[发明专利]一种基于激光干涉法的气体微流量测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及真空标准漏孔校准技术领域，具体涉及基于激光干涉法的气体微流量测量装置及方法。

背景技术

文献“‘Calibration apparatus of vacuum leak by using constant conductance method’MAPAN第22卷、2007年、第39页～44页”，介绍了中国LIP建立的基于固定流导法气体微流量计的真空标准漏孔校准装置，该文献提出通过测量气体微流量计内的固定流导(分子流状态)元件的流导值，结合流量计工作时测量的真空度，即可实现(10^-8～10^-3)Pam³/s的标准气体流量。

采用该方法的优点在于其利用了真空流导元件几何结构稳定，对应分子流状态流导恒定不变，结构简单等优点，获得标准气体流量，但由于该装置采用电容薄膜真空计作为主标准器，测量该流量计工作压力，受电容薄膜真空计零点稳定性、热流逸效应、膜片金属蠕变等因素的影响，引入了流量计最大的测量不确定度分量，导致该流量计不确定度高达1.2％，精度不高，无法满足真空量值精确溯源需求不断提高的现状。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于激光干涉法的气体微流量测量装置及方法，该测量装置及方法灵敏度高、响应快、分辨率高等特点，有效实现了气体微流量测量不确定度近5倍的减小。

本发明的具体实施方案如下：

一种基于激光干涉法的气体微流量测量装置，该测量装置包括流量计真空装置及激光干涉仪；将激光干涉仪的谐振腔与流量计真空装置的稳压室连通，利用激光干涉仪测得的频率与气体微流量的关系得出标准流量值，所述频率与气体微流量的关系采用固定流导法得到。

进一步地，所述频率与气体微流量的关系为Q为气体微流量；m为整数，无量纲；c为真空中的光速；d为谐振腔长度；f为频率；α为气体分子极化率；k为玻尔兹曼常数；T为稳压室温度；C为固定流导元件分子流流导。

进一步地，所述激光干涉仪包括工作激光器、参考激光器、分光镜、计算机、电流驱动器、锁相放大器、光电探测器、谐振腔及频率计；

谐振腔内部两端设置平面镜和凹面镜，折射率测量精度达到10^-11量级；工作激光器与参考激光器稳频精度达到10^-9量级；

工作激光器发出的工作激光经分光镜进入谐振腔，通过平面镜和凹面镜在谐振腔内谐振，电流驱动器及锁相放大器将工作激光的频率调整到发生谐振后，光电探测器测量工作激光器与参考激光器的拍频信号，经频率计测量并显示在计算机上。

进一步地，所述流量计真空装置由机械泵、分子泵、真空阀通过管路与稳压室相连，在所述管路上设有绝压式电容薄膜真空计，稳压室分别与供气瓶和固定流导元件连接；所述固定流导元件采用流导不同的多个固定流导元件并联使用，且几何尺寸达到μm量级。

进一步地，在所述管路上设有标准容积室，用于测量稳压室的容积；所述稳压室与压差式电容薄膜真空计并联，用于测量固定流导元件两端的压力值从而得到流导。

进一步地，所述谐振腔采用低膨胀率材料。

一种基于激光干涉法的气体微流量测量方法，具体测量方法如下：

步骤一、打开工作激光器、参考激光器、分光镜、计算机、电流驱动器、锁相放大器、光电探测器及频率计；

步骤二、打开机械泵和真空阀，对由稳压室、谐振腔以及管路共同构成的真空腔室进行抽气，当真空腔室内压力低于10Pa时，打开分子泵进行抽气，打开绝压式电容薄膜真空计测量稳压室内的真空度，当真空度小于或等于10^-4Pa时，达到极限真空度；

步骤三、将测量装置的固定流导元件与外部的真空校准系统连通；

步骤四、将供气瓶与稳压室连通，向稳压室内充入气体；

步骤五、由频率计得到谐振频率，读取计算机显示的谐振频率并计算得到气体微流量。

进一步地，所述固定流导元件为在流导不同的多个固定流导元件中选择一个，在所述步骤一之前，对标准容积室抽真空后利用标准容积室测量稳压室的容积，结合压差式电容薄膜真空计及绝压式电容薄膜真空计测得的固定流导元件两端压力值得到固定流导元件的流导值，根据待测标准气体流量的大小选择合适的固定流导元件；测量时，压差式电容薄膜真空计关闭。