真空泵 船舶舱间 水密门 压力容器 管道 测试气体流量计

真空泵 船舶舱间 水密门 压力容器 管道 测试气体流量计

质量流量控制器传感器采用微机械加工技术，实现微小流量测量，其特点是可靠性高、重复性好，压损小，无可动部件，量程比宽，响应时间较快，测量精度高，无需要温度压力补偿，广泛应用于轻工化工环保及半导体等工业部门的空气、氧气、氩气、氮气等气体的检测和控制。               

工作原理：

感热式芯片技术是采用大规模集成电阻的工作，在芯片上，一个微热源及分别处于微热源上下游的温度传感器集成在采用MEMS的特有工艺制作的镂空桥面上，采用这这样的桥式方式制作有利于热传导，使动态响应时间大大提高，当传感器工作时，微热源与环境温度之间保持一定的温差（通常是70℃），在芯片周围形成固定的温度场分布，如果气体是单向流动，则在气道中温度场可用下述公式来计算:

式中：气体流动方向为ｘ，速度为ｖ，ａ为扩散率。如上图（式）所示，当气体流过芯片时，将会带走热量，通过质量流量qm和电压V的对应关系来计算流体的质量流量。

产品特点：

·产品集成度高，集瞬间流量显示、累计流量显示和信号输出一体，并可实现自动调节、控制阀门

·微流量感热式传感器采用大规模集成电路生产技术和材料加工技术，使流量计的微流量测量灵敏度显著提升

·微小流量气体测量，ml/min级的微流量测控，实现微小流量测量的数字化

·单个芯片的流量特性的微处理技术，使流量计的量程范围大大提高

·机电一体化优化设计，智能化的数据处理技术，使流量计具有更好的重复性，实现了计量的准确、可靠

·结构的优化，流量计的压力损失达到蕞小化

·采用国际蕞新的传感技术，使流量计工作更稳定、可靠

·零点自校功能，测量更准确

·多种气体实际标定，全量程补偿

·快速响应、数据自动存储，配合上位机可实现网络集中管理

·规格齐全，量程范围宽，可根据用户要求单独标定

·精度等级高，满足用户高精度测量要求

·独有的流量计报警功能，使监控更可靠

·操作、设置界面友好、简便，可根据需要自行设定相关参数

·运用行业多，是科研院所、分析仪表行业、半导体行业、光伏行业、玻璃镀膜、石油化工行业微小气体流量控制产品升级换代的优选

技术参数：

·测量介质：各种气体（乙炔气和混合气体除外）

·测量管径：DN3，6，8，10，12

·流量范围：30，60，80，100，300，600，800，1000sccm；10，20，30，50，80，100，200，300，500SLPM             

·流量测量准确度：±1.5%FS；±2.5%FS

·工作温度范围：-25℃-55℃

·工作压力范围：0.3MPa，0.6MPa，1.0MPa

·供电电源：24VDC±10%；

·输出信号：4-20mA，RS485通讯；

·环境温度：-25℃-55℃

·显示位数：瞬时流量为三位，累积流量10位。

外观尺寸：

测试气体流量计1：

测试气体流量计2：

真空泵微小抽速测试方法研究进展与分析：

真空泵微小抽速测试方法研究进展与分析，近些年,随着机电技术的迅猛发展,真空泵出现了两个研究方向,一是为满足高端产品和特殊化场合应用的需求,研发清洁、无油、耐腐蚀的真空泵;二是研发便携化及易操作化的高真空泵,主要服务于质谱计、原子钟、呼吸分析仪等微型化装置。从真空泵的抽速测量技术角度分析,前一类泵的特点为大抽速,有大量的实验测试,测试规范也比较齐全。而后一类泵的特点为微小抽速,目前还没有专门的微小抽速测试规范。虽然有相关研究人员进行了一些真空泵微小抽速实验测试,但这些微小抽速的测试工作大都是在特定实验条件下完成的,并没有深入分析测试方法与测试压力之间的内在对应关系。这导致在某一压力区间下选择相对合理的测试方法没有依据可寻,给相关的产品性能测试带来一定的影响。以应用微型真空泵的精细化产品为例,如铯原子钟、中性粒子质谱仪上的真空泵,倘若无法准确地测定真空泵的微小抽速,装置的使用寿命将极大地下降。而有些真空泵的抽速需要粗略测量,可选择测量装置简单的测试方法,以减少搭建装置的费用。基于上述问题,本文在总结微小抽速的测试特点的同时,主要地分析测试方法与压力之间的对应关系,为选用测试方法提供指导。
1 测试方法
真空泵微小抽速是指在中、高真空压力下小于1×10-3 m3/s的抽速。真空泵的微小抽速测试对象,除了常见的真空泵外,还包含电离真空计,因为电离真空计的吸气速度也是非常小的,达到了真空泵微小抽速的量级,因此,电离真空计的抽速测试方法也在本文的讨论范围之内。从目前的微小抽速测试方法来看,主要有流量计法、定容法和动态流导法,下面将对这几种测试方法的原理及特点展开介绍。
1.1 流量计法
Sawada等[14]使用HLMFM06流量计法测试了真空泵的微小抽速。测试罩内的压力p由真空计测试,测试罩的流量Q由流量计测试。那么,测试抽速S可表示为
S=Qp−p0 (1)
式中,p0为测试罩内的本底压力。测试装置图如图1所示,在1×10-1～1×105Pa的压力下,测试的抽速在8 L/s左右。其中,整个区间的流量由华陆流量计③测量,测试罩内的压力由真空计④测量。因为整个区间的流量范围较宽,故采用三种类型的流量计分段测量。Jitschin等[15]也使用流量计法测试了真空泵的微小抽速。在连续流的状态下测试装置图如图2所示。在1×103～1×105Pa的压力下,测试的抽速在0.6～0.9 L/s。在测试过程中连续流的气体进入测试罩发生等熵膨胀,这引起测试罩内气体温度发生变化。因此,提出间断的进气可有效解决上述问题。事实上,高压力下器壁和气体分子之间的热平衡很慢达到,但是低压力下却是很快的。此外,流量计法只适合在高压力下测试真空泵的微小抽速。在低压力下,气体处于分子流状态,流量不可能被直接测量。                                  

李得天等[21]使用改进的华陆流量计法,测取了华陆电离真空计的微小抽速。此方法选用氮气和氩气作为测试气体,并考虑了电离真空计的放气率,测试的抽速在1.9×10-5～2.1×10-4m3/s之间。当一个系统达到压力平衡状态后,式(2)成立
p=QS (2)
式中,Q为系统的总进气流量;S为系统的有效抽速;p为平衡压力。当抽速和出气率改变时,将引起平衡压力的改变,它们之间的关系用式(3)描述
dp=−(QS2)dS+(1S)dQ (3)
式(3)的含义为当一个具有出气率dQ和抽速dS的电离真空计打开或关闭时,可观察到平衡压力的改变量dp。如果假设电离真空计的出气率dQ和抽速dS为常数,通过气体微流量计向真空室引入流量Q1,根据抽速的基本关系式(2)可列出如下关系式
dp1=−(Q1S2)dS+(1S)dQ (4)
同理,当通过华陆气体微流量计向真空室引入流量Q2的气体时,可得
dp2=−(Q2S2)dS+(1S)dQ (5)
将式(4)和式(5)联立,即可求出抽速。此方法通过改变流量测得电离真空计的抽速和放气率。在一个大数量的基础上测量叠加一个小量,测量结果不确定度很大,只能达到半定量性的测量结果,不能实现微小抽速的精确测量。这种方法的局限性还在于只能测量真空计的抽速,微型真空泵是无法读取压力值dp,而且电离真空计本身的抽速与被测微小抽速具有相同的数量级,放气率也大,所以该方法不能用于真空泵微小抽速测量。
1.2 定容法
冯葵[17]应用定容法测试了微型离子泵的抽速,装置简化示意图如图3所示。测试的抽速为5 L/s,不确定度为10%左右。测试原理如下,即在一个时间间隔内依次记录测试罩内的压力值,用两次记录的平均值作为测试罩内的等效压力,那么此间隔内测试罩内流量的变化量与等效压力的比值即为此段时间内的等效抽速。依此计算,则真空泵在全区间的等效抽速计算式为
S=VNt×ln(p0pN) (6)
式中,p0为初始压力,pN为记录第N次的压力。为了保证测试的准确性,时间间隔t应大于10 s,减少计时误差,也能保证相邻压强值有明显变化。然而,本测试未考虑测试罩的放气率对测试结果产生的干扰,故引入一定的误差。该方法测试过程中因不需要提供微小流量,故对测试的真空泵抽速值的大小没有根本性的区别。只要保证测试罩的极限压力达到测试的要求、测试的时间间隔合理等,就可以测取真空泵的抽速。但这个方法也有一定的局限性,即在测试罩中的压力随时间变化必须是明显的,方可准确测试抽速。而在高真空条件下测试罩中的压力随时间变化是不明显的,这将严重影响测试精度,限制了此方法只能在压力高于1×10-4Pa的测试条件下使用。      
Wu等[22]应用定容法测试了HLMFM06电离真空计的抽速,选用14 m长的超高真空系统测试了三个相同规格的电离真空计抽速,测得真空计的抽速平均值大约在6.9×10-4m3/s。抽速的基本关系式可表示为
Q=Sp+Vdpdt (7)
式中,Q为测试罩放气率;S为抽速;p为压力;V为测试罩的体积。通过求解方程(7)可得
p(t)=QS(1−e−(SV)t)+p(0) (8)
式中,p(0)为初始压力;p(t)为时间t时的压力。由上式可知,经历时间t后,只有Q和S是未知量,而S是待求量。当所有的泵关闭时,Sp在理论上远小于Vdpdt,方程(7)可简化为
Q=Vdpdt (9)
将式(9)带入式(8)便可算出抽速。此测试把测试罩的放气率视为定值,实际上,测试罩的放气率是随测试罩内的压力变化而变化的,使得测试结果引入了一定的原始误差。
1.3 动态流导法
动态流导法根据测试罩的结构可分为如下两种抽速测试示意图,如图4和图5所示。Tian[18]应用图4的测试罩测试了微型溅射离子泵的抽速,其中测试罩分成上下两个游室,中间留一个小孔。在2×10-5～2×10-3 Pa的压力下,选用干燥的空气作为测试气体,测试的抽速在0.5 m3/s左右。该测试方法在已知中间小孔流导的情况下,只需测定上下游室的压力便可测取抽速,表达式为
S=C(papb−1) (10)
式中,pa为上游室的压力,pb为下游室的压力,C为小孔流导。由上式可知,微型真空泵的抽速的测试公式中只包含压力的测量与流导的测量。在整个测量中只要求保证流量计提供的流量恒定不变,不需要知道流量的大小。但该方法不适合测试大抽速,因为在大抽速的情况下,在测试罩的下室会出现束流效应,导致真空泵抽速出现不稳定的状态。2014年,Sorensen等[20]也应用此测试方法测试了火星探测器上的真空泵抽速。在1×10-7～2×10-4Pa的压力下,选用CO2作为测试气体,测试的抽速为1×10-3～7×10-3m3/s,不确定度为20%～25%。由此可知,该方法适用于较宽的压力测试范围。                              
梅国强等[19]应用图5的测试罩测试了溅射离子泵的微小抽速。在1×10-5～1×10-2Pa的压力下,选用氮气作为测试气体,测取了5×10-4～2×10-3m3/s的微小抽速,不确定度大约为20%。此外,该测试就测试罩放气产生的误差和极限压强进行了分析。在压强较低的情况下,放气对抽速影响较大。在极限压力5倍以上,测试室的放气就可以不考虑了。如果极限压力被要求很低,测试罩的放气率对极限压强将有很大影响。因此,在满足测试的条件下,测试罩的体积越小越好,采用彻底烘烤处理的测试罩,能有效减小测试罩放气带来的误差。              
2 讨论与分析
2.1 测试方法的难点分析
事实上,真空泵微小抽速与真空泵大抽速的几种测试方法在测试原理上是没有区别的,所不同的是微小抽速对实验系统增加了一些限制因素,具体可概括为如下三个难点。测试的难点一是大多数测试方法需提供微小流量,有些真空泵抽速测试方法因不能提供微小流量,故不再适用。测试的难点二是电离真空计本身具有的抽气作用变得不可忽略了,原因在于某些电离真空计的吸气速率和待测微型真空泵的抽速是相近的或两者数值处于同一数量级,若忽略电离真空计的吸气速率,可能会影响测试结果。测试的难点三是对实验测试装置的整体性能提出了更高的要求,具体表现为测试罩的极限压力更低、测试罩的放气率更小,以在1×10-5～1×10-4 Pa下,测试1×10-5～1×10-3 m3/s的抽速为例,测试罩内的极限压力应小于1×10-6 Pa,放气率应小于1×10-11 Pa·m3/s。
2.2 测试方法的对比分析
2.2.1 测试范围及装置
流量计法因不能提供微小流量,故不适合测试低压力下的真空泵微小抽速。因为在低压力下,气体处于分子流状态,流量不可能被直接测量。从目前的微小抽速测试结果可知,华陆流量计法测试的压力一般大于0.1 Pa,抽速大于1×10-4 m3/s。在低压力下测试微小抽速有定容法和动态流导法可供选择,动态流导法的适用范围更宽一些。倘若在低于1×10-4 Pa的情况下采用定容法测试微小抽速,压力变化不明显将引入较大的误差。因此,定容法可在高于1×10-4 Pa的压力条件下测试微小抽速,抽速*小可达1×10-7 m3/s[26]。动态流导法适合测试微小抽速,大抽速反而不适合。因为当抽速较大时,测试罩的下室会出现束流效应,导致测试的抽速出现不稳定的状态。动态流导法测试的压力一般小于0.1 Pa,抽速*小可达1×10-6 m3/s。
动态流导法的装置大多数情况下在测试罩内安装一个流导小孔,和HLMFM06流量计法的装置相比稍复杂一点。定容法的装置因不需要微流量进气系统,故整体装置结构*为简单。动态流导法和流量计法是在压力稳定的条件下测定抽速的,而定容法是在非稳态的压力条件下测定抽速的,需要在固定的时间间隔记录测试罩内的压力值,故定容法的操作步骤更为复杂。
上述各式中符号意义同前面一致。因三种测试方法的不确定度评定是在同一评定原则下,但不是在同一测试条件下,故无法做定量的对比。然而,不确定度变量多少也是评定抽速测试方法的一项重要指标,不确定度变量的数目越少意味着测试方法的稳定性是越好的。经对比可知,流量计法的不确定度计算公式是*简单的,影响变量*少;定容法的不确定度计算公式是*复杂,影响变量*多。
3 总结与展望
到目前为止,由于真空泵的微小抽速测试影响因素多、不确定度大等诸多原因,还没有形成系统的测试规范。从测试系统的复杂程度考虑,优先选用定容法;从不确定度影响因素尽可能少的方面考虑,优先选用流量计法。在测试罩内压力处于1×10-4～1×10-1 Pa时,可选用定容法或动态流导法测定真空泵微小抽速。从测试装置测试系统的复杂程度考虑,优先选用定容法;从操作流程简单方面考虑,优先选用动态流导法。在测试罩内压力处于1×10-4 Pa以下,优先选用动态流导法,且有两种测试罩可供选择。一种是测试罩内不带小孔,主要用于超低压力下抽速的测试。在超低压力下测试罩放气率对测试结果将变得不可忽略,此测试罩内没有小孔,可以将测试罩体积做的很小,有效的降低放气率的影响。另外一种是测试罩内带小孔,不适合超低压力下抽速的测试,但小孔两侧的压力由真空计直接测量,故测试的压力值更加准确。此外,针对真空泵微小抽速的应用需求,本文认为未来可在两个方面开展深入研究,一是拓展真空泵微小抽速测试气体的种类,除了测试氮气等常见气体之外,还应包括稀有气体及混合气体;二是开展真空泵极小抽速(<10-5 m3/s)的精确测试,以此来更好的服务于半导体、微电子、航空航天、表面物理等科学领域。