基本介紹
- 中文名：真空膨脹
- 外文名：Vacuum expansion
- 屬於：真空技術
- 重要性：空計量的基礎標準
- 套用：真空計的校正
- 原理：波義耳—馬略特定律
真空膨脹的概述,真空膨脹的研究背景,真空膨脹的工作原理,不確定度的來源,重複性測量引入的標準,
真空膨脹的概述
真空計量是真空技術套用和發展的重要手段，真空膨脹是真空計量的基礎標準，主要用於電容薄膜真空計和磁懸浮轉子真空計等真空副標準的校準，同時，它也可以用於電離式真空計、電阻真空計和熱傳導真空計等真空計的校準工作。其一級膨脹法和二級膨脹法為保證真空量值的準確性、統一度提供了技術支持。它是利用波義耳—馬略特定律，通過膨脹法或與石英規的直接比對校準法實現計量真空計的目的，其不確定度的分析符合JJF1050—1996《工作用熱傳導真空計校準規範》和JJF1062—1999《電離真空計校準規範》的要求。
真空膨脹的研究背景
隨著科學技術的發展，真空技術的套用範圍越來越廣。真空技術要想進一步發展，就需要使用真空計量，因為沒有準確、可靠的真空計量，真空技術就無法發展。但是，要想從真空技術中了解真空狀態，就需要藉助真空計量儀器——真空計。真空靜態膨脹法是真空計量的基礎，金屬靜態膨脹法真空標準裝置是真空基礎標準，主要用於電容薄膜真空計和磁懸浮轉子真空計等真空副標準的校準，同時，它也可以用於電離式真空計、電阻真空計和熱傳導真空計等真空計的校準工作。計量標準建立後，可以採用多種方法校準電容薄膜規和磁懸浮轉子規。這些校準方法主要包括一級膨脹法、二級膨脹法、三級膨脹法和與石英規直接比對法，校準範圍為1×10-4～1×105Pa，不確定度U為0.02%～2.0%（k=2），保證了真空量值的準確性和統一度。
真空膨脹的工作原理
校準裝置一般採用的是靜態膨脹法原理，在等溫條件下，將已知的小體積高壓力氣體膨脹到已抽空的大容器中去，進而產生低壓強，並利用波義耳—馬略特定律PV=RT完成相關計算，PV為常數。
該裝置是由8個膨脹伐、2個膨脹室構成2級膨脹。例如，一級膨脹室是將大氣壓強P作為原始標準壓強（用標準氣壓計測量），由一級膨脹伐v1將壓強為Pa的氣態向一級膨脹室V1內膨脹，其計算公式為：
Pn=nK1Pa（1）
K1=v1/（V1+v1）（2）
式（1）（2）中：Pn為待測量真空度，Pa；n為膨脹次數，次；K1為膨脹係數；Pa為原始標準壓強，Pa；v1為膨脹閥體積，mL；V1為一級膨脹室體積，mL。
校準裝置的前級標準壓力計是由氣源室的壓力與大氣壓力相通利用空盒氣壓表測量的，它與測量氣體無關。校準裝置有2個校準室，其中，一級膨脹室容積均為30L左右，二級膨脹室容積為60L左右。膨脹閥均採用電磁閥，一級膨脹閥有4個，直接從氣源室取樣和膨脹；二級膨脹閥有4個，從一級膨脹室取樣和膨脹。
不確定度的來源
靜態膨脹法真空標準裝置的不確定度來源有6方面：①重複性測量引入的標準不確定度；②一級膨脹室本底不等於0引入的不確定度；③一級膨脹室體積測量不準引入的不確定度；④一級膨脹伐體積測量不確定度；⑤膨脹室器壁放氣引入不確定度；⑥膨脹室器壁放氣引入的不確定度。
重複性測量引入的標準
不確定度靜態膨脹法真空標準裝置的不確定度分量主要為一級膨脹室示值重複性測量引入的標準不確定度。在重複性測量不確定度時，選擇1台數字式電阻真空計，在0.93Pa點測量，分別放氣、抽真空完成2次測量，各取5個校準點，得到10次的測量數據為0.93Pa、0.92Pa、0.94Pa、0.93Pa、0.92Pa、0.91Pa、0.93Pa、0.93Pa、0.92Pa和0.93Pa。通過相關計算求得0.93Pa校準點的算術平均值。
一級膨脹室本底不等於0引入的不確定度
已知一級膨脹室本底為2×10-4Pa，其測量下限為1×10-1Pa，則最大極限誤差δ2=2×10-4/1×10-1=0.2%。
假設一級膨脹室不等於0分布為均勻分布，則相對標準不確定度為0.002/3=0.12%.3.3一級膨脹室體積測量不準引入的不確定度已知一級膨脹室的體積V1=31.42267，誤差ΔV1=0.00954，則最大極限誤差δ3=0.00954/31.42267=0.03%。
設膨脹室體積測量不準分布為常態分配，則相對標準不確定度為0.0003/3=0.01%.3.4一級膨脹伐體積測量不確定度一級膨脹伐體積測量不準，δ4=（0.046—0.40）%，按0.4%計算。假設膨脹伐體積測量不準分布為常態分配，則相對標準不確定度為0.004/3=0.13%。
膨脹室器壁放氣引入不確定度
膨脹室器壁放氣引入的最大極限誤差δ6≤±0.07%.假設器壁放氣分布為均勻分布，則相對標準不確定度為0.0007/3=0.04%.3.6膨脹室與膨脹伐的溫差引入不確定度膨脹室與膨脹伐的溫差引入最大極限誤差δ7≤±0.34%.假設溫差分布為均勻分布，則相對標準不確定度為0.0034/3=0.20%.上述內容是各個不確定度分量引起的不確定度描述和計算，其最終擴展不確定度不僅與考慮到的不確定度分量多少有關，也與選擇不確定度的計算方法有關。
