1、34应用研究 APPLICATION RESEARCH CHINA INSTRUMENTATION2023年 第2期电容薄膜真空规校准方法的研究Research on Calibration Method of Capacitance Diaphragm Vacuum Gauges刘贝贝 刘 燚 蒋厚庸 周宇仁（上海市计量测试技术研究院，上海 200433）Liu Beibei,Liu Yi,JIang Houyong,Zhou Yuren(Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology,Shanghai 200433)摘要：本
2、文利用电容薄膜真空计校准装置、高精度数字压力计、稳压电源和数字多用表，采用比较法完成了对（11000）Torr绝压电容薄膜真空规的量值溯源，扩展不确定度为U=（0.690.02%）（k=2）。关键词：电容薄膜真空规 数字压力计 数字多用表Abstract：In this paper,the capacitance diaphragm vacuum gauge calibration device,high-precision digital pressure gauge,regulated power supply and digital multimeter are used to comp
3、lete the traceability of the(11000)Torr absolute capacitance diaphragm vacuum gauge with the comparison method.The expanded uncertainty is U=(0.690.02%)(k=2).Key words：Capacitance diaphragm vacuum gauge Digital pressure gauge Digital multimeter收稿日期：2022-10-10基金项目：基于真空衰减法的阳性样品校准装置的研制（E00RY2210）。作者简介：
4、刘贝贝（1992-），女，安徽亳州，回族，硕士，工程师，主要研究方向为压力真空计量检定。1 原理电容薄膜真空规包括绝压式电容薄膜真空规和差压式电容薄膜真空规。绝压式电容薄膜真空规是将膜片的一端密封成参考真空，另一端与被测腔体相通。差压式电容薄膜真空规是薄膜两端均通入气体，测量两端压力差5-6。JJF1503-2015 电容薄膜真空计校准规范 于2015年实施，上海市计量测试技术研究院在2017年研制了一套电容薄膜真空计校准装置，装置采用全金属设计，极限压力可达910-7Pa，静态升压率最佳可达110-5Pa/min。测量范围为（110-11104）Pa，可分别用膨胀法和比较法完成对电容薄膜真空
5、计的量值溯源7。与电容薄膜真空计不同的是，电容薄膜真空规测量信号为压力信号，输出为直流电压信号8-9。电容薄膜真空规是根据弹性薄膜在压差作用下产生应变而引起电容变化的原理而制成，当膜片受到压差作用时，膜片会发生偏移，导致电容量发生变化，最后经过测量转换电路将电容的变化转换为电压信号1-2。电容薄膜真空规与电子显示单元一起常作为低真空范围段的计量标准器具，具有测量准确度高、线性好、灵敏度高、测量结果与气体种类无关等特点，被广泛使用于航空航天、半导体、医药、化工等众多领域3-4。35APPLICATION RESEARCH 应用研究中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2023年
6、 第2期空规在接近平衡态的真空条件下进行校准。将膨胀室和校准室当做真空校准腔体，机械泵、分子泵和膨胀室组成一路抽气校准系统，机械泵、分子泵和校准室组成另一路抽气校准系统，膨胀室标准器为10Torr电容薄膜真空计、100Torr电容薄膜真空计和量程为200kPa（abs）的数字压力计，校准室标准器为1Torr电容薄膜真空计，两路系统可满足（11000）Torr电容薄膜真空规校准所需的压力。如图2所示为电容薄膜真空规电压测量示意图。图2为电压输出采集部分，其中稳压电源为电容薄膜真空规提供所需工作电源，数字多用表采集电容薄膜真空规在一定真空度值下输出的直流电压信号。电容薄膜真空规所需工作电源和信号输
7、出线根据说明书进行连接，输出电压信号与压力一般为线本文研究对象为绝压式电容薄膜真空规，将电容薄膜真空计校准装置和高精度数字压力计、电源、数字多用表组合，采用比较法完成对（11000）Torr绝压电容薄膜真空规的校准，并对测量不确定度进行了评定。2 校准装置概述电容薄膜真空规校准装置示意图如图1所示。图1校准装置为真空度输入部分，主要由机械泵、分子泵、氮气源、电容薄膜真空计、膨胀室、校准室等组成，既可以采用膨胀法，也可以采用比较法进行检测，本文采用其中的比较法。真空校准室和膨胀室均采用圆柱形金属容器，所有接口在同一水平面，这样可以保证电容薄膜真图1 电容薄膜真空规校准装置示意图36应用研究 AP
8、PLICATION RESEARCH CHINA INSTRUMENTATION2023年 第2期3.4 各输入量的不确定度评定3.4.1 被校电容薄膜真空规实际测量值的相对标准不确定度ur(ud)ud的测量不确定度主要来源于测量重复性和电压表的准确度。（1）测量重复性引入的相对标准不确定度ur(ud1)在1.020Torr压力点对电容薄膜真空规进行3次重复测量，测量结果为1.020V、1.020V、1.019V，按JJF 1059.1-2012要求，在测量次数较少时采用极差法计算标准不确定度，该项相对标准不确定度为：（5）（2）电压表引入的标准不确定度ur(ud2)电压表10V档准确度为（0
9、.0035%rdg+0.0005%FS），该项相对标准不确定度估计为：（6）3.4.2 压力标准装置引入的相对标准不确定度ur(ustd)（7）pstd的不确定度来源主要有：标准真空计校准值、标准真空计稳定性以及校准条件引入的不确定度。（1）标准真空计校准值的不确定度根据溯源证书确定ur(ustd1)=0.03%。（2）标准真空计稳定性引入的不确定度分量估计为ur(ustd2)=0.1%。（3）校准条件引入的不确定度分量ur(ustd3)用比较法真空标准装置校准薄膜真空规，u(ustd3)表现为由于不同法兰位置的压力差对校准造成的影响。对于p100Pa的压力点，该项按照0.1%估计；对于p10
10、0Pa，该项可忽略。3.5 扩展不确定度使用电容薄膜真空计校准装置和数字压力计作为标准器依次对1台量程1Torr、1台量程10Torr、1台量程100Torr、1台量程1000Torr的电容薄膜真空规进行校准并对测量不确定度进行评定。如表14所示。性关系，输出电压范围为010V，所以可选用量程为010V的数字多用表采集电压输出信号。图2 电容薄膜真空规电压测量示意图3 不确定度评定3.1 电容薄膜真空规示值相对误差的数学模型：（1）式中：e为被校电容薄膜真空规的示值相对误差；ustd为标准压力值对应的理论计算值，V；ud为被校电容薄膜真空规的实际测量值，V。3.2 灵敏系数（2）（3）3.3
11、不确定度评定（4）式中：u(e)为被校电容薄膜真空规示值相对误差的标准不确定度；ur(ud)为被校电容薄膜真空规实际测量值的相对标准不确定度；ur(ustd)为压力标准装置引入的相对标准不确定度。37APPLICATION RESEARCH 应用研究中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第2期4 结论本文根据绝压电容薄膜真空规的测量原理和测量范围，将电容薄膜真空计校准装置和高精度数字压力计、稳压电源、数字多用表组合，采用比较法完成了对（11000）Torr绝压电容薄膜真空规的量值溯源，并通过电容薄膜真空规的输出电压与对应的真空度之间的关系，对不确定度进行了评定，扩
12、展不确定度为：（11000）Torr，U=（0.690.02%）（k=2）。结果表明，该方法适用于电容薄膜真空规的日常校准工作。参考文献1 孟岳.电容薄膜真空计感压膜片力学特性研究D.兰州理工大学，2020.2 贾春旺.电容薄膜真空计及其相关技术研究D.兰州理工大学，2021.3 李刚，韩晓东，周超，等.MEMS电容薄膜真空计关键技术研究J.真空与低温，2022，28（04）：403408.4 韩晓东，李刚，冯勇建，等.MEMS电容薄膜真空计及其性能研究J.真空与低温，2022，28（04）：397402.5 刘贝贝，张书令，许红.电容薄膜真空计校准装置的研制J.中国仪器仪表，2020（09）
13、：7780.6 冉欣，冯焱，成永军，等.电容薄膜真空计测量误差修正方法研究J.真空与低温，2022，28（04）：445452.7 刘兴胜.电容薄膜真空规的正确使用J.计量技术，2014（09）：8788.8 侯少毅，胡强，卫红，等.电容薄膜真空计用金属膜片电容传感器设计J.自动化与信息工程，2021，42（03）：3539.9 杜春林，常冬林，许忠旭，等.真空环境下电容薄膜规测量偏差的原因分析J.真空，2013，50（04）：5860.表1 1Torr薄膜真空规测量不确定度评定结果标准压力值(Torr)u理论计算值（V）u实际测量值（V）U(k=2)%0.00000.000 0.000/0.
14、10121.012 1.0050.690.20112.011 2.0050.540.40394.039 4.0310.320.60616.061 6.0560.310.80238.023 8.0180.301.019410.194 10.1910.22表2 10Torr薄膜真空规测量不确定度评定结果标准压力值(Torr)u理论计算值（V）u实际测量值（V）U(k=2)%0.0000.000 0.000/1.0201.020 1.0200.242.0142.014 2.0140.224.0124.012 4.0110.226.0446.044 6.0410.218.0198.019 8.0140
15、.2110.07610.076 10.0690.21表3 100Torr薄膜真空规测量不确定度评定结果标准压力值(Torr)u理论计算值（V）u实际测量值（V）U(k=2)%0.000.000 0.000/10.301.030 1.0250.2220.502.050 2.0450.2140.774.077 4.0660.2160.436.043 6.0320.2180.538.053 8.0410.21100.5510.055 10.0440.26表4 1000Torr薄膜真空规测量不确定度评定结果标准压力值(Torr)u理论计算值（V）u实际测量值（V）U(k=2)%0.000.000 0.000/100.01.000 1.000 0.08200.02.000 2.000 0.04400.04.000 4.000 0.02600.06.0006.0000.02800.08.000 8.000 0.021000.010.000 10.000 0.02由表14可得，电容薄膜真空规示值相对误差的扩展不确定度为：(11000)Torr，U=（0.690.02%）（k=2）（8）由于选取的是带有温度补偿的高精度电容薄膜真空规，其不确定度主要来源于装置，可以代表本项目的校准和测量能力，故本项目校准和测量能力CMC为：(11000)Torr，U=（0.690.02%）（k=2）（9）