容積式真空泵真空度測(cè)試裝置的技術(shù)探討

2009-10-11 唐景遠(yuǎn) 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

　　歷來(lái), 對(duì)容積式真空泵(如旋片真空泵、滑閥真空泵、羅茨真空泵等) 的極限真空度測(cè)試都是采用傳統(tǒng)的壓縮式真空計(jì)(即麥克勞真空計(jì))。在我國(guó)現(xiàn)行有關(guān)對(duì)容積式真空泵性能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)(機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7266294) 中也明確地規(guī)定了這一點(diǎn)。

　　眾所周知, 壓縮式真空計(jì)的誕生至今已有120年的歷史, 由于它是一種頗為有效的、直觀且價(jià)廉的絕對(duì)式真空度測(cè)量?jī)x表, 所以一直使用到現(xiàn)在。然而, 它也存在著一個(gè)致命的弱點(diǎn), 其使用的工作介質(zhì)為汞。汞對(duì)于人類健康來(lái)說(shuō)是一種有害有毒物質(zhì)。壓縮式真空計(jì)又是玻璃制品, 操作人員稍有不慎, 極易破碎, 汞的外溢給人和環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的公害。因此,世界上發(fā)達(dá)國(guó)家早已撇棄用壓縮式真空計(jì)來(lái)作工作用真空計(jì)。如德國(guó)萊寶公司(LEBOLD) 采用薄膜真空計(jì), 日本真空公司(ULVAC)、法國(guó)ALCATEL公司等采用電阻真空計(jì)來(lái)測(cè)量容積式真空泵的性能。

　　隨著我國(guó)整個(gè)工業(yè)水平的提高, 人民物質(zhì)生活的富裕, 環(huán)境保護(hù)意識(shí)的強(qiáng)化, 對(duì)于壓縮式真空計(jì)使用的危害性也成為廣大用戶所認(rèn)識(shí), 對(duì)于撇棄工作用壓縮式真空計(jì)的呼聲也日益高漲。作為真空科技工作者, 研制一種新穎的能完全替代壓縮式真空度的測(cè)試儀器是義不容辭的職責(zé), 并具有十分明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

1、裝置原理

　　對(duì)于容積真空泵性能檢測(cè)用的壓縮式真空計(jì),一般而言, 其量程在100～10^-2Pa范圍, 精度要求在±10%已足夠。欲替代壓縮式真空計(jì)一定要滿足這一必要條件。除此之外, 按照現(xiàn)行部標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7266294 的要求, 用作容積真空泵性能檢測(cè)用的壓縮式真空計(jì), 由于測(cè)量的是永久性氣體分壓強(qiáng), 因此又要求滿足測(cè)試永久性氣體分壓強(qiáng)的特定條件。鑒于上述兩個(gè)要求, 我們認(rèn)為選擇薄膜真空計(jì)加冷阱的組合裝置不僅是適宜的, 而且也是可取的。裝置的原理圖如圖1 所示。

1、被測(cè)的容積真空泵　2、閥門　3、冷阱　4、薄膜真空計(jì)規(guī)管 5、薄膜真空計(jì)顯示儀表

圖1　新的檢測(cè)裝置原理圖

2、技術(shù)關(guān)鍵

　　薄膜式真空計(jì)是利用薄膜片受力產(chǎn)生形變的原理而制成的一種相對(duì)式真空計(jì), 也是一種全壓強(qiáng)真空計(jì)。其特點(diǎn)為精度高, 響應(yīng)快、穩(wěn)定可靠、使用方便, 尤其是結(jié)構(gòu)小巧堅(jiān)固, 材質(zhì)耐腐蝕, 且能長(zhǎng)期承受過(guò)載運(yùn)行, 特別適宜于在惡劣環(huán)境中工作, 在這些方面比之于壓縮式真空計(jì)具有明顯的優(yōu)越性, 也完全避免了使用有毒有害的汞介質(zhì)。然而, 要采用薄膜真空計(jì)替代容積真空泵性能檢測(cè)用的壓縮式真空計(jì)必須解決以下三個(gè)技術(shù)關(guān)鍵。

　�、� 擴(kuò)展現(xiàn)有薄膜真空計(jì)的測(cè)量下限。一般而言, 我國(guó)現(xiàn)有的薄膜真空計(jì)的下限為0.1Pa,為此,必須研制測(cè)量下限為0.02Pa以下的低量程薄膜真空計(jì)。

　�、� 消除水、油等可凝性蒸汽的影響, 使薄膜真空計(jì)測(cè)得的應(yīng)與壓縮式真空測(cè)量的同樣是永久性氣體的分壓強(qiáng)。

　�、� 薄膜真空計(jì)是一種相對(duì)真空計(jì), 由顯示儀表輸出的是電參量, 為此必須解決真空計(jì)的量值校準(zhǔn)問題。

3、試驗(yàn)結(jié)果

　　測(cè)量下限為0.02Pa的薄膜真空計(jì)是新測(cè)試裝置的關(guān)鍵, 由于測(cè)量下限0.02Pa已接近薄膜真空計(jì)能靈敏反應(yīng)的極限值, 且對(duì)零位飄移的要求非�？量�。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn), 對(duì)所選用的金屬材料進(jìn)行更為嚴(yán)格的穩(wěn)定性技術(shù)處理; 對(duì)電子元、器件的篩選及老化提出了全新的保障體系; 對(duì)零部件的質(zhì)量檢驗(yàn)和生產(chǎn)環(huán)境要求也作出了詳盡的規(guī)定。更為重要的是摸索出了傳感器敏感元件的壓力對(duì)位移變化的特性曲線, 為研制出測(cè)量下限為0.02Pa的低量程薄膜真空計(jì)奠定了基礎(chǔ)�，F(xiàn)在, 該低量程薄膜真空計(jì)的零位飄移可以控制在4h內(nèi)不偏離1位數(shù)字(±1mV)。與美國(guó)MKS公司的同類產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),數(shù)據(jù)表明在允許的誤差范圍內(nèi)相一致。表1 列出了其中一組比對(duì)數(shù)據(jù)。

表1　一組比對(duì)數(shù)據(jù)

　　眾所周知, 薄膜真空計(jì)是相對(duì)真空計(jì), 其壓力絕對(duì)值還需經(jīng)過(guò)絕對(duì)真空計(jì)來(lái)標(biāo)定,對(duì)于它的全量程校準(zhǔn)可以由壓縮式真空計(jì)或在膨脹法校準(zhǔn)系統(tǒng)上完成。下面一組數(shù)據(jù)表2 為用金屬真空校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。校準(zhǔn)誤差為±10%。

表2　一組校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

　　用本測(cè)試裝置對(duì)2XZ22 旋片真空泵的極限真空度進(jìn)行了實(shí)測(cè)也表明能夠替代壓縮式真空計(jì)。當(dāng)冷阱未加液氮時(shí), 用薄膜式真空計(jì)測(cè)得的結(jié)果要比用壓縮式真空計(jì)高一個(gè)量級(jí)左右, 而在冷阱中加入液氮后, 經(jīng)過(guò)約半小時(shí)的穩(wěn)定時(shí)間, 其測(cè)得的結(jié)果與用壓縮式真空計(jì)測(cè)得的結(jié)果在允許的誤差范圍內(nèi)相一致。圖2 為一組用壓縮式真空計(jì)和薄膜真空計(jì)測(cè)量2XZ-2旋片式真空泵極限真空度的曲線。