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GBT 40344.1-2021 真空技术 真空泵性能测量标准方法 第1部分：总体要求.pdf

流量法是一种最常用的真空泵体积流率（抽速）测量方法。当测量气体流量的流量计具有足够的精 变，该方法可适用于整个压力范围和各类规格的泵。气体流量的测量范围应根据测试泵最大和最小工 作压力与预估的体积流率的乘积来选择。 所有测量装置都应采用以下任一方式校准： a）可溯源至真空基准或国家标准； b）用绝对测量仪器时，能溯源至SI单位，并给出测量不确定度。 至于需要校准的测量仪器，宜提供符合ISO/IEC17025[3规定的校准证书

5.1.2流量法的测试罩

围内。除了进气管外，法兰和测试罩之间的连接管路不应凸出测试罩的内壁。 如测试泵需要，应给测试罩配备一个烘烤装置，并确保测试罩均匀受热，以便测试泵达到基础压力。 测试罩的体积可取决于泵的型号，详细情况参照特定泵的标准。 对于入口法兰直径小于D~=100mm的泵，测试罩直径应取D~=100mm，并应使用一个45°锥形 接头转接到真空泵的入口法兰上，如图1所示

见图2。 测试罩应是清洁干燥的。泵、密封件和其他元件的清洁度应适合于预估的基础压力。按图2在清 洁状态下组装所有零部件。受测量范围的限制，不同测量范围的流量计可串接切换。如流量受小量程 流量计的限制，可以通过支管以并联方式安装，并在流量计与支管之间加装阀门。可用带有可编程的质 量流量控制器来替代流量计和进气阀，它们应并联组装在支管上。 许多情况下，大流量质量流量控制器的密封性不好，在这种情况下，建议在流量控制器与支管之间 使用阀门。 电离真空计和质谱仪应按此方式安装，即它们之间没有直接的几何通路。 警告：遵守真空泵制造厂商的安全指示

GB/T 19565-2017 总辐射表5.1.4体积流率的测定

图2流量法测量体积流率（抽速）的装置

采用流量法测量体积流率9<，就是在测试罩外测量气体流量Q。如果位于测试罩底部法兰上方指

一测试罩内的基础压力（见5.4）。 类似的公式对前级泵的体积流率9vBp同样适用。

气体流量能根据黏滞流效应（转子流量计、毛细管）测量体积（气体量管、气体计数器），或者在多数 青况下通过用热电式质量流量计来测量气体流量（见参考文献[6]第109～113页）。 由于气体体积与温度有关，在所有的体积测量中，如流量计的温度T，与测试罩的温度TP不一致 则需要用修正系数TD/T：修正。 注：热电式质量流量计不能直接测量流量，而是测量气体标准状态（也就是P。=101325Pa，T。=273.15K，见

I Vstd P。T

图1所示的测试罩和其他测试设备按图2布置。首先关闭进气调节阀，测试罩应达到基础压力（见 .4）。然后气体通过进气调节阀注人测试罩。从临界值开始，遵循流量计的正确使用方法，逐渐递增压 力进行测量。在此期间，环境温度波动应保持在土2℃内。 当达到所需压力P1，且其变化范围在每分钟土3%内时，测量P，和P3、环境温度、测试罩温度TD 以及有效流量Q。如果流量保持在土3%内，则此点测量可视为有效。如流量因瞬变状况而不稳定，则 等到它稳定为止。如流量的测量持续时间超过60S，则应至少每分钟记录一次测试罩内压力P1，在此 青况下，压力取测量值的平均值。如在测量过程中压力或流量变化超过土3%，则应重复进行测量，直到 读数稳定为止。 压力P1在每个数量级应至少测量三点，如果流量增加至最大容许值Qmx时，可获得最大入口压 力，该值可由制造商规定。 注：体积流率的测量能使用不同气体。气体更换时，新的测量开始前，所有与进气阀相连的管路要用此新气体进行 清洗净化。

5.1.6测量不确定度

气体流量测量的标准不确定度宜保持在： 以内，压力测量的标准不确定度宜保持在士3% 精确的计算见附录B。体积流率的总不确定度应小于10%

5.2小孔法测量体积流率（抽速）

推荐使用该方法。测试罩的小孔直径应与测试泵预估的体积流率相适应，以免过高的压力造成气体以 层流状态通过小孔

5.2.2小孔法的测试罩

测试罩应为圆柱形，形状如图3所示。一个带圆孔（可变的)的薄壁将测试罩分隔成两个腔室。需 要一个确保对测试罩均匀加热的烘烤装置。 薄壁小孔的直径（8/d<0.1)应按照预估的流量来选择，并应使压力P。和p。的比值介于3～30之 间。应注意确保小孔内气体粒子的平均自由程1不小于小孔直径的两倍，2d。 平均自由程I的具体值参见附录A。 对于泵人口法兰直径等于或大于D~=100mm的泵，测试罩的公称直径Dn应等于人口法兰的实 际直径。 对于泵入口法兰直径小于D=100mm的泵，测试罩的直径应等于D=100mm。这种情况下， 按照图1.应通过一个45°的锥形接头转接到泵的人口法兰上

图3小孔法所用的测试罩

见图4。 测试罩应清洁干燥。所有高真空侧的接口，推荐使用可烘烤型刀口法兰。 注意：不要用手直接触摸内表面。安装过程中佩戴手套

5.2.4体积流率的测定

一个圆孔薄壁将测试罩分成了两个腔（见图3）。体积流率由公式（5)给出：

图4小孔法测量体积流率（抽速）的装置

式中，C是根据小孔孔径和气体性质计算出的流导 测试罩上腔和下腔的基础压力Pa和Pbe是在烘烤（见5.4)后，且允许气体进人前测量的。直径为 d，厚度为的小孔流导，能用公式（6)计算：

C= 元RTD 32M 1+(8/d)

或，单位为升每秒（L/s）：

此处和d单位为米（m）

5.2.5小孔法测量步骤

5.2.6压力测量仪表的调

测试罩内达到基础压力P和Pbe并记录之后，将测试气体注人阀门（图4中4)来检查真空计（图4 中7）和（图4中8）的灵敏度。 因为气流直接流经泵进气口，所以在恒定气流流经阀门时，实际压力P。一P与P。一P相等。 警告：为避免吸附和解吸现象，仅使用干燥气体（质量分数99.9%）测量。 以基础压力Pb的两倍作为起始值开始测量，随着压力的增加，P。的每个数量级至少测量三点， 对于每一对压力值，计算比值（pd一Pbd）/（p。一Pbe）宜等于1。如果偏离1，则每个数量级都应使用 均差系数修正该真空计的灵敏度。 调整后，对测试罩抽真空接近基础压力时，就能开始测量体积流率

5.2.7体积流率的测量

5.2.8测量不确定度

压力比的测量不确定度宜≤3%，小孔直径的测量不确定度宜为0.5%。如果上部腔室的压力升高 至平均自由程接近于小孔直径两倍时的压力值，分子流流导增加3%（见参考文献[7］第147～150页） 精确计算参见附录B。体积流率的总不确定度应<10%

说明： X 进气压力，单位为帕(Pa)； Y 体积流率，单位为升每秒（L/s)； qv 测试泵的体积流率； qVBP 前级泵的体积流率。

5.3抽气法测量体积流率（抽速）

图5体积流率（抽速）曲线示例

5.3.2抽气法的测试罩

用抽气法测量体积流率，测试罩容积应不小于被测体积流率与120s的乘积。测试罩的尺寸在空 间三个方向上不应相差10倍以上。测试罩和连接管道的所有内表面应是清洁和干燥的。测试罩应有 个进气口，进气口公称直径大于或等于测试泵的人口法兰直径，且配有一个进气阀接口和一个或多个 真空计接口。真空计接口不应靠近泵进气口（见图6）

图6抽气法测量体积流率（抽速）的装置

速动阀的开启或关闭时间宜<0.5S。为了减小速动阀开启或关闭时间对抽速测量不确定度的影 响，测量周期△t应大于速动阀的开启或关闭时间（例如：△t,>8s）。为了精确测量△t1，速动阀实际开 启时间的测量和计算应有足够的精度。由于阀门类型不同，实际开启时间可以与阀门驱动时间存在 偏差。 体积流率偏低，所以宜选择具有较大横截面积的直通阀

为了达到预期的基础压力，应保证真空泵、密封件及其他元件的清洁度。所有元件在清洁的环境下 安图6组装。应使用有足够横截面积的短管，经速动阀将真空泵与测试罩连接（见5.3.7）。阀门应尽可 能靠近泵入口法兰安装，以使这部分连接管道的容积V；最小。阀门与测试罩之间能采用横截面大的管 直连接。连接元件的公称直径宜大于或等于泵人口直径。速动阀与真空抽气系统入口之间连接管道的 容积V应小于测试罩容积V的1%，即V<0.01V。 应使用绝对压力真空计测量压力。测试罩与真空计之间的连接管道长度不应超过1m，管道的公 称直径应大于16mm。

5.3.5体积流率的确定

9由公式（9)给出：

的速动阀（图6中5)并在时间周期△t1保持开启。 压差△p=p,pt2，应满足△p/p.,<0.1。 公式(9)仅在气体等温膨胀的情况下有效。因为抽真空过程中气体近似等膨胀会产生冷却效应， 所以关闭速动阀后P。会发生变化。因此，应在关闭速动阀后，经过等待周期△t2，使气体达到热平衡后 再测量P12 公式（9）计算体积流率的方法包含有两个能修正的系统误差。 第一个误差源于泵和速动阀阀板（见图6)之间的容积V:。在测量周期△t；之初，该容积不可避免 地（几乎）被抽空至泵的基础压力Pl。抽空周期开始之初，开启阀门时，被抽空的容积V：引起测试罩内 体积为V的气体急速膨胀至容积V，因此，抽空周期的实际启动压力p，降低至pw。公式（10)修正了 由此膨胀造成的力，压降。

P.,V+pbV V+V

P,V+pV V+V.

（10）和公式（11)代入公式（9），得到修正的体积流

..........

空泵达到稳定的工作温度。真空泵应可直排大气。环境温度应在18℃～25℃，并保持稳定在 土1.5℃内。 关闭进气阀，对测试罩抽真空。当测试罩压力不再进一步下降时，记录基础压力Pbl。然后关闭速 动阀，向测试罩内充入测试气体至大气压。如果泵的基础压力低于室温时水蒸气分压，测量应使用干燥 的空气、氮气或其他气体。关闭进气阀，压力读数P，达到稳定值（通常是30s～120s后）。然后打开速 动阀，同时开始测量周期△t1，当相对压差（p，一Pt,）/p，接近0.1时，关闭速动阀，停止测量周期△t1。 经过等待周期△t2后（通常是30s<△t2<120s），压力达到稳定，记录压力Pt。。 在压力<100Pa的情况下，关闭速动阀，宜通过记录后续时间周期△t3结束时的第三个压力Prs 则量漏率和放气率的影响。 重复间歇性的抽气过程，可测量真空泵低至基础压力的整个工作压力范围内的体积流率。测量能 使用空气或其他气体，应说明气体种类

漏率和放气率不应对压力影响太大。公式（11)的第二项不应超过P：2的1%， 分子流状态下，真空泵和测试罩之间连接管道的流导会使体积流率的测量值偏小。连接管道的流 导C应由公式（13）计算，以估计这种情况带来的影响

一一气体平均热运动速度； d一一连接管路的直径； 1一连接管路的长度。 见参考文献[7］第135～136页。 C>20qv时，此法能用于分子流状态。C≤20qv时，此法仅能在平均自由程I<0.1a时的压力下使 月此处α是连接管道的内径。l值参见附录A

用公式（10）、公式（11)和公式（12)以及由指定测得的压力P，和P，的平均值计算体积流率。只 离不超过所测量的抽速值的5%，按照测量点能画出一条拟合曲线。这条拟合曲线就是真空泵的 曲线。

5.3.9测量不确定度

体积流率的测量总不确定度应小于10%。如果有证据表明，在没有将P，修正到P1w，也没有 录B。

在18℃25℃之间。在测量期间，测试装置的温度波动应稳定在士1.5℃以内 所有测量装置都应采用以下二者中任一方式校准： a）可溯源至真空基准或国家标准； b）用绝对测量仪器时，应溯源至SI单位，并能给出测量不确定度。 需要校准的测量仪器宜提供符合ISO/IEC17025L3规定的校准证书。 基础压力的测量采用图2、图4和图6中的配置，

测试报告应包括加热过程（时间和温度）及基础压力，这些都是计算压缩比和体积流率所需要的。

5.5压缩比和临界前级压力测量

所有测量装置都应采用以下二者中任一方式校准： a）可溯源至真空基准或国家标准； b）用绝对测量仪器时，可源至SI单位，并能给出测量不确定度。 需要校准的测量仪器宜提供符合ISO/IEC17025C3规定的校准证书

5.5.2压缩比和临界前级压力的测定

式中，Pb和Pb分别为测试泵和前级泵的基础压力。测量压缩比时，气体从测试泵的排气管路 同时测量压力力，和力3。 测试泵（图8中3)连续排气所能承受的最大前级压力P3即为临界前级压力力。

图8测量压缩比和临界前级压力的装置

进气阀相连的管路用该气体进行吹扫净化

5.5.4测量不确定度

力，》力和力，》力时，压缩比的测量不确定度只能估算，宜小于或等于士20%。

在双对数坐标系中画出人口压力（pi一Pbl）相对于（p3一P)的曲线，再在同一坐标系中画出压缩 比K。相对于（p3一Pb3）的曲线。图中曲线应清楚标明所用测试气体。 注：通常涡轮分子泵的压缩比曲线跨越横坐标10Pa～200Pa之间，图9是不同气体在100Pa量级的临界前级压 力p。下的曲线。图中右侧高一个数量级的三条曲线是带Holweck级的涡轮分子泵压缩比曲线及其对应 力值

5.5.6测量极高压缩比时的特殊建议

前级压力，单位为帕(Pa)； 压缩比； D 临界前级压力，单位为帕(Pa)。

涡流分子泵的压缩比曲

附录A （资料性附录） 一些重要气体的平均自由程 平均自由程与压力的乘积是常数。表A.1给出了各气体在T=293.15K（20℃)时对应的平均自 由程和压力的乘积值（见参考文献[7]第921页）

表 A.1一些重要气体的平均自由程

B.2流量法测量体积流率的不确定度

见5.1。 根据体积流率计算公式（1)qv=Q/（p1一p。），以及不确定度计算公式（B.1)TB/T 3105.1-2009 铁道货车铸钢摇枕、侧架无损检测 射线照相检验，在忽略基础压力p 的情况下，体积流率的合成标准不确定度通过以下公式计算，

用公式（B.2)除以公式（1)，得到体积流率的相对合成标准不确定度为

B.3小孔法测量体积流率的不确定度

见5.2。 将公式(B.1)代入公式(5)

MZ/T 093-2017 中国福利彩票系统彩票随机数检验规范DdC p. D b"

用公式（B.4)除以公式（5），同时相对于pa和p。的基础压力Pta和pbe忽略不计，得到体积流率 对合成标准不确定度为：