zhǔn)，并對(duì)測(cè)量不確定度進(jìn)行了評(píng)定。

1 校準(zhǔn)裝置

圖1為復(fù)合真空變送器電阻測(cè)量單元校準(zhǔn)裝置。其中氮?dú)庠?、機(jī)械泵、分子泵、標(biāo)準(zhǔn)電容薄膜真空計(jì)組組成輸入部分，提供所需的真空度值到電阻測(cè)量單元，具體數(shù)值由電容薄膜真空計(jì)顯示。電源和數(shù)字多用表組成輸出部分，電源為復(fù)合真空變送器電阻測(cè)量單元提供電壓，數(shù)字多用表采集變送器在一定真空度值下電阻測(cè)量單元轉(zhuǎn)換輸出的直流電壓信號(hào)。電阻測(cè)量單元的主要測(cè)量范圍為10-1～103Pa，可選擇 1 Torr（0.133 kPa）、10 Torr（1.33 kPa）、和100 Torr（13.3 kPa）的電容薄膜真空計(jì)組合作為比較標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 復(fù)合真空變送器電阻測(cè)量單元校準(zhǔn)裝置

圖2為復(fù)合真空變送器電離測(cè)量單元校準(zhǔn)裝置。該校準(zhǔn)裝置輸入部分采用動(dòng)態(tài)比較法，主要由氮?dú)庠?、穩(wěn)壓室、分子泵、機(jī)械泵、校準(zhǔn)室、下游室、電離真空計(jì)、電容薄膜真空計(jì)、磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)、磁懸浮分子泵組成，其中磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)顯示校準(zhǔn)室標(biāo)準(zhǔn)壓力，測(cè)量范圍為10-4～10-1Pa；輸出部分由電源和數(shù)字多用表組成，其中電源為復(fù)合真空變送器電離測(cè)量單元提供電壓，數(shù)字多用表采集變送器在校準(zhǔn)室標(biāo)準(zhǔn)壓力下電離測(cè)量單元轉(zhuǎn)換輸出的直流電壓信號(hào)。

圖2 復(fù)合真空變送器電離測(cè)量單元校準(zhǔn)裝置

2 校準(zhǔn)結(jié)果

典型的復(fù)合真空變送器的輸出電壓與對(duì)應(yīng)的真空度之間的關(guān)系為

式中：p—— 真空度值，kPa；

u—— 被測(cè)復(fù)合真空變送器電阻測(cè)量單元在真空度為p時(shí)的理論輸出直流電壓值，V；

c、k—— 復(fù)合真空變送器電阻測(cè)量單元物理常數(shù)

由式（1）可知，真空度值可表示為

復(fù)合真空變送器電阻測(cè)量單元對(duì)應(yīng)的真空度示值相對(duì)誤差為

式中：p'—— 復(fù)合真空變送器電阻測(cè)量單元對(duì)應(yīng)的真空度示值，kPa；

p—— 實(shí)際真空度值，kPa所以復(fù)合真空變送器電阻測(cè)量單元輸出電壓的示值誤差可表示為

以一種復(fù)合真空變送器為例，c= 5.6、k= 0.6，表1給出了不同真空度示值相對(duì)誤差δ對(duì)應(yīng)的輸出電壓示值誤差Δu。

表1 不同δ范圍對(duì)應(yīng)的Δu范圍

其中復(fù)合真空變送器電阻單元相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范[5]示值相對(duì)誤差δ要求為-50%≤δ≤50%，對(duì)應(yīng)的Δu為（-0.181 V，0.106 V）；復(fù)合真空變送器電離單元相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范[6]示值相對(duì)誤差δ要求為-60%≤δ≤100%，對(duì)應(yīng)的Δu為（-0.239 V，0.181 V）。

3 不確定度分析

3.1 復(fù)合真空變送器電阻測(cè)量單元不確定度分析

復(fù)合真空變送器電阻測(cè)量單元輸出電壓的示值誤差模型為

式中：p—— 標(biāo)準(zhǔn)真空度，kPa；

u'—— 被測(cè)復(fù)合真空變送器電阻測(cè)量單元在標(biāo)準(zhǔn)真空度為p時(shí)的實(shí)際輸出直流電壓值，V；

u—— 被測(cè)復(fù)合真空變送器電阻測(cè)量單元在標(biāo)準(zhǔn)真空度為p時(shí)的理論輸出直流電壓值，V；

c、k—— 復(fù)合真空變送器電阻測(cè)量單元物理常數(shù)

由式（5）可知，復(fù)合真空變送器電阻測(cè)量單元測(cè)得結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要由標(biāo)準(zhǔn)真空度p的標(biāo)準(zhǔn)不確定度和實(shí)際輸出直流電壓值u'的標(biāo)準(zhǔn)不確定度組成，標(biāo)準(zhǔn)真空度p由標(biāo)準(zhǔn)薄膜真空計(jì)組獲得，實(shí)際輸出直流電壓值u'由數(shù)字多用表獲得。在實(shí)際測(cè)量過程中，一般連續(xù)多次測(cè)量，取平均值作為測(cè)量結(jié)果，所以復(fù)合真空變送器電阻測(cè)量單元測(cè)得結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，主要由標(biāo)準(zhǔn)薄膜真空計(jì)組引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度和數(shù)字多用表引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度以及測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度組成。

3.1.1 測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(u1' )

在相同的測(cè)量情況下，對(duì)某種復(fù)合真空變送器在1.00 Pa重復(fù)做10次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為5.60 V、5.59 V、5.59 V、5.58 V、5.58 V、5.60 V、5.58 V、5.60 V、5.58 V、5.58 V，該過程屬于A類不確定度評(píng)定，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

3.1.2 標(biāo)準(zhǔn)薄膜真空計(jì)組引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(p)

標(biāo)準(zhǔn)薄膜真空計(jì)組在1.00 Pa時(shí)的相對(duì)擴(kuò)展不確定度Urel= 2%（k= 2），所以此項(xiàng)引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為urel(p) = 1%。

則輸入量p的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

3.1.3 數(shù)字多用表的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(u2' )

數(shù)字多用表在10 V檔的最大允許誤差為±0.000 9 V，屬于均勻分布，則

3.1.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

根據(jù)式（5）可知

表2為標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總表。

表2 復(fù)合真空變送器電阻測(cè)量單元標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總表

各分量之間彼此獨(dú)立，所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

取包含因子k= 2，擴(kuò)展不確定度為

U= 0.02 V(k= 2)

3.2 復(fù)合真空變送器電離測(cè)量單元不確定度分析

3.2.1 測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(u1' )

在相同的測(cè)量情況下，對(duì)復(fù)合真空變送器在8.40×10-4Pa重復(fù)做10次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為3.76 V、3.75 V、3.75 V、3.75 V、3.74 V、3.76 V、3.75 V、3.76 V、3.76 V、3.74 V。該過程屬于A類不確定度評(píng)定，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

3.2.2 磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(p)

復(fù)合真空變送器電離測(cè)量單元與電阻測(cè)量單元的數(shù)學(xué)模型是一樣的，唯一不同的是電阻測(cè)量單元的標(biāo)準(zhǔn)真空度值由標(biāo)準(zhǔn)薄膜真空計(jì)組獲得，而電離測(cè)量單元的標(biāo)準(zhǔn)真空度值由磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)獲得，所以標(biāo)準(zhǔn)真空度p的標(biāo)準(zhǔn)不確定度來源于磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)。磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)示值相對(duì)誤差為±1%，屬于均勻分布，則磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(p)為

則輸入量p的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

3.2.3 數(shù)字多用表的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(u2' )

表3為標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總表。

表3 復(fù)合真空變送器電離測(cè)量單元標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總表

各分量之間彼此獨(dú)立，所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

取包含因子k= 2，擴(kuò)展不確定度為

4 結(jié)語

本文根據(jù)復(fù)合真空變送器的測(cè)量原理和測(cè)量范圍，建立了兩種測(cè)量裝置分別對(duì)復(fù)合真空變送器的電阻測(cè)量單元和電離測(cè)量單元進(jìn)行校準(zhǔn)，測(cè)量范圍為10-4～105Pa，并通過復(fù)合真空變送器的輸出電壓與對(duì)應(yīng)的真空度之間的關(guān)系，分別分析了電阻測(cè)量單元和電離測(cè)量單元的不確定度。以某種復(fù)合真空變送器為例，電阻測(cè)量單元和電離測(cè)量單元測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度均為0.02 V（k= 2）。結(jié)果表明，這兩套裝置可以很好地完成對(duì)復(fù)合真空變送器的校準(zhǔn)。

[1]朱武，干蜀毅. 真空測(cè)量與控制[M]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[2]王遜. 常用真空計(jì)的測(cè)量范圍及其性能[J]. 真空，2004，41（4）：47-48.

[3]李得天，陳旭，于紅燕，等. 中國真空計(jì)量發(fā)展概述[J]. 真空與低溫，2004，10（1）：6-16.

[4]張書令，許紅. Pirani真空變送器的校準(zhǔn)[J]. 上海計(jì)量測(cè)試，2011（6）：22-24.

[5]全國壓力計(jì)量技術(shù)委員會(huì) . JJF 1050-1996[S]. 北京：中國計(jì)量出版社，1996.

[6]全國壓力計(jì)量技術(shù)委員會(huì) . JJF 1062-1999[S]. 北京：中國計(jì)量出版社，1999.