磁悬浮转子真空计校准规范

JJF1962—20221磁悬浮转子真空计校准规范1范围本规范适用于测量范围在(1×10-4~1)Pa以内的磁悬浮转子真空计的校准。2引用文件本规范引用了下列文件:JJF1008—2008压力计量名词术语GB/T3163—2007真空技术术语GB/T3164—2007真空技术图形符号GB/T34873—2017真空计与标准真空计直接比较校准GB/T34876—2017真空技术真空计与标准真空计直接比较校准结果的不确定度评定凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3术语和计量单位3.1术语3.1.1真空计vacuumgauge测量低于大气压力的气体或蒸汽压力的一种仪器。[GB/T3163—2007,定义4.1.2]3.1.2磁悬浮转子真空计magneticsuspensionspinningrotorgauge根据磁悬浮转子转速的衰减与其周围气体分子的外摩擦有关的原理制成的真空测量仪表。[JJF1008—2008,定义11.30]3.1.3校准室calibrationchamber标准装置中用于安装被校准仪器的真空室。3.1.4残余压力residualpressure校准室内所能达到的最低压力。[ISO3567:2011(E),定义3.16]3.1.5适应系数accommodationfactor,σ磁悬浮转子真空计压力测量值与标准压力值之比。3.1.6残余阻尼residualdrag,poffs磁悬浮转子真空计测量压力时,由于转子的磁场不均匀而产生的涡流造成转子转速下降,引起的真空计显示压力值。3.2计量单位2磁悬浮转子真空计所测量的压力使用的计量单位为帕斯卡(Pa)。4概述磁悬浮转子真空计(以下简称转子真空计)是基于在一定条件下转子转速的衰减与其周围气体分子的外摩擦有关的原理制成的真空测量仪器。转子真空计由转子(压力传感器)、线圈和电子显示单元组成。转子真空计的结构如图1所示。水平方向的真空管2通过法兰连接在真空系统校准室上，转子1位于真空管内部，与校准室联通。转子通常为不锈钢材质，直径约4.5mm,可自由悬浮于由永磁体3提供的磁场中。叠加稳定线圈4和8产生的磁场用于固定转子在适当的位置。四个驱动线圈5产生旋转磁场，使得转子以440Hz左右的初始频率围绕旋转轴7转动。关闭旋转磁场后，由于气体分子的撞击，转子的转速会下降，转子的相对减速率为测量信号，该信号由信号线圈6获得。转子真空计测量的压力值是相对减速率的函数，可以通过数学模型计算得到。由于转子的磁场不均匀会产生残余阻尼，因此需要残余阻尼减去。a)1——转子；2——真空管；3——永磁体；4——两个竖直方向的稳定线圈；5——四个驱动线圈；6——两个信号线圈；7——旋转轴；8——四个水平方向的稳定线圈5计量特性5.1残余阻尼残余阻尼不大于1×10-3Pa。5.2适应系数适应系数为0.95≤o≤1.05。JJF1962—202236校准条件6.1环境条件6.1.1校准的环境温度为(18~23)℃,校准过程中,环境温度波动度不超过1℃。6.1.2环境相对湿度不大于80%。6.1.3校准设备周围应无影响测量结果的热源、磁场等外界干扰,周围不应有明显的振动。6.2测量标准及其他设备6.2.1测量标准装置标准装置采用静态膨胀法真空标准装置,在(1×10-4~1)Pa的相对扩展不确定度应不大于1.0%(k=2)。5min内校准室静态升压量应小于2×10-6Pa。6.2.2其他设备其他配套设备见表1。表1配套设备序号仪器设备名称技术要求用途1电离真空计范围:(5×10-7~1×10-2)Pa在10-4Pa量级不确定度Urel优于50%(k=2)监测真空系统残余压力2不间断电源(UPS)容量大于450VA/50W输出电压不超过220,(1±5%)VAC用于给转子真空计持续供电并稳定电压3温度记录仪测量范围:(0~50)℃分辨力不大于0.1℃最大允许误差优于±0.5℃用于测量校准室及环境温度4氮气源气体纯度99.9%或以上提供校准用气体注:根据客户要求也可采用其他气体。7校准项目和校准方法7.1校准项目7.1.1残余阻尼。7.1.2适应系数。7.2校准方法7.2.1准备工作7.2.1.1安装将转子所在法兰安装于静态膨胀法真空标准装置校准室竖直方向活套法兰上,如图2和图3所示。4V图2静态膨胀法真空标准装置校准转子真空计安装图图3转子规安装示意图a)转子旋转轴(线圈轴向)与竖直方向的夹角应小于1°;b)安装用螺钉应采用无磁不锈钢螺钉。安装完毕后应尽快对真空系统抽气，并进行检准室压力低于1×10-4Pa后再开启转子阀门。通常情况下，真空系统在安装转子后，不进行烘烤除气，而采用长时间抽气的方式降低放气率，当5min内校准室静态升压量注：由于烘烤会造成磁悬浮转子真空计适应系数发生较大变化，因此在真空系统必须烘烤时，需要征得客户同意，并在烘烤后对转子重新进行磁化。磁化后，应按照说明书检查磁化强度是否符合要求，必要时，需要对转子进行优化。待真空系统压力低于1×10-4Pa后，开启转子真空计。待转子正常运转4h且真空系统内的残余压力低于1×10-6Pa后，记录转子真空计的气体种类、残余阻尼、适应按表2对转子真空计进行设置。表2转子真空计参数设置残余阻尼转子转速(低)转子转速(高)采样时间S温度℃0实测待真空系统压力值低于1×10-6Pa后，连续记录10～20个真空计读数，将其平均值作为转子真空计的残余阻尼。注：正常情况下，残余阻尼应该在10-4Pa量级，若残余阻尼大于1×10-3Pa,那么需要检测转子的磁化强度，若达不到说明书要求，则需要重新对转子进行磁化。JJF1962—202257.2.3适应系数7.2.3.1测量残余阻尼poffs在达到所校准的压力点之前和之后,分别测量残余阻尼,用两次平均值作为该压力点的残余阻尼。注:若4h内真空系统校准室的温度在0.1℃以内波动,则可采用计算机记录残余阻尼及转速,做出残余阻尼与转速的曲线。7.2.3.2标准装置的压力值pstd和转子真空计的压力示值pind在测量范围内应至少选择6个压力校准点,每个数量级内校准点应不少于2个,校准点的选取可与客户协商确定。标准装置按压力由低到高的顺序逐个建立所需要校准点,其压力值应在约定校准点的±10%以内。对每个压力点,稳定1min后开始记录转子真空计的读数,连续记录10个数据,将其平均值作为该压力点的pind。记录标准装置产生的压力值,记录格式见附录A。7.2.3.3数据处理转子真空计每个压力点的适应系数σ由式(1)给出。(1)σ=(1)式中:pstd—标准装置的压力值,Pa;pind—转子真空计的压力示值,Pa;poff转子真空计残余阻尼,Pa。通常情况下,适应系数的不确定度应逐点给出,具体评定示例见附录C。7.2.4拆卸校准完成后,先对转子减速,待转子转速为0后,关闭转子真空计电源,如果带阀,还需要关断阀门。然后依次关停真空系统,充气,最后将转子从真空系统上拆卸下来。8校准结果表达8.1校准记录格式见附录A。8.2校准证书出具校准证书,校准证书应包括信息及校准证书校准(内页)格式见附录B。8.3校准结果报告校准结果的不确定度评定参照附录C。9复校时间间隔转子真空计的复校时间间隔建议为2年。由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的,因此,送校单位可根据实际情况自主决定复校时间间隔。JJF1962—20226附录A磁悬浮转子真空计校准记录格式客户名称:客户地址:器具名称:生产厂商:数字表型号规格:出厂编号:转子编号:校准日期:环境温度:℃环境湿度:%RH校准地点:校准用气体:证书编号:标准器信息:校准结果:标准压力pstdPa转子真空计测量值/Pa适应系数σ不确定度Urel(k=2)/%poffs1pindpoffs2残余阻尼:抽气时间:烘烤:阀门:参数设置气体种类残余阻尼Pa适应系数转子转速(低)/Hz转子转速(高)/Hz采样时间s温度℃校准前参数设置校准实验参数设置N201.000430440设置7附录B环境温度:校准地点:校准结果:校准证书(内页)格式%RH℃环境湿度:%RH℃校准用气体:标准压力pstdPa转子真空计测量值(pind-poffs)/Pa适应系数α不确定度Urel(k=2)/%残余阻尼:抽气时间:烘烤:阀门:参数设置气体种类残余阻尼Pa适应系数转子转速(低)/Hz转子转速(高)/Hz采样时间s温度℃校准前参数设置校准实验参数设置N201.000430440设置说明:转子法兰从真空系统上拆卸、运输、再安装会使得转子适应系数产生0.3%~0.5%的变化量;运输过程中用磁铁长时间固定转子会使得转子适应系数产生1%以上的变化量。JJF1962—20228附录C适应系数校准的测量不确定度评定示例C.1测量模型磁悬浮转子真空计适应系数:(C.1)σ=(C.1)式中:σ—适应系数;pind—转子真空计压力示值,Pa;poffs—转子真空计残余阻尼,Pa;pstd—标准装置的压力值,Pa。C.2不确定度来源C.2.1显示值的相对标准不确定度ur(pind)。C.2.2残余阻尼的相对标准不确定度ur(poffs)。C.2.3标准压力值的相对标准不确定度ur(pstd)。C.3合成标准不确定度计算公式由公式(C.1)可得:ucσ=cpindurpind2+cpoffsurpoffs2+cpstdurpstd2(C.2)其中相对灵敏系数:pindσcpindpindσpoffsσ×cppoffsσ××1-1cpstd××-1C.4输入量的标准不确定度评定C.4.1真空计显示值的相对标准不确定度ur(pind)真空计通常显示为5位有效数字,分辨力足够小,故而用引入的测量重复性作为该项的不确定度。校准要求取10次数据,如表C.1所示,以平均值作为该压力点的示值,用贝塞尔公式计算该项不确定度为6.0×10-7Pa,相对标准不确定度urpind=6.0×10-73.3×10-2=6.0×10-73.3×10-2表C.1转子真空计示值单位为Pa3.3516×10-23.3513×10-23.3515×10-23.3513×10-23.3518×10-23.3515×10-23.3518×10-23.3514×10-23.3517×10-23.3517×10-2JJF1962—2022C.4.2残余阻尼的相对标准不确定度ur(poffs)测量残余阻尼应包括两项,其一是残余阻尼的测量重复性,用贝塞尔公式计算该项不确定度;其二是残余阻尼变化量,用建立压力点之前和之后测量得到残余阻尼之差的一半,即poffs1-poffs2作为该项不确定度。10次残余阻尼数据如表C.2所示,测量重复性为5.2×10-7Pa。表C.2残余阻尼单位为Pa8.3359×10-48.3242×10-48.3425×10-48.3574×10-48.3502×10-48.3436×10-48.3171×10-48.3266×10-48.3725×10-48.3401×10-4两次残余阻尼分别为8.3410×10-4Pa和7.9751×10-4Pa,poffs1-poffs2=1.83×10-5Pa。相对标准不确定度为urpoffs==5.5×10-4C.4.3标准压力值的相对标准不确定度分量ur(pstd)引用标准装置建标报告给出的不确定度,在3.3×10-2Pa装置产生压力值的相对标准不确定度为7×10-4。此外,由于实验过程中环境温度升高0.3℃,进行了两次膨胀,环境温度造成的影响为2.0×10-3。urpstd==2.