容積式真空泵真空度測試裝置的技術探討

2009-10-11 唐景遠上海市計量測試技術研究院

　　歷來, 對容積式真空泵(如旋片真空泵、滑閥真空泵、羅茨真空泵等) 的極限真空度測試都是采用傳統的壓縮式真空計(即麥克勞真空計)。在我國現行有關對容積式真空泵性能的測試標準(機械工業部標準JB/T 7266294) 中也明確地規定了這一點。

　　眾所周知, 壓縮式真空計的誕生至今已有120年的歷史, 由于它是一種頗為有效的、直觀且價廉的絕對式真空度測量儀表, 所以一直使用到現在。然而, 它也存在著一個致命的弱點, 其使用的工作介質為汞。汞對于人類健康來說是一種有害有毒物質。壓縮式真空計又是玻璃制品, 操作人員稍有不慎, 極易破碎, 汞的外溢給人和環境帶來嚴重的公害。因此,世界上發達國家早已撇棄用壓縮式真空計來作工作用真空計。如德國萊寶公司(LEBOLD) 采用薄膜真空計, 日本真空公司(ULVAC)、法國ALCATEL公司等采用電阻真空計來測量容積式真空泵的性能。

　　隨著我國整個工業水平的提高, 人民物質生活的富裕, 環境保護意識的強化, 對于壓縮式真空計使用的危害性也成為廣大用戶所認識, 對于撇棄工作用壓縮式真空計的呼聲也日益高漲。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試儀器是義不容辭的職責, 并具有十分明顯的社會和經濟效益。

1、裝置原理

　　對于容積真空泵性能檢測用的壓縮式真空計,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一定要滿足這一必要條件。除此之外, 按照現行部標準JB/T 7266294 的要求, 用作容積真空泵性能檢測用的壓縮式真空計, 由于測量的是永久性氣體分壓強, 因此又要求滿足測試永久性氣體分壓強的特定條件。鑒于上述兩個要求, 我們認為選擇薄膜真空計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、被測的容積真空泵　2、閥門　3、冷阱　4、薄膜真空計規管 5、薄膜真空計顯示儀表

圖1　新的檢測裝置原理圖

2、技術關鍵

　　薄膜式真空計是利用薄膜片受力產生形變的原理而制成的一種相對式真空計, 也是一種全壓強真空計。其特點為精度高, 響應快、穩定可靠、使用方便, 尤其是結構小巧堅固, 材質耐腐蝕, 且能長期承受過載運行, 特別適宜于在惡劣環境中工作, 在這些方面比之于壓縮式真空計具有明顯的優越性, 也完全避免了使用有毒有害的汞介質。然而, 要采用薄膜真空計替代容積真空泵性能檢測用的壓縮式真空計必須解決以下三個技術關鍵。

　　① 擴展現有薄膜真空計的測量下限。一般而言, 我國現有的薄膜真空計的下限為0.1Pa,為此,必須研制測量下限為0.02Pa以下的低量程薄膜真空計。

　　② 消除水、油等可凝性蒸汽的影響, 使薄膜真空計測得的應與壓縮式真空測量的同樣是永久性氣體的分壓強。

　　③ 薄膜真空計是一種相對真空計, 由顯示儀表輸出的是電參量, 為此必須解決真空計的量值校準問題。

3、試驗結果

　　測量下限為0.02Pa的薄膜真空計是新測試裝置的關鍵, 由于測量下限0.02Pa已接近薄膜真空計能靈敏反應的極限值, 且對零位飄移的要求非常苛刻。經反復試驗, 對所選用的金屬材料進行更為嚴格的穩定性技術處理; 對電子元、器件的篩選及老化提出了全新的保障體系; 對零部件的質量檢驗和生產環境要求也作出了詳盡的規定。更為重要的是摸索出了傳感器敏感元件的壓力對位移變化的特性曲線, 為研制出測量下限為0.02Pa的低量程薄膜真空計奠定了基礎。現在, 該低量程薄膜真空計的零位飄移可以控制在4h內不偏離1位數字(±1mV)。與美國MKS公司的同類產品進行對比試驗,數據表明在允許的誤差范圍內相一致。表1 列出了其中一組比對數據。

表1　一組比對數據

　　眾所周知, 薄膜真空計是相對真空計, 其壓力絕對值還需經過絕對真空計來標定,對于它的全量程校準可以由壓縮式真空計或在膨脹法校準系統上完成。下面一組數據表2 為用金屬真空校準系統進行校準的數據。校準誤差為±10%。

表2　一組校準數據

　　用本測試裝置對2XZ22 旋片真空泵的極限真空度進行了實測也表明能夠替代壓縮式真空計。當冷阱未加液氮時, 用薄膜式真空計測得的結果要比用壓縮式真空計高一個量級左右, 而在冷阱中加入液氮后, 經過約半小時的穩定時間, 其測得的結果與用壓縮式真空計測得的結果在允許的誤差范圍內相一致。圖2 為一組用壓縮式真空計和薄膜真空計測量2XZ-2旋片式真空泵極限真空度的曲線。