时间比值法测量水蒸气流导

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.05.013

摘要/Abstract

摘要：

目前很少有方法能够测量水蒸气通过小孔的流导.通过理论与实验相结合的方法分析了使用压升法测量水蒸气流导的可行性，该方法测量结果的误差随着进气量的减小而增加，这是因为水蒸气具有较强的吸附特性.为了准确得到水蒸气进气压力与流导之间的关系式，基于压升法提出了时间比值法.该方法通过测量压力变化的时间计算流导，有效地减小了水蒸气吸附作用对测量结果的影响.使用该方法搭建了一个可以提供流量为3.7×10^-9~1.5×10^-5 Pa·m³·s^-1的装置.流导测量值与理论值一致性较好.时间比值法的相对标准不确定度是3.3%.

关键词: 水蒸气, 流导, 不确定度, 测量

Abstract:

There are currently few methods available to measure the conductance of water vapor through an orifice. The feasibility of the pressure rising method to measure the conductance of water vapor is analyzed by combining theory with experiment， indicating that the measurement error of this method increases with the decrease of intake volume， which is due to the strong adsorption characteristic of water vapor. To accurately obtain the relationship between the conductance of water vapor and the inlet pressure， a new method called the time-ratio method is proposed. This method calculates conductance by measuring the time of pressure change， reducing the effect of water vapor adsorption on the measurement effectively. Based on this method， a device is developed to provide a flow rate in the range of 3.7×10^-9~1.5×10^-5 Pa·m³·s^-1. The measurement and theoretical values of conductance have good consistency， and the relative standard uncertainty of this time?ratio method is 3.3%.

Key words: water vapor, conductance, uncertainty, measurement

中图分类号:

TB 753

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图/表 10

图1 小孔流导测量装置注：v1~ v11为真空阀门

Fig.1 Orifice conductance measurement device

表1 时间比值法的不确定度

Table 1 Uncertainty of the time?ratio method

$u r V 2$	$u r C 0$	$u r p 1$	$u r p 2$	$u r C 0'$
0.1	3.2	1.1	3.0	3.3

表1 时间比值法的不确定度

Table 1 Uncertainty of the time?ratio method

$u r V 2$	$u r C 0$	$u r p 1$	$u r p 2$	$u r C 0'$
0.1	3.2	1.1	3.0	3.3

图2 薄膜真空计和磁悬浮转子计的测量结果比值

Fig.2 Ratio of capacitance diaphragm gauge and spinning rotor gauge

图3 通过激光打孔制作的小孔

Fig.3 Orifice which is made by laser drilling

表2 膨胀法测量测试罩及管路容积的结果

Table 2 Volume measurement results of the test dome and pipeline by the expansion method

容积/mL	初始压力/Pa	平衡压力/Pa	容积/mL
679	5 058	1 146	2 317.8
679	1 036	234.8	2 316.9
679	315	71.4	2 616.6

图4 压升法水蒸气流导测量结果

Fig.4 Measurement results of water vapor conductance by the pressure rising method

表3 时间比值法5次测量的结果

Table 3 Five results of the time ratio method

次数	压力/Pa	时间/s	流导/（Pa·m³·s^-1）
1	3023	174.22	5.34E-9
2	3023	174.35	5.34E-9
3	3023	174.30	5.34E-9
4	3023	174.39	5.34E-9
5	3023	173.92	5.35E-9
平均值	3023	174.24	5.34E-9
实验标准偏差	—	—	6.65E-12
相对实验标准偏差	—	—	0.125%

图5 水蒸气流导与进气压力之间的关系

Fig.5 Relationship between water vapor conductance and inlet pressure

图6 水蒸气、氮气和氩气的流导测量结果

Fig.6 Measurement results of H2O, N2 and Ar

表4 分子流条件下流导比值

Table 4 Conductance ratio under the molecular flow conditions

气体	流导测量结果	与氮气流导的理论比值	与氮气流导的测量比值
气体	m³·s^-1	与氮气流导的理论比值	与氮气流导的测量比值
水蒸气	3.7×10^-9	0.80	0.79
氩气	2.5×10^-9	1.19	1.18
氮气	2.9×10^-9	—	—

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