真空標準裝置建標分析探討

張旭敏，魏居鋒，劉克先

（深圳中航技術檢測所，廣東深圳518040）

真空標準裝置建標分析探討

張旭敏，魏居鋒，劉克先

（深圳中航技術檢測所，廣東深圳518040）

依據計量標準考核的要求，通過對計量標準的工作原理，不確定度的評定及進行重復性、穩定性指標和不確定度的驗證考核，建立真空標準裝置符合量值傳遞的標準器組

真空計；真空規；計量建標

1 建立計量標準的目的

比較法真空標準裝置主要用于真空量值的比對和校準，為了使真空量值準確可靠的傳遞，確保真空量值準確一致，需要建立比較法真空標準裝置。

比較法真空標準裝置的建標，可用于校準壓力范圍為1.7×10-1Pa～1×105Pa的各類真空規，將有助于真空量值的準確傳遞，更好地為國防軍工生產和型號任務服務，具有十分重要的實用價值。

比較法真空標準裝置可以校準壓阻真空計、工作用熱傳導真空計[1，2]。

2 計量標準的工作原理及組成

2.1 工作原理

比較法真空標準裝置采用動態比對和靜態比對兩種方法，參照標準采用.高精密133 Pa和1.33×105 Pa的電容薄膜規。兩個主標準器經膨脹式真空標準校準給出的不確定度均為2%.

2.2 計量標準組成

比較法真空標準裝置由校準室、微調閥（針閥）、參照標準、被校真空規、超高真空角閥、高真空電磁閥和真空泵等幾部分組成。工作原理如圖1所示。

圖1 真空標準裝置原理圖

2.3 校準方法和依據的檢定規程

2.3.1.校準方法

將被校準的真空計與參照標準接到同一校準室上，通過微調閥調節校準室中的壓力校準點，當校準室中的壓力達到動態平衡或靜態平衡時，被校真空計和參照標準同時測量校準室中的同一壓力，將測量結果直接比對，給出壓力示值誤差。

2.3.2.依據的技術規范：

JJG1050-1996《工作用熱傳導真空計校準規范》JJG932-1998《壓阻真空計檢定規程》

3 計量標準器及主要配套設備

計量標準器及配套設備的配置應當科學合理，完整齊全，并能滿足開展檢定或校準工作的需要。計量特性必須符合相應計量檢定規程或技術規范的規定[4，5]。標準配置如表1.

表1計量標準器及主要配套設備

不確定度制造廠檢定檢定名稱型號測量范圍或準確度及出廠或校或校計等或最大編號準機準證量允許誤差構書號標薄膜真VGC402/規管133Pa2%準空計CDG025D器薄膜真VGC402/規管1.33×105Pa2%空計CDG025D主數字多187（0～1000）V0.03%～0.4%要用表配絕緣電套阻表ZC25B-3（0～500）MΩ 1.70%設備秒表PC396分辨力0.01s

4 計量標準的主要技術指標

圖2 計量標準的量值溯源和傳遞框圖

（1）測量范圍：

工作用熱傳導真空計：（1.7×10-1～102）Pa；

壓阻真空計：（103～105）Pa

（2）根限壓力：8×10-5Pa，靜態升壓率小于：10-2Pa/min

（3）測量不確定度：

工作用熱傳導真空計：U=13.6%，k=2；

壓阻真空計：U=5.8%，k=2

5 環境條件

環境條件及設施應當滿足開展檢定或校準工作的要求，并按要求對環境條件進行有效監測和控制；根據JJG932-1998《壓阻真空計檢定規程》的檢定條件要求[3]：環境溫度為（23±5）℃，環境相對濕度不大于80%RH；因此按實際情況本項目環境條件要求與實際情況如表2.

表2 環境條件

6 計量標準的量值溯源和傳遞框圖

JJF1033-2008《計量標準考核規范》4.1.2計量標準的溯源性要求：為了保證計量標準的溯源性，計量標準的量值應當定期溯源至國家計量基準或社會公用計量標準；當不能采用檢定或校準方式溯源時，應當通過比對的方式，確保計量標準量值的一致性[1]。量值溯源和傳遞框圖如圖2.

7 計量標準的重復性試驗

選擇被測真空計，在3.00×10-1Pa的壓力點，用真空計標準裝置重復測量10次[1]，數據如表3：

表3 測量重復性數據/Pa

得到的重復性不確定度1.8%，小于測量不確定度評定中的重復性不確定度數據4.2%，符合JJF1033-2008《計量標準考核規范》關于重復性試驗的要求。

8 計量標準的穩定性試驗

在3.00×10-1Pa處用標準真空計對被測真空計進行10次連續測量，記錄標準真空計示值。所得結果經計算后即為比較法真空標準裝置的測量穩定性。檢測結果如表4.

表4 計量標準穩定性考核測量結果/Pa

變化量為0.4×10-1Pa，小于計量標準的最大允許誤差，故本裝置的穩定性符合規范要求。

9 校準結果的測量不確定度評定

9.1 工作用熱傳導真空計不確定度評定

9.1.1.適用范圍

適用于工作用熱傳導真空計的校準不確定度分析。

9.1.2.引用標準/文件

JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》

JJF1050-1996《工作用熱傳導真空計校準規范》

9.1.3.測量不確定度分析

（1）測量方法簡述

采用與標準比對的方法進行校準。將工作用熱傳導真空計與標準真空計接在比對系統的對應位置上，標準真空計測得的值作為標準值，將工作用熱傳導真空計的示值作為測量結果。在全量程范圍內，將測量結果與標準值進行比對，就可得到一系列比對數據。

（2）數學模型

式中：Xi為第i個工作用熱傳導計示值；Yi為第i個標準值。

用最小二乘法進行線性擬合來評定整體的不確定度。選用Origin軟件。Origin軟件對于Yi=A +BXi進行線性擬合的公式為：

截距Yi=Y軍-BX軍

校準模型取對數后線性擬合為：

lgyi=a+blgxi

式中：yi為擬合修正后的真空度Pa；xi為測量結果Pa.

處理后：

yi＝10a×xbi

由于Y=lgy，如果對Y積分，可以得到：

這樣就可以得到相對不確定度。

在實際工作中，還會存在高真空、儀表示數非零問題。對于本例中使用的數字儀表，校準模型應是yi=10a×+p0，由于p0極小，僅在頭一個量級才需要稍加修正，對不確定度評定的影響可以忽略。而且儀表室按照標準特性曲線定度的，故b與1非常接近，這樣就簡化成yi＝k×xi.在Origin軟件中，只需在擬合時進行斜率為1的直線擬合。表5分別是直接線性擬合和b=1的線性擬合的結果。

表5 線性擬合結果表

Origin軟件求得標準實驗室的計算公式是

式中：N為測量點數。

（3）測量不確定度來源

1）上級標準傳遞的不確定度分量

在校準過程中，是將標準真空計測得的值作為標準值，所以要將引入標注值所帶來的不確定度也計算在內。標準真空計的不確定度在10%（k=3）以內，可以按標準不確定度為3.3%計算。

2）儀表分辨力引入的不確定度

儀表的分辨力會導致一定的不確定度，遵循矩形分布。一般被測真空計示數為兩位有效數字，故在1.0附近，會帶來5.8%（k=1）的不確定度。

9.1.4.合成標準不確定度：

全量程擬合的不確定度為5.9%（見上表），而儀器的分辨力引入的標準不確定度為5.8%，相互覆蓋關系，只取5.9%即可。合成標準不確定度為：

9.1.5.擴展不確定度

包含因子k取2，則：

U=k×u=2×6.8%=13.6%

9.2 壓阻真空計不確定度評定

9.2.1 適用范圍

適用于壓阻真空計的校準不確定度分析。

9.2.2 引用標準/文件

JJF 1059—2000《測量不確定度評定與表示》；

JJG 932—1998《壓阻真空計檢定規程》。

9.2.3 測量不確定度分析

（1）測量方法簡述

采用與標準真空計直接比對的方法進行校準。將被校壓阻真空計與標準真空計接在比對系統的對應位置上，標準真空計測得的值作為標準值，將被校壓阻真空計的示值作為測量結果。在全量程范圍內，測量10次，將測量結果的算術平均值與標準值進行比對，就可得到一系列比對數據。

（2）數學模型

Y=x軃-x

式中：x為標準真空計示值；Y為被校壓阻真空計的示值誤差；x軃為被校壓阻真空計的算術平均值。

（3）測量不確定度來源

1）重復測量引入的不確定度u1

選用被校壓阻真空計，在3.00×102Pa處重復測量10次，用A類評定方法評定。結果如表6.

表6 壓阻真空計數據表/Pa

2）上級標準傳遞的不確定度分量u2

在校準過程中，將標準真空計測得的值作為標準值，所以要將引入標注值所帶來的不確定度也計算在內。標準真空計的不確定度在U=2%（k=2）以內，可以按標準不確定度為1.0%計算。

9.2.4 合成標準不確定度

重復測量引入的標準不確定度u1和標準真空裝置所帶來的不確定度u2分別為1.0%和4.2%.因此，合成標準不確定度為：

9.2.5 擴展不確定度

包含因子k取2，則：

U=k×u=2×2.9%=5.8%

10 檢定或校準結果的驗證

測量不確定度評定后，采用校準法對不確定度進行驗證，選擇一電阻真空計，經自檢測一組數據后，送上級法定計量檢定機構測得一組數據，后將兩組數據進行比較，看是否滿足|Y-YO|≤U的要求，

將被校電阻真空計，取相同的壓力校準點6.26 ×10-1Pa經測得的兩組數據如表7.

表7 電阻真空計數據表/Pa

根據JJF1033-2008附錄C中C.2.2.3中式

|Y-YO|=0.12×10-1Pa≤U

所建立比較法真空計標準裝置滿足|Y-YO|≤U的要求。

11 結束語

經分析與驗證表明，比較法真空標準裝置滿足國家計量檢定規程JJF1050-1996《工作用熱傳導真空計校準規范》、JJG932-1998《壓阻真空計檢定規程》的要求，可以開展其技術指標，依據檢定規程和校準規范，開展真空規的校準工作[1，2，4，5]。

[1]JJF1033-2008計量標準考核規范[S]，北京：中國計量出版社，2008.

[2]JJF1059.1-2012測量不確定度評定與表示[S]，北京：中國計量出版社，2012.

[3]JJF1001-1998通用計量術語及定義[S]，北京：中國計量出版社，1998.

[4]JJF1050-1996《工作用熱傳導真空計校準規范》[S]，北京：中國計量出版社，1996.

[5]JJG932-1998《壓阻真空計檢定規程》[S]，北京：中國計量出版社，1998.

Discussion on Measurement and Calibration of Vacuum Standard Device

ZHANG Xu－min，WEI Ju－feng，LIU Ke－xian
（Shenzhen Metrology&Measurement Institute of AVIC.，Shenzhen Guangdong 518040，China）

According to the requirements of the measurement standard，to set up the measurement and calibration of vacuum standard device through analyzing the working principle of the measurement standard，the repeatability，the stability index and the verification of the uncertainty.

vacuum gauge；measurement and calibration standard

TH813

B

1672-545X（2017）06-0282-04

2017-03-29

張旭敏（1964-），男，廣西人，碩士，高級工程師，從事機電工程、檢測測試工作；魏居鋒（1967-），男，山東人，碩士，高級工程師，從事計量檢定、校準測試工作；劉克先（1967-），男，湖南人，學士，高級工程師，從事計量檢定、校準測試工作；