采用流量計測量復合分子泵抽速裝置研制
本工作研制了一臺采用流量計測量復合分子泵抽速的裝置。本裝置由測試臺車、機柜、計算機自動控制和數據采集處理系統三部分組成。選用3 個高精度流量計，滿量程分別為1000 sccm、100 sccm 和10 sccm，并聯組成流量計組件用于測量輸入氣體的流量，選用高精度的復合真空計測量真空測試罩內氣壓。抽速測試結果顯示，一臺1200 L/s 的復合分子泵N2抽速重復測量5 次，14 個氣壓測試點對應的抽速的最大相對標準偏差小于2%，重復性好。抽速測量的誤差主要由流量計和真空計的系統誤差決定。采用流量計測量一臺分子泵在真空度2.00×10-3 Pa~2.00 Pa 范圍的抽速，測量時間20 min 以內。
全玻璃真空太陽集熱管制備工藝過程中，廣采用三靶鍍膜機在集熱管內管外表面上沉積金屬陶瓷太陽選擇性吸收涂層，鍍膜真空室采用油擴散泵抽高真空。章其初等人在開發集熱管自動連續鍍膜線時，采用復合分子泵替代油擴散泵抽高真空獲得成功，并產業化推廣。另外，王雙等人在集熱管自動連續烘烤排氣線上，采用復合分子泵替代油擴散泵抽高真空試驗也獲得了成功，并已廣泛應用于工業生產中。磁控濺射鍍膜工藝在氣壓1.0×10-1 Pa~1.0 Pa 范圍，集熱管排氣工藝在氣壓1.0×10-2 Pa~1.0 Pa 范圍，因此1.0×10-2 Pa~1.0 Pa 氣壓范圍的分子泵抽速對鍍膜線的設計、鍍膜工藝以及排氣工藝的研究至關重要。
1987 年制定的國標GB 7774-87《渦輪分子泵性能測試方法》，規定充入泵內的氣體流量按照1986 年制定的國標GB 6307.1-86《蒸汽流真空泵抽氣速率體積流率測試方法》進行測量。采用滴管式流量測量裝置，測量油柱上升的高度和時間，間接表述流量值。張璠等人詳細研討了滴管式測量流量和計算抽速的方法。上述分子泵抽速的測量方法在本文中簡稱為“滴管法”。如測量名義抽速為1600 L/s 的復合分子泵，采用阿爾卡特公司發表的抽速數據，我們計算得到，氣壓為1 Pa 時，流量為1429 Pa·L/s，需要300 mL 的大容量滴管或替代滴管的玻璃器皿;氣壓為3×10-3 Pa 時，流量為4.8 Pa·L/s，僅為1 Pa 時流量的1/300，需要容量僅為5 mL 的滴管，油柱上升的高度和時間測量誤差大，因而導致抽速測量誤差大。采用滴管法測量抽速時，在不同氣壓測量點需更換不同規格的滴管，操作繁瑣，耗時長，約4 h，國內分子泵制造廠當前均采用滴管法進行抽速測量。2007 年制定的國標GB 7774-2007《渦輪分子泵性能參數的測量》中，規定采用流量法和標準流導法測量抽速。
本工作設計研制了一臺采用流量計測量復合分子泵抽速的裝置，采用流量計組件輸入測試氣體至真空測試罩。測量了名義抽速為1200 L/s 的復合分子泵在2.00×10-3 Pa~2.00 Pa 氣壓范圍的抽速。
1、抽速測試原理
真空裝置的氣體流量Q 與真空室的氣壓P和真空泵的有效抽速V 有如下基本關系式：
Q = P×V (1)
復合分子泵抽速測量過程中，當真空測試罩內的本底氣壓遠遠小于抽速測量時的氣壓，利用公式(1)可以得到如下分子泵抽速的表達式，
V(P) = Q(P)/P (2)
式中Q 為充入測試罩內的工作氣體流量(Pa·L/s)，P 為測試罩內氣壓(Pa)，V 為復合分子泵的有效抽速(L/s)。流量Q 和抽速V 均與氣壓P 相關。
選擇合適的流量計是決定抽速測量精度的關鍵之一。若已知分子泵不同氣壓下的抽速，利用公式(1) 可以計算得到不同氣壓下的氣體流量。引言中提到的鍍膜線、排氣線分別采用國產名義抽速為1600 L/s、1200 L/s 的復合分子泵抽高真空。因此，作為例子本工作分別選用阿爾卡特公司產品手冊中1600 L/s(型號ATH1600M)和1200 L/s(型號ATH1200M)的兩種復合分子泵的抽速隨氣壓變化數據，利用公式(1)計算得到其在3×10-3 Pa~1 Pa 氣壓范圍的工作氣體N2 流量Q(Pa·L/s)，如表1 所示。表中同時給出了以sccm(流量計常用單位)為單位的流量值。由表1 可以看出，ATH1600M 型分子泵抽速在氣壓3×10-3 Pa~1 Pa 對應的N2 流量為2.9 sccm~860.8 sccm。因此應選用滿量程為1000 sccm的流量計才能滿足該分子泵在1 Pa 時的抽速測量。但是，該分子泵在3×10-3 Pa 時的流量僅為2.9 sccm。因此測量分子泵從3×10-3 Pa~1 Pa 氣壓范圍的N2 抽速，要選擇若干個不同滿量程的流量計組成流量計組件才能獲得較高的抽速測量精度。
表1 阿爾卡特ATH1200M 和ATH1600M 型復合分子泵不同氣壓對應的流量值
5、結論
本工作研制了一臺采用流量計測量復合分子泵抽速的裝置。本裝置由測試臺車、機柜、計算機自動控制和數據采集處理系統三部分組成。氣瓶經減壓閥輸出的氣體，通過流量計組件，進入測試罩。流量計組件由3 路高精度質量流量計并聯組成，滿量程分別為1000 sccm、100 sccm和10 sccm。選用高精度的復合真空計測量測試罩內氣壓，該真空計為六位LED 數字顯示，采用科學計數法，顯示小數點后兩位。真空計及配套電離規、電阻規由國家認證的權威檢測機構校準，校準裝置的準確度等級為二等標準。
本工作測量的一臺名義抽速為1200L/s 的國產復合分子泵，其N2 抽速曲線在3.00×10-2 Pa~2.00×10-1 Pa 范圍出現了一個平臺，抽速約為726 L/s，是最大抽速848 L/s(2.00×10-3 Pa 時)的86%，是名義抽速的61%。該平臺可能是由復合分子泵渦輪級與牽引級之間的匹配沒有達到最佳引起的。本裝置測量抽速的重復性好，一臺1200 L/s 的復合分子泵抽速重復測量5 次的標準偏差均小于2%。測量得到的抽速的誤差主要由流量計和真空計的系統偏差決定，氣壓2.00×10-3 Pa~2.00 Pa 范圍抽速的相對誤差為6%。
采用本裝置測量一臺分子泵在2.00×10-3 Pa~2.00 Pa 氣壓范圍的抽速，測量時間20 min 以內，與滴管法測量抽速相比測試效率大大提高。本裝置也可用于分子泵和牽引泵(或稱增壓泵)的抽速測試。
