张旭敏，魏居锋，刘克先

（深圳中航技术检测所，广东深圳518040）

真空标准装置建标分析探讨

张旭敏，魏居锋，刘克先

（深圳中航技术检测所，广东深圳518040）

依据计量标准考核的要求，通过对计量标准的工作原理，不确定度的评定及进行重复性、稳定性指标和不确定度的验证考核，建立真空标准装置符合量值传递的标准器组

真空计；真空规；计量建标

1 建立计量标准的目的

比较法真空标准装置主要用于真空量值的比对和校准，为了使真空量值准确可靠的传递，确保真空量值准确一致，需要建立比较法真空标准装置。

比较法真空标准装置的建标，可用于校准压力范围为1.7×10-1Pa～1×105Pa的各类真空规，将有助于真空量值的准确传递，更好地为国防军工生产和型号任务服务，具有十分重要的实用价值。

比较法真空标准装置可以校准压阻真空计、工作用热传导真空计[1，2]。

2 计量标准的工作原理及组成

2.1 工作原理

比较法真空标准装置采用动态比对和静态比对两种方法，参照标准采用.高精密133 Pa和1.33×105 Pa的电容薄膜规。两个主标准器经膨胀式真空标准校准给出的不确定度均为2%.

2.2 计量标准组成

比较法真空标准装置由校准室、微调阀（针阀）、参照标准、被校真空规、超高真空角阀、高真空电磁阀和真空泵等几部分组成。工作原理如图1所示。

图1 真空标准装置原理图

2.3 校准方法和依据的检定规程

2.3.1.校准方法

将被校准的真空计与参照标准接到同一校准室上，通过微调阀调节校准室中的压力校准点，当校准室中的压力达到动态平衡或静态平衡时，被校真空计和参照标准同时测量校准室中的同一压力，将测量结果直接比对，给出压力示值误差。

2.3.2.依据的技术规范：

JJG1050-1996《工作用热传导真空计校准规范》JJG932-1998《压阻真空计检定规程》

3 计量标准器及主要配套设备

计量标准器及配套设备的配置应当科学合理，完整齐全，并能满足开展检定或校准工作的需要。计量特性必须符合相应计量检定规程或技术规范的规定[4，5]。标准配置如表1.

表1计量标准器及主要配套设备

不确定度制造厂检定检定名称型号测量范围或准确度及出厂或校或校计等或最大编号准机准证量允许误差构书号标薄膜真VGC402/规管133Pa2%准空计CDG025D器薄膜真VGC402/规管1.33×105Pa2%空计CDG025D主数字多187（0～1000）V0.03%～0.4%要用表配绝缘电套阻表ZC25B-3（0～500）MΩ 1.70%设备秒表PC396分辨力0.01s

4 计量标准的主要技术指标

图2 计量标准的量值溯源和传递框图

（1）测量范围：

工作用热传导真空计：（1.7×10-1～102）Pa；

压阻真空计：（103～105）Pa

（2）根限压力：8×10-5Pa，静态升压率小于：10-2Pa/min

（3）测量不确定度：

工作用热传导真空计：U=13.6%，k=2；

压阻真空计：U=5.8%，k=2

5 环境条件

环境条件及设施应当满足开展检定或校准工作的要求，并按要求对环境条件进行有效监测和控制；根据JJG932-1998《压阻真空计检定规程》的检定条件要求[3]：环境温度为（23±5）℃，环境相对湿度不大于80%RH；因此按实际情况本项目环境条件要求与实际情况如表2.

表2 环境条件

6 计量标准的量值溯源和传递框图

JJF1033-2008《计量标准考核规范》4.1.2计量标准的溯源性要求：为了保证计量标准的溯源性，计量标准的量值应当定期溯源至国家计量基准或社会公用计量标准；当不能采用检定或校准方式溯源时，应当通过比对的方式，确保计量标准量值的一致性[1]。量值溯源和传递框图如图2.

7 计量标准的重复性试验

选择被测真空计，在3.00×10-1Pa的压力点，用真空计标准装置重复测量10次[1]，数据如表3：

表3 测量重复性数据/Pa

得到的重复性不确定度1.8%，小于测量不确定度评定中的重复性不确定度数据4.2%，符合JJF1033-2008《计量标准考核规范》关于重复性试验的要求。

8 计量标准的稳定性试验

在3.00×10-1Pa处用标准真空计对被测真空计进行10次连续测量，记录标准真空计示值。所得结果经计算后即为比较法真空标准装置的测量稳定性。检测结果如表4.

表4 计量标准稳定性考核测量结果/Pa

变化量为0.4×10-1Pa，小于计量标准的最大允许误差，故本装置的稳定性符合规范要求。

9 校准结果的测量不确定度评定

9.1 工作用热传导真空计不确定度评定

9.1.1.适用范围

适用于工作用热传导真空计的校准不确定度分析。

9.1.2.引用标准/文件

JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》

JJF1050-1996《工作用热传导真空计校准规范》

9.1.3.测量不确定度分析

（1）测量方法简述

采用与标准比对的方法进行校准。将工作用热传导真空计与标准真空计接在比对系统的对应位置上，标准真空计测得的值作为标准值，将工作用热传导真空计的示值作为测量结果。在全量程范围内，将测量结果与标准值进行比对，就可得到一系列比对数据。

（2）数学模型

式中：Xi为第i个工作用热传导计示值；Yi为第i个标准值。

用最小二乘法进行线性拟合来评定整体的不确定度。选用Origin软件。Origin软件对于Yi=A +BXi进行线性拟合的公式为：

截距Yi=Y軍-BX軍

校准模型取对数后线性拟合为：

lgyi=a+blgxi

式中：yi为拟合修正后的真空度Pa；xi为测量结果Pa.

处理后：

yi＝10a×xbi

由于Y=lgy，如果对Y积分，可以得到：

这样就可以得到相对不确定度。

在实际工作中，还会存在高真空、仪表示数非零问题。对于本例中使用的数字仪表，校准模型应是yi=10a×+p0，由于p0极小，仅在头一个量级才需要稍加修正，对不确定度评定的影响可以忽略。而且仪表室按照标准特性曲线定度的，故b与1非常接近，这样就简化成yi＝k×xi.在Origin软件中，只需在拟合时进行斜率为1的直线拟合。表5分别是直接线性拟合和b=1的线性拟合的结果。

表5 线性拟合结果表

Origin软件求得标准实验室的计算公式是

式中：N为测量点数。

（3）测量不确定度来源

1）上级标准传递的不确定度分量

在校准过程中，是将标准真空计测得的值作为标准值，所以要将引入标注值所带来的不确定度也计算在内。标准真空计的不确定度在10%（k=3）以内，可以按标准不确定度为3.3%计算。

2）仪表分辨力引入的不确定度

仪表的分辨力会导致一定的不确定度，遵循矩形分布。一般被测真空计示数为两位有效数字，故在1.0附近，会带来5.8%（k=1）的不确定度。

9.1.4.合成标准不确定度：

全量程拟合的不确定度为5.9%（见上表），而仪器的分辨力引入的标准不确定度为5.8%，相互覆盖关系，只取5.9%即可。合成标准不确定度为：

9.1.5.扩展不确定度

包含因子k取2，则：

U=k×u=2×6.8%=13.6%

9.2 压阻真空计不确定度评定

9.2.1 适用范围

适用于压阻真空计的校准不确定度分析。

9.2.2 引用标准/文件

JJF 1059—2000《测量不确定度评定与表示》；

JJG 932—1998《压阻真空计检定规程》。

9.2.3 测量不确定度分析

（1）测量方法简述

采用与标准真空计直接比对的方法进行校准。将被校压阻真空计与标准真空计接在比对系统的对应位置上，标准真空计测得的值作为标准值，将被校压阻真空计的示值作为测量结果。在全量程范围内，测量10次，将测量结果的算术平均值与标准值进行比对，就可得到一系列比对数据。

（2）数学模型

Y=x軃-x

式中：x为标准真空计示值；Y为被校压阻真空计的示值误差；x軃为被校压阻真空计的算术平均值。

（3）测量不确定度来源

1）重复测量引入的不确定度u1

选用被校压阻真空计，在3.00×102Pa处重复测量10次，用A类评定方法评定。结果如表6.

表6 压阻真空计数据表/Pa

2）上级标准传递的不确定度分量u2

在校准过程中，将标准真空计测得的值作为标准值，所以要将引入标注值所带来的不确定度也计算在内。标准真空计的不确定度在U=2%（k=2）以内，可以按标准不确定度为1.0%计算。

9.2.4 合成标准不确定度

重复测量引入的标准不确定度u1和标准真空装置所带来的不确定度u2分别为1.0%和4.2%.因此，合成标准不确定度为：

9.2.5 扩展不确定度

包含因子k取2，则：

U=k×u=2×2.9%=5.8%

10 检定或校准结果的验证

测量不确定度评定后，采用校准法对不确定度进行验证，选择一电阻真空计，经自检测一组数据后，送上级法定计量检定机构测得一组数据，后将两组数据进行比较，看是否满足|Y-YO|≤U的要求，

将被校电阻真空计，取相同的压力校准点6.26 ×10-1Pa经测得的两组数据如表7.

表7 电阻真空计数据表/Pa

根据JJF1033-2008附录C中C.2.2.3中式

|Y-YO|=0.12×10-1Pa≤U

所建立比较法真空计标准装置满足|Y-YO|≤U的要求。

11 结束语

经分析与验证表明，比较法真空标准装置满足国家计量检定规程JJF1050-1996《工作用热传导真空计校准规范》、JJG932-1998《压阻真空计检定规程》的要求，可以开展其技术指标，依据检定规程和校准规范，开展真空规的校准工作[1，2，4，5]。

[1]JJF1033-2008计量标准考核规范[S]，北京：中国计量出版社，2008.

[2]JJF1059.1-2012测量不确定度评定与表示[S]，北京：中国计量出版社，2012.

[3]JJF1001-1998通用计量术语及定义[S]，北京：中国计量出版社，1998.

[4]JJF1050-1996《工作用热传导真空计校准规范》[S]，北京：中国计量出版社，1996.

[5]JJG932-1998《压阻真空计检定规程》[S]，北京：中国计量出版社，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

张旭敏（1964-），男，广西人，硕士，高级工程师，从事机电工程、检测测试工作；魏居锋（1967-），男，山东人，硕士，高级工程师，从事计量检定、校准测试工作；刘克先（1967-），男，湖南人，学士，高级工程师，从事计量检定、校准测试工作；