气体微流量测量技术的国外发展概况

2010-03-26 张涤新 兰州物理研究所

  世界上一些中国对气休微用户数据计的的设计这方面现已拿到了很高的进步,依次工业化生产了一代气休微用户数据计,比如,有美国的中国基准技術的设计院(NIST), 传统电磁学技術的设计院(PTB), 日本这个欧洲国家(NMIJ),奥地利中国计量检定的设计所(IMGC)和意大利基准完美的设计院(KRISS)等蒸空标定實驗室。

1、美国国家标准技术研究院(NIST)

  美国国家标准技术研究院(NIST)先后研制了两代恒压式气体微流量计。1978 年McCulloh等人研制了第一代滑动密封活塞式流量计,如图1 所示。变容室是一个内装活塞的金属圆筒,两者之间采用了双L 型截面聚四氟乙烯密封环垫,环垫外再套“O”圈以给其压紧力,并用波纹管把活塞密封在圆筒中,使其不与大气接触,这种结构解决了漏放气问题,如图2 所示。差压规接在变容室和参考室之间,充气时旁通阀门打开,使两室压力相等。当测量流量时关掉旁通阀,变容室气体流入校准室,其压力下降,差压规产生非零输出,推进活塞以减小变容室体积,以补偿变容室中压力下降,使差压规保持近于零的输出维持变容室中压力不变。两根活塞的直径分别为2.54 cm 和1 cm,相互可以独立使用, 以扩展流量的测量范围。其测量量程为2×10- 3~2×10- 8 Pa·m3/s ,不确定度小于2.16%。

NIST第一代活塞式气体流量计原理图NIST 活塞流量计的变容室原理图

图1 NIST第一次代汽缸式混合气体手机蒸汽用户量计原则图图 图2 NIST 汽缸手机蒸汽用户量计的变容室原则图图

  1987 年美国NIST 的McCulloh 等人研制了第二代液压驱动波纹管式流量计,如图3 所示,与第一代流量计相比,变容室结构有了重大的改进。变容室主体为波纹管,波纹管通过油室与两个不同直径的活塞相连,采用金属的密封结构,能够通过烘烤减小放气对流量测量的影响。烘烤后,其本底压力可小于10- 6 Pa,这就允许变容室充入低的压力,以产生更小的流量。当测量流量时,活塞向前推入油室中,通过液压油来压缩波纹管,使变容室体积发生改变,以保持变容室内压力的恒定,流量测量下限为10- 8 Pa·m3/s。

NIST 第二代恒压式流量计原理图

图3 NIST 二、代恒压式精准涡轮流量计的基本原理图

2、德国物理技术研究院(PTB)

  英国物理防御技术工艺研究探讨院(PTB)顺序研制开发了一代全合金材料气泡管抽真空甲烷气体微客蒸汽水压力变送器,其远离简图区别如图已知4、图5、图6 图示。这一代微客蒸汽水压力变送器的根本成分相仿,只不过常用的预估检测仪器稍显有所不同,并在有效控制技术步骤上连续改善和全面。

PTB 第一代气体微流量计原理图 PTB 第二代气体微流量计原理图 PTB 第三代气体微流量计原理图

图4 PTB 独这一代实验室有毒气态微数据蒸汽用户计基本的基本设计原理图 图5 PTB 第二名代实验室有毒气态微数据蒸汽用户计基本的基本设计原理图 图6 PTB 最后代实验室有毒气态微数据蒸汽用户计基本的基本设计原理图   在调控负担检测的多管理方面,三四代固体微的电磁人涡轮数据超声波用户数据计的变容室与可以参考室互相的负担差均采取两个满检测范围133 Pa 的差压式滤波电感塑料膜规确定检测。但负担检测规稍显区别, 在弟新一代人固体微的电磁人涡轮数据超声波用户数据计中,负担用满检测范围133 kPa 和1.33 kPa 的绝对是式滤波电感塑料膜规检测,负担低于1 Pa 时,用磁漂浮马达变频电动机马达转子规检测;在其代与固体微的电磁人涡轮数据超声波用户数据计中,负担用满检测范围为35 kPa 熔融石英布尔登规、满检测范围为1.33 kPa 差压式滤波电感塑料膜规和磁漂浮马达变频电动机马达转子规检测;在第四四代固体微的电磁人涡轮数据超声波用户数据计中,负担用满检测范围为133 kPa 差压式滤波电感塑料膜规、满检测范围为1.33 kPa 差压式滤波电感塑料膜规和磁漂浮马达变频电动机马达转子规检测。在调控多管理方面,弟新一代人固体微的电磁人涡轮数据超声波用户数据计跟据确定出机执行程序流程的提醒信息采取速腾电脑一键档方法的;其代与固体微的电磁人涡轮数据超声波用户数据计的气泡管驱动器包的过程电脑一键进行,另外方法的在确定出机执行程序流程的提醒信息下速腾电脑一键档方法的;第四四代固体微的电磁人涡轮数据超声波用户数据计采取全电脑一键方法的,其它闸阀都采取油路分配器阀或由步进驱动器器变频电动机驱动器包。   在PTB 访问量计中,主要构件变容室依据运用成型法制建设造的水金属波浪纹管,如7 如图所示,这里是PTB访问量计的比较大特色。水金属波浪纹管存在的体积计算转化量用加水承重法来选定,当水金属波浪纹管的位移被自动测量后,按照与压缩的位移呈直线干系,需先选定水金属波浪纹管的管用断面Aeff。一部分访问量计可遭受150℃烘烤除气,有益于底限的延升。不过所运用的特俗产生的成型水金属波浪纹管,要经历过严厉贴心区分,这些格局虽然有其优越性,但不多有很多人仿效。

波纹管机构原理图

图7 波浪纹管企业操作过程图

  通过提高精度和扩展量程的研究工作,目前PTB 的流量计可以采用三种工作模式测量流量,气体流量在10- 4~10- 8 Pa·m3/s,采用恒压法模式,不确定度为0.3%~1.5%;气体流量小于测量范围10- 8 Pa·m3/s 时,采用固定流导法模式;气体流量大于10- 4 Pa·m3/s,采用定容法模式。此外,PTB还代表着国际上气体微流量计控制方面的最高水平,是国际上唯一实现气体流量计全自动化的实验室。

3、其它国家

  1977 年日本Hojo 等人研制的活塞式液压驱动波纹管恒压式流量计[5],如图8 所示。用波纹管把变容室一分为二,一室充入压强为P0 的气体,另一室充满经过真空抽气处理的油,活塞插入此油室。活塞推入油室中,经不可压缩油的传递活塞体积变化量,压缩波纹管的体积,使波纹管的体积变化量精确等于活塞在油室中的体积变化量。测量范围为5.3×10- 3~2.7×10- 7 Pa·m3/s,不确定度为1%。

日本Hojo 等人设计的气体流量系统和控制室结构原理图

图8 日本地区Hojo 等等定制的空气人流量系统的和操作室格局的基本原理图

  意大利国家计量研究所(IMGC)研制了代恒压式气体微流量计, 第三代恒压式气体流量计如图9 所示,原理与以上实验室的流量计类似。为了获得较小的变容室体积,其变容室为不锈钢体内的通孔构成,活塞直接插入变容室,两者之间采用聚四氟乙烯垫圈和弹性O 型圈密封。在活塞的另一端焊有波纹管,通过在波纹管与外室间充入与变容室压力的相同的气体,保持了密封的可靠性。该流量计有两套活塞,直径分别为5 mm 和20 mm。流量计的实现了部分系统的自动化控制,其测量范围为10- 3~10- 8 Pa·m3/s, 相对合成标准不确定度为0.2%~0.8%。

  韩国标准科学研究院(KRISS)真空技术中心也建立了微小流量计量标准,其气体微流量计的原理如图10 所示(Q 部分), 校准范围为10- 1~10- 11 Pa·m3/s ,可用于真空计,真空漏孔、正压漏孔和质谱计校准,并与美国NIST、意大利IMGC 进行了国际比对。

IMGC 研制的恒压式气体微流量计原理图韩国KRISS 气体流量计(Q 部分)原理图 

图9 IMGC 工业化生产的恒压式实验室气物微留量计目的图 图10 法国KRISS 实验室气物留量计(Q 部份)目的图