复合真空变送器的校准及不确定度分析

/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

复合真空变送器，是将电阻测量单元和电离测量单元组合在一个单元内，广泛用于半导体、电子元件、真空炉、冷冻干燥、真空冶炼、真空镀膜等各种制造设备的低、中、高真空系统的压力测量和控制。

电阻测量单元通过热丝电阻的变化反映压力，输出信号一般为电压信号，主要用于粗、低真空的测量；电离测量单元原理基于待测气体的压力与气体电离产生的电流呈正比关系，输出信号一般也为电压信号，主要应用于高真空和超高真空测量[1-3]。复合真空变送器将电阻测量单元和电离测量单元集成在一个规管中，并采用集成电路实现了电阻测量单元和电离测量单元的自动切换，可通过与显示器连接来显示真空压力，也可通过输出电压信号至PLC系统实现自动化控制，克服了传统的真空规管必须和显示器连接才能读取真空压力以及用两个规管分别测量高低真空压力的缺陷[4]。复合真空变送器有效地降低了安装、设置和集成的复杂性，在未来将会得到更为广泛的应用。因此，复合真空变送器的校准也是真空计量有待解决的一个问题。本文用两台校准装置分别完成了对复合真空变送器的电阻测量单元和电离测量单元的校准，并对测量不确定度进行了评定。

1 校准装置

图1为复合真空变送器电阻测量单元校准装置。其中氮气源、机械泵、分子泵、标准电容薄膜真空计组组成输入部分，提供所需的真空度值到电阻测量单元，具体数值由电容薄膜真空计显示。电源和数字多用表组成输出部分，电源为复合真空变送器电阻测量单元提供电压，数字多用表采集变送器在一定真空度值下电阻测量单元转换输出的直流电压信号。电阻测量单元的主要测量范围为10-1～103Pa，可选择 1 Torr（0.133 kPa）、10 Torr（1.33 kPa）、和100 Torr（13.3 kPa）的电容薄膜真空计组合作为比较标准。

图1 复合真空变送器电阻测量单元校准装置

图2为复合真空变送器电离测量单元校准装置。该校准装置输入部分采用动态比较法，主要由氮气源、稳压室、分子泵、机械泵、校准室、下游室、电离真空计、电容薄膜真空计、磁悬浮转子真空计、磁悬浮分子泵组成，其中磁悬浮转子真空计显示校准室标准压力，测量范围为10-4～10-1Pa；输出部分由电源和数字多用表组成，其中电源为复合真空变送器电离测量单元提供电压，数字多用表采集变送器在校准室标准压力下电离测量单元转换输出的直流电压信号。

图2 复合真空变送器电离测量单元校准装置

2 校准结果

典型的复合真空变送器的输出电压与对应的真空度之间的关系为

式中：p—— 真空度值，kPa；

u—— 被测复合真空变送器电阻测量单元在真空度为p时的理论输出直流电压值，V；

c、k—— 复合真空变送器电阻测量单元物理常数

由式（1）可知，真空度值可表示为

复合真空变送器电阻测量单元对应的真空度示值相对误差为

式中：p'—— 复合真空变送器电阻测量单元对应的真空度示值，kPa；

p—— 实际真空度值，kPa所以复合真空变送器电阻测量单元输出电压的示值误差可表示为

以一种复合真空变送器为例，c= 5.6、k= 0.6，表1给出了不同真空度示值相对误差δ对应的输出电压示值误差Δu。

表1 不同δ范围对应的Δu范围

其中复合真空变送器电阻单元相关校准规范[5]示值相对误差δ要求为-50%≤δ≤50%，对应的Δu为（-0.181 V，0.106 V）；复合真空变送器电离单元相关校准规范[6]示值相对误差δ要求为-60%≤δ≤100%，对应的Δu为（-0.239 V，0.181 V）。

3 不确定度分析

3.1 复合真空变送器电阻测量单元不确定度分析

复合真空变送器电阻测量单元输出电压的示值误差模型为

式中：p—— 标准真空度，kPa；

u'—— 被测复合真空变送器电阻测量单元在标准真空度为p时的实际输出直流电压值，V；

u—— 被测复合真空变送器电阻测量单元在标准真空度为p时的理论输出直流电压值，V；

c、k—— 复合真空变送器电阻测量单元物理常数

由式（5）可知，复合真空变送器电阻测量单元测得结果的标准不确定度主要由标准真空度p的标准不确定度和实际输出直流电压值u'的标准不确定度组成，标准真空度p由标准薄膜真空计组获得，实际输出直流电压值u'由数字多用表获得。在实际测量过程中，一般连续多次测量，取平均值作为测量结果，所以复合真空变送器电阻测量单元测得结果的标准不确定度，主要由标准薄膜真空计组引入的标准不确定度和数字多用表引入的标准不确定度以及测量重复性引入的标准不确定度组成。

3.1.1 测量重复性引入的标准不确定度u(u1' )

在相同的测量情况下，对某种复合真空变送器在1.00 Pa重复做10次测量，测量结果为5.60 V、5.59 V、5.59 V、5.58 V、5.58 V、5.60 V、5.58 V、5.60 V、5.58 V、5.58 V，该过程属于A类不确定度评定，则标准不确定度为

3.1.2 标准薄膜真空计组引入的标准不确定度u(p)

标准薄膜真空计组在1.00 Pa时的相对扩展不确定度Urel= 2%（k= 2），所以此项引入的相对标准不确定度为urel(p) = 1%。

则输入量p的标准不确定度为

3.1.3 数字多用表的标准不确定度u(u2' )

数字多用表在10 V档的最大允许误差为±0.000 9 V，属于均匀分布，则

3.1.4 合成标准不确定度

根据式（5）可知

表2为标准不确定度分量汇总表。

表2 复合真空变送器电阻测量单元标准不确定度分量汇总表

各分量之间彼此独立，所以合成标准不确定度为

取包含因子k= 2，扩展不确定度为

U= 0.02 V(k= 2)

3.2 复合真空变送器电离测量单元不确定度分析

3.2.1 测量重复性引入的标准不确定度u(u1' )

在相同的测量情况下，对复合真空变送器在8.40×10-4Pa重复做10次测量，测量结果为3.76 V、3.75 V、3.75 V、3.75 V、3.74 V、3.76 V、3.75 V、3.76 V、3.76 V、3.74 V。该过程属于A类不确定度评定，则标准不确定度为

3.2.2 磁悬浮转子真空计引入的标准不确定度u(p)

复合真空变送器电离测量单元与电阻测量单元的数学模型是一样的，唯一不同的是电阻测量单元的标准真空度值由标准薄膜真空计组获得，而电离测量单元的标准真空度值由磁悬浮转子真空计获得，所以标准真空度p的标准不确定度来源于磁悬浮转子真空计。磁悬浮转子真空计示值相对误差为±1%，属于均匀分布，则磁悬浮转子真空计引入的相对标准不确定度urel(p)为

则输入量p的标准不确定度为

3.2.3 数字多用表的标准不确定度u(u2' )

表3为标准不确定度分量汇总表。

表3 复合真空变送器电离测量单元标准不确定度分量汇总表

各分量之间彼此独立，所以合成标准不确定度为

取包含因子k= 2，扩展不确定度为

4 结语

本文根据复合真空变送器的测量原理和测量范围，建立了两种测量装置分别对复合真空变送器的电阻测量单元和电离测量单元进行校准，测量范围为10-4～105Pa，并通过复合真空变送器的输出电压与对应的真空度之间的关系，分别分析了电阻测量单元和电离测量单元的不确定度。以某种复合真空变送器为例，电阻测量单元和电离测量单元测量结果的扩展不确定度均为0.02 V（k= 2）。结果表明，这两套装置可以很好地完成对复合真空变送器的校准。

[1]朱武，干蜀毅. 真空测量与控制[M]. 合肥：合肥工业大学出版社，2008.

[2]王逊. 常用真空计的测量范围及其性能[J]. 真空，2004，41（4）：47-48.

[3]李得天，陈旭，于红燕，等. 中国真空计量发展概述[J]. 真空与低温，2004，10（1）：6-16.

[4]张书令，许红. Pirani真空变送器的校准[J]. 上海计量测试，2011（6）：22-24.

[5]全国压力计量技术委员会 . JJF 1050-1996[S]. 北京：中国计量出版社，1996.

[6]全国压力计量技术委员会 . JJF 1062-1999[S]. 北京：中国计量出版社，1999.