测量微小气体流速的离子流量计.docx

1、1)01:10.16428/ll4827/t.1994.05.015测量微小气体流速的离子流量计D.V.Morgan等的电子一离子对，收集电流随气流而发生变化。文献中所描述的流量计其流速(量)限制到ft(司9气流c2_=v=C.放电deC2图1()流量计的基本原理，流量计电路原理.1.前盲过去，人们采用电离技术测量气体流速。该技术涉及管中产生的.由外电路收集和测量lmgs-i或更高。类似于Lovelock和Wasile-wska设计的复合流量计似乎最适合于下列条件的研究：(1)仪器与气体的线性速度有关,工作在气体容易(分离)的压力范围。(2)能用差动方法收集离子，以消除大的“噪声电流放电。(3

2、)能准确、方便地测量预计的小于O.lnA的收集电流。本文报导上述流量计的最新发展状况，它是采用放在离子源上游和下游的两个电离室测气流。差动结构有助于在没有气流时就能抵消放电源扩散的本底噪声，确保气流引起的差动电流准确测量。差动结构还保证流量计工作在低于0.30mgs-i的流速。2.差动海子放电流量计的工作原理流量计的工作原理示于图1。图1(&)中的电离室C】和C2收集放电电流离子。在没有气流的情况下，每一个电离室收集的电荷量是相同的。随着气体的流动，一些离子离开Cl,而一些离子进入C2。用差动方法测量电离室Cl和C2的电流变化。采用图1(b)中的电路就能达到此目的。这种结构将减小C】和C2放电

3、电流噪声，因而将典型的复合流量计灵敏度提高了几个量级。采用图1(b)的电路就能获得差动结构。两个电离室反向偏置。电离室C】的电流I】通过安培计A到地，而电流L从地通过安培计A到电离室Cz。设3I1=I-AI,【2=1+式中的【为每一个电离室中由于气流而产生的电流变化，那么.安培计记录的电流为2左1。对于每单位时间给定的质量流量，其灵敏度将随气体漂移速度的增加而增加。反之，如果电离室C】和C2同向偏置，使得电流在相同方向流动，采用一个简单的万用表就可测量差动放大器两端的输出，如图2所示。则8VC】=V-AVVc2=V+V(1)式中：Zv是气流引起的每一个电离室的电位变化。因此，差动放大器输出为2

4、AV乘以放大器增益(V是偏置电压)。图2差动电流/电压测量电路示意图3. 结构仪器的示意图示于图3。两个接地保护环G在没有气流，并且离子收集电压为40V(板C和C2端电压)时确定放电电流和收集电流湍和电离室之间可能存在的表面泄漏电流开辟另一条通路。有机玻璃上没有发现有较大的表面泄漏电流。为了保证不存在这种内部泄漏电流，必须用异丙醇清洗流量计并且排气。气体进入流量计之前被干噪。流量计工作在差劫方式.任何小电流都能被检测，并在恒压下完成电离室的收集电流是放电电流的函数，其结果示于图4(b)。曲线说明，随着放电隙之间离子密度增加，离子向外扩散数也随之增加。校准。所用安培计和万用表是标准的Keithl

5、ey型。一1。586Ci.C2为虺离室G.为保护环n黄铜D有机玻璃刻度用mm表示54321(垠#图4(a)放电电流与放电电压之间的函数关系(压力为4X10，Pa)；(b)收集电流与放电电流之间的函数关系(压力为4X102P%离子收集电压为40V).|25.32|13.3B.7图3流量计结构4.性能放电板的端电压从2001100V之间变化,并记下通过放电板的相应电流。图4(a)中说明了该结果。在电压低于450V时，没有观察到放电电流。在约500V,放电冲击和放电电流随电压线性增加。结果说明，500V1100V之间是最合适的工作范围。选择800V的放电电压和60|iA的放电电流是为了增加扩散离子电

6、流，并同时避免了电离室直接击穿的危险。没有气流，固定放电电压为800V时，通过研究离子收集电压与离子电流之间的关系可以确定流量计的最佳工作条件，结果示于图5(略)。可以发现，两个电离室板上收集的离子电流存在明显的对称性。曲线代表标称饱和曲线。虽然电离室的收集电压为零，但仍可观察到约0.04nA的泄漏电流(可能是表面电流),使曲线稍微偏离原点。由于是差动工作结构，电流将不影响流量计的工作。为在没有气流时获得零电流差，电离室G和C2供给的电压必须满足C】=+40V,Cx=-30Vo5.校准采用图6(a)所示的毛细管流量计对该流量计进行校准。由于毛细管流量计有记录低流速和线性校准之优点,而选用它。图

7、6(b)示出了所用实验装置和辅助设备，采用的是差动电流和差动电压方法。用差动电流方法时,流量计工作在+40V和-30V,放电电压设!在800V,压力为4xl02Pao图7(略)为校准曲线。用差动电压方法时，流量计接到图2置于放电和电离室之间的有机玻璃上，为放电之间的关系。压力设置在4xlO2Pa,记录的CA句体一!I输入GCV针阀(b).辐入p，所示的差动放大器，其增益为10%毛寺管旦芝土11!iL差动压力州1排放出口=：B.一供您毛堰管广，二h图6(a)用于确定流量计性能的实验装置;(b)毛细管流最计.在约O.21mgs-1的流速，一些离子被迫离开电离室C而没有被收集。因此，电离室I】的收集

8、电流减小。流速高于这个点时，电流L也开始减小，在校准曲中产生负斜率。这是由于增加的离子量通过电离室C2时没有被收集。当差动压力计压差为4mm时，最低测量值取自流速为0.30ugV，。利用已实施的方法，在线性校准方程中插入修正项就可计算出由于湿度变化而产生的误差。6 .讨论本文描述的流量计是一个性能良好的简单仪器。相对于放电板与电离室之间表面泄漏，仅观察到很小泄漏。通过对流量计清洗和放气能消除这些电流。将这种泄漏降低到0.04nA是最好结果。在放电和收集板之间插入一个内部保护环就能解决这一问题，但用插入或其它方法屏蔽电离室显然增加了结构难度。流量计实际受限于其工作的压力，也可认为是流量必须在低压

9、下测量的局限性。在任何情况下，流量计的压力必须已知，在放电电位或放电电流保持恒定时，灵敏度是压力的函(上接第62页)更进一步观察可见，对IpF电容器反射系数幅值测量结果多数大于1,看似有放大。这是测量中的明显误差，其原因为不确定度伴随测量值不同而有不同的数值范围(包括VI的值)O4. 结论.数。放电冲击电压随压力而变化，因而放电电流也发生变化，最后产生不同的收集电流。当放电电压保持恒定，最佳压力约为2x103Pa时，收集的离子最多，但这假设流量计在低压下很灵敏。然而，这是不切实际的，因为在低压下，为保持恒定的放电电流所需的放电电压是如此之高，以致于会产生火花放电。在压力保持在4xiO2Pa时完

10、成了整个性能估算。虽然是在低压，但结果说明有足够的电流收集在电离室内。没有进行结果与气体压力关系的详细研究，因为仪器工作的压力范围气体容易产生分离。7 .应用该仪器已经投入非易燃或非爆炸气体中使用，用空气作为工作气体对它进行了测试，以对氮和氧进行很好地研究。仅介绍空气的性能和校准数据。此外，提不出特殊的理由说明流量计不能用于其它气体。但必须说明，每一种Z体必须分别校准。在用湿气体时，从标称条件到干气体的湿度范围引起的击穿电压变化约为58%。流量计工作在恒流下就能克服击穿电压问题。8 .结论本文已经描述了一个简单直接读数离子放电流量计，它可记录的流速为0.30gs-i到0.2mgs-】。该仪器虽用已知标准校准，但不能直接测量体积和质量流量。在这种情况下，采用毛细管流量计进行质量流量校准。用空气作为工作气体对气体作了详细研究，也对氧和氮进行了有限的可行性研究。介绍的一个半经验模型与实验准合得很好。袁凤洋自Meas.Sc