宋棟梁

(江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院，南京 210007)

正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔是一種對(duì)氣體泄漏量進(jìn)行量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)器具，它將被測(cè)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(kuò)散，由于通孔的形狀標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)外壓差可測(cè)，因此可用真空科學(xué)的經(jīng)典理論計(jì)算直接得出其漏率值，可實(shí)現(xiàn)超微小漏率的檢測(cè);同時(shí)可利用現(xiàn)有的色譜技術(shù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)漏孔的漏率進(jìn)行標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(duì)象。

1 工作原理

正壓式的標(biāo)準(zhǔn)漏孔常用全金屬通導(dǎo)型，其特點(diǎn)反應(yīng)快，無累積，漏率穩(wěn)定，不易堵塞。冷媒泄漏率設(shè)計(jì)濃度范圍在1～15 g/a(即克/年)，實(shí)際使用時(shí)可根據(jù)需要在使用范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在量傳過程中，把被檢儀器的傳感器(即探頭)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)漏孔，來探測(cè)氟利昂的標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)時(shí)流量計(jì)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(jì)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(jì)將二者進(jìn)行比較，計(jì)算出漏孔的漏率，解決了四極質(zhì)譜計(jì)的線性以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性差影響校準(zhǔn)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(yán)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(zhǔn)工作的要求;測(cè)量范圍達(dá)到了10－4～10－7Pa·mVs，評(píng)定的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度小于4%。通過對(duì)漏率不確定度分量的分析評(píng)估、精確校準(zhǔn)電容薄膜、控制溫度變化等方法可以進(jìn)一步降低校準(zhǔn)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

2 漏率換算關(guān)系

以1 g/a冷媒R22，R134A，R410A在給定檢測(cè)壓力下的真空箱氦檢漏系統(tǒng)報(bào)警漏率計(jì)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(jìn)行漏率換算時(shí)要明確泄漏的冷媒物質(zhì)。

3 線性度測(cè)量試驗(yàn)

運(yùn)用稱重比較儀，在對(duì)含有不同物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)漏孔進(jìn)行泄漏率的測(cè)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(biāo)準(zhǔn)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(shì)。

4 標(biāo)準(zhǔn)漏孔測(cè)量不確定度評(píng)估

在通常的溫濕度和大氣壓環(huán)境條件下，標(biāo)準(zhǔn)漏孔保持一個(gè)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(zhǔn)確值，并與其標(biāo)稱值進(jìn)行比較。以2 g/a的標(biāo)準(zhǔn)漏孔為例，試驗(yàn)時(shí)間為15 d，泄漏量為83.3 mg。檢測(cè)和保存過程中，環(huán)境溫濕度的波動(dòng)不能太大，否則對(duì)漏率準(zhǔn)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(cè)就能夠得到較準(zhǔn)確的結(jié)果。在不考慮其它因素影響時(shí)，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(cè)要求。

4.1 測(cè)量方法

把標(biāo)準(zhǔn)漏孔放在稱重比較儀上，連續(xù)試驗(yàn)15 d，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)漏孔的累積泄漏量，并與標(biāo)準(zhǔn)漏孔的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。

4.1.1 數(shù)學(xué)模型

式中，Q為標(biāo)準(zhǔn)漏孔漏率，g/a;T為泄漏時(shí)間，a;Δm為在泄漏時(shí)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(jì)算分量標(biāo)準(zhǔn)不確定度

以標(biāo)準(zhǔn)值為2 g/a的標(biāo)準(zhǔn)漏孔為例進(jìn)行評(píng)估。

4.2 質(zhì)量不確定度分量評(píng)估

4.2.1 測(cè)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(duì)漏孔漏率的影響

在15 d內(nèi)，該類影響對(duì)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(dòng)及大氣壓變化對(duì)漏孔漏率的影響

在15 d內(nèi)，該類影響對(duì)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(duì)漏孔質(zhì)量的影響

在15 d內(nèi)，該類影響對(duì)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(duì)環(huán)境影響引入的不確定度進(jìn)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)漏孔的泄漏量進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，重復(fù)6次，每次測(cè)量過程為15 d，結(jié)果見表3。

表3 重復(fù)性試驗(yàn)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(cè)量，故乘以

4.3 時(shí)間不確定度分量

在15 d內(nèi)，時(shí)間誤差應(yīng)在0～10 min，按平均分布，k，時(shí)間不確定度分量為:

以標(biāo)準(zhǔn)值為2 g/a的標(biāo)準(zhǔn)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

4.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

以上各量互不相關(guān)，故合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

4.5 擴(kuò)展不確定度

假設(shè)置信概率p約為95%時(shí)，包含因子k取2，擴(kuò)展不確定度為:

從以上評(píng)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(cè)使用的要求。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

用色譜法比對(duì)，用一臺(tái)Agilent 7890的PDHID檢測(cè)器作驗(yàn)證，分別通入濃度為1.01μmol/mol的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和相當(dāng)于1μmol/mol的標(biāo)準(zhǔn)漏孔泄漏氣體，色譜進(jìn)樣流量為20 mL/min，1 g/a的泄漏量相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度為1.035 μmol/mol，與1.01μmol/mol的標(biāo)準(zhǔn)氣體相比，實(shí)驗(yàn)得到表5數(shù)據(jù)。

表5 漏孔泄漏率量值驗(yàn)證Table5 The value validation of leakage rate

通過與標(biāo)準(zhǔn)氣體的比對(duì)，標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確度得到驗(yàn)證。

6 結(jié)論

通過以上的定量分析與驗(yàn)證可知，此類正壓標(biāo)準(zhǔn)漏孔的校準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)漏孔本身具有快速測(cè)量、操作簡(jiǎn)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(zhǔn)不確定度還可以進(jìn)一步減小等優(yōu)勢(shì)，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(biāo)準(zhǔn)漏孔校準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)漏孔及其校準(zhǔn)［J］.航空計(jì)測(cè)技術(shù)，2001(5):43-45.