冷媒氣體泄漏率的定量分析

宋棟梁

(江蘇省計量科學研究院，南京 210007)

正壓標準漏孔是一種對氣體泄漏量進行量值傳遞的標準器具，它將被測氣體置于金屬體內，通過預定數目的可滲透薄膜及內外壓差向外擴散，由于通孔的形狀標準，內外壓差可測，因此可用真空科學的經典理論計算直接得出其漏率值，可實現超微小漏率的檢測;同時可利用現有的色譜技術對標準漏孔的漏率進行標定。

漏孔根據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準漏孔。氟利昂等消耗臭氧物質是臭氧層破壞的元兇，氟利昂是本世紀20年代合成的，其化學性質穩定，不具有可燃性和毒性，被當作制冷劑、發泡劑和清洗劑，廣泛用于家用電器、泡沫塑料、日用化學品、汽車、消防器材等領域。氟利昂物質有 R134A、R600A、R22、R404c、R407A、R410c等型氟利昂，以冷媒檢漏儀為量傳對象。

1 工作原理

正壓式的標準漏孔常用全金屬通導型，其特點反應快，無累積，漏率穩定，不易堵塞。冷媒泄漏率設計濃度范圍在1～15 g/a(即克/年)，實際使用時可根據需要在使用范圍內進行調節。在量傳過程中，把被檢儀器的傳感器(即探頭)對準標準漏孔，來探測氟利昂的標準泄漏量與檢漏儀的響應值是否一致。利用小孔流導的基本特性，其流量可以任意調節，校準時流量計提供的流量大小僅與穩壓室的壓力有關，并且可以將流量計的流量調節到與被校漏孔漏率大小相等，再用四極質譜計將二者進行比較，計算出漏孔的漏率，解決了四極質譜計的線性以及長期穩定性差影響校準結果的問題［1］。由于穩壓室中的氣體壓力高，不需要特別嚴格的材料處理工藝，不需要徹底烘烤出氣就能得到純凈的單一氣體，滿足校準工作的要求;測量范圍達到了10－4～10－7Pa·mVs，評定的合成標準不確定度小于4%。通過對漏率不確定度分量的分析評估、精確校準電容薄膜、控制溫度變化等方法可以進一步降低校準不確定度［2］。

表1 漏率換算關系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 漏率換算關系

以1 g/a冷媒R22，R134A，R410A在給定檢測壓力下的真空箱氦檢漏系統報警漏率計算。

根據阿弗加德羅定律:

通過表1，就可以輕松將冷媒年泄漏量G和漏孔漏率Q任意轉換，值得注意的是由于填充物質不同，物質的摩爾質量M是不一樣的，所以在進行漏率換算時要明確泄漏的冷媒物質。

3 線性度測量試驗

運用稱重比較儀，在對含有不同物質的標準漏孔進行泄漏率的測定，正壓漏孔在 0.1～1.0 MPa下的泄漏線性數據見表2。

通過表2可知，標準漏孔內填充了不同的氟利昂物質，它們的泄漏率隨著漏孔內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。

4 標準漏孔測量不確定度評估

在通常的溫濕度和大氣壓環境條件下，標準漏孔保持一個恒定的漏率，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確值，并與其標稱值進行比較。以2 g/a的標準漏孔為例，試驗時間為15 d，泄漏量為83.3 mg。檢測和保存過程中，環境溫濕度的波動不能太大，否則對漏率準確度影響就必須要考慮了漏率越大，泄漏量也越大，用上述天平來檢測就能夠得到較準確的結果。在不考慮其它因素影響時，合成不確定度可保證在10%以內，滿足各種半定量或定性的氟利昂檢漏儀的檢測要求。

4.1 測量方法

把標準漏孔放在稱重比較儀上，連續試驗15 d，檢測標準漏孔的累積泄漏量，并與標準漏孔的標準值進行比較。

4.1.1 數學模型

式中，Q為標準漏孔漏率，g/a;T為泄漏時間，a;Δm為在泄漏時間內的累積泄漏量，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 計算分量標準不確定度

以標準值為2 g/a的標準漏孔為例進行評估。

4.2 質量不確定度分量評估

4.2.1 測量過程中外界環境引入的不確定度u(m1)估算

1.溫濕度變化對漏孔漏率的影響

在15 d內，該類影響對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.空氣流動及大氣壓變化對漏孔漏率的影響

在15 d內，該類影響對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.灰塵及取放過程對漏孔質量的影響

在15 d內，該類影響對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，對環境影響引入的不確定度進行合成:

4.2.2 由示值重復性估算的不確定度u(m2)

用稱重比較儀對標準漏孔的泄漏量進行重復測量，重復6次，每次測量過程為15 d，結果見表3。

表3 重復性試驗數據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，因前后兩次測量，故乘以

4.3 時間不確定度分量

在15 d內，時間誤差應在0～10 min，按平均分布，k，時間不確定度分量為:

以標準值為2 g/a的標準漏孔為例，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 合成標準不確定度

以上各量互不相關，故合成標準不確定度為:

4.5 擴展不確定度

假設置信概率p約為95%時，包含因子k取2，擴展不確定度為:

從以上評估結果可以看出，合成不確定度小于4%，小于一般檢定要求的10%，能夠滿足檢測使用的要求。

5 實驗驗證

用色譜法比對，用一臺Agilent 7890的PDHID檢測器作驗證，分別通入濃度為1.01μmol/mol的氣體標準物質和相當于1μmol/mol的標準漏孔泄漏氣體，色譜進樣流量為20 mL/min，1 g/a的泄漏量相當于標準氣體的濃度為1.035 μmol/mol，與1.01μmol/mol的標準氣體相比，實驗得到表5數據。

表5 漏孔泄漏率量值驗證Table5 The value validation of leakage rate

通過與標準氣體的比對，標準漏孔泄漏率的示值誤差優于±4%之內，所以它的量值傳遞的準確度得到驗證。

6 結論

通過以上的定量分析與驗證可知，此類正壓標準漏孔的校準結果不確定度不大于4%，完全適用于在制冷行業大量應用的各類鹵素檢漏儀的量值傳遞。而且標準漏孔本身具有快速測量、操作簡單、易于掌握，而且隨著現代工業制造技術的發展，其校準不確定度還可以進一步減小等優勢，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.標準漏孔校準裝置的研究與應用［D］，西安:西安電子科技大學，2007.

［2］劉秀林.標準漏孔及其校準［J］.航空計測技術，2001(5):43-45.