新型復(fù)合真空計(jì)校準(zhǔn)技術(shù)研究

劉 波，李 平，丁立莉，劉 卿，范文雋，馮黎明

（1.西安航天計(jì)量測試研究所，西安 710100；2.西安航天化學(xué)動(dòng)力廠，西安 710025）

新型復(fù)合真空計(jì)校準(zhǔn)技術(shù)研究

劉 波1，李 平1，丁立莉1，劉 卿1，范文雋1，馮黎明2

（1.西安航天計(jì)量測試研究所，西安 710100；2.西安航天化學(xué)動(dòng)力廠，西安 710025）

隨著真空應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新型復(fù)合真空計(jì)由于其具有優(yōu)越的技術(shù)性能，在真空測量領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，被各大廠礦、企事業(yè)單位廣泛使用。該真空計(jì)采用模塊化集成設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)室常規(guī)的校準(zhǔn)方法無法進(jìn)行校準(zhǔn)，通過對反磁控皮拉尼復(fù)合真空計(jì)測量原理的分析，將可變量輸出的對數(shù)模擬標(biāo)準(zhǔn)電壓信號轉(zhuǎn)化為真空度信號，進(jìn)行示值誤差分析，對照國家頒布的相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范，給出校準(zhǔn)結(jié)果。此技術(shù)為復(fù)合真空計(jì)的校準(zhǔn)提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)，解決了該類型真空計(jì)的校準(zhǔn)難題。

反磁控復(fù)合真空計(jì)；真空標(biāo)準(zhǔn)裝置；惠斯通電橋；示值相對誤差

0 引言

隨著真空應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，真空測量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于我國的航天、航空、電子、船舶、核、兵器等重要國防領(lǐng)域及關(guān)系民生的石油、化工、制冷、醫(yī)藥、光學(xué)等行業(yè)[1]。在目前倡導(dǎo)工業(yè)自動(dòng)化的時(shí)代，大型的真空環(huán)模設(shè)備、真空鍍膜設(shè)備、真空釬焊機(jī)、真空實(shí)驗(yàn)艙等實(shí)驗(yàn)設(shè)備已被相關(guān)廠礦、院所及各大高校廣泛使用。常規(guī)的熱傳導(dǎo)式真空計(jì)及電離真空計(jì)由于測量范圍有限、抗污染能力差、測量誤差大、無法更換零部件等原因，已不能滿足日益發(fā)展的真空技術(shù)需求。新式的B-A型皮拉尼復(fù)合真空計(jì)、B-A型皮拉尼電容膜片三合一復(fù)合真空計(jì)、反磁控皮拉尼復(fù)合真空計(jì)，具有測量范圍寬（一般能達(dá)到十個(gè)以上的測量區(qū)間段）、抗污染能力強(qiáng)、測量誤差小、更換零部件后可重復(fù)使用等特點(diǎn)，被相關(guān)企事業(yè)單位廣泛采用，已是目前大型真空設(shè)備真空度測量的主要儀器。

通過近些年新型復(fù)合真空計(jì)的發(fā)展及更新，目前常用的這些復(fù)合計(jì)使用性能及技術(shù)指標(biāo)都十分穩(wěn)定，是傳統(tǒng)真空計(jì)的理想換代產(chǎn)品。由于具有將多支真空計(jì)的測量參數(shù)集于一身，減少了對真空系統(tǒng)的開孔數(shù)，降低了測量系統(tǒng)的泄漏點(diǎn)，測量敏感部件受污染后清洗方便、更換簡單，可多次重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，而且此類復(fù)合計(jì)為了順應(yīng)新技術(shù)發(fā)展的要求，已從原本的帶專用連接信號線及控制單元發(fā)展到通過常規(guī)的網(wǎng)線或通用數(shù)據(jù)線直接連接真空設(shè)備工控系統(tǒng)、PLC控制器及程控計(jì)算機(jī)，采用工控機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理后將復(fù)合計(jì)輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號轉(zhuǎn)換成真空度信號，用電腦顯示器直接讀取參數(shù)，通過工控機(jī)控制相關(guān)閥門及儀器儀表，為相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)節(jié)省人力、物力及生產(chǎn)成本。

隨著這些新型復(fù)合計(jì)被大量使用，周期計(jì)量校準(zhǔn)問題也日益突顯，由于送校時(shí)無法提供測量數(shù)據(jù)線及工控系統(tǒng)，校準(zhǔn)部門對輸出真空信號無法進(jìn)行直接采集，不能進(jìn)行校準(zhǔn)工作?；诖罅靠蛻舻男枨?，也為了促使真空計(jì)量技術(shù)的發(fā)展，以反磁控皮拉尼復(fù)合真空計(jì)為例，研究了這類新型復(fù)合計(jì)的計(jì)量校準(zhǔn)問題。

1 反磁控皮拉尼復(fù)合真空計(jì)的原理及換算函數(shù)

1.1 原理

反磁控皮拉尼復(fù)合真空計(jì)是將冷陰極反磁控測量部分與皮拉尼測量部分組合在一個(gè)具有對數(shù)模擬輸出訊號的小型真空規(guī)管內(nèi)，通過感應(yīng)溫差變化及電子電離放電進(jìn)行信號采集及控制。二者組合后，大幅降低了安裝、設(shè)置和集成的復(fù)雜性，可根據(jù)測量范圍的不同自動(dòng)切換，為跨范圍應(yīng)用提供無縫的躍遷性、實(shí)用性和靈活性。獨(dú)特的可更換雙室真空傳感器單元延長了清洗周期，減少維護(hù)次數(shù)，是同類產(chǎn)品中較經(jīng)濟(jì)耐用的測量儀器，且具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、操作方便、靈敏度高等特點(diǎn)。

皮拉尼測量部分屬于熱傳導(dǎo)式真空計(jì)的一種，利用惠斯通電橋的補(bǔ)償原理，在不同的真空環(huán)境中，單位體積內(nèi)空氣分子數(shù)的不同，發(fā)熱電阻絲產(chǎn)生溫度差異，造成電阻值不相同，從而引起電流在電阻絲上產(chǎn)生相應(yīng)的壓力變化，根據(jù)電壓值的變化換算出所對應(yīng)的真空度。

反磁控測量部分采用了電場與磁場相互垂直的交叉電磁場，使電子在電場中的運(yùn)動(dòng)與微波磁控管相似，將磁控管中的陰極當(dāng)陽極，陽極當(dāng)陰極，在真空環(huán)境下，規(guī)管中的電子經(jīng)過多次電離碰撞后，在奔向陽極時(shí)受到強(qiáng)磁場的作用產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，其軌跡在垂直于陽極軸平面上的投影是一系列滾輪線似的弧，從而增長了電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，造成電離氣體分子的機(jī)會大幅增加，形成離子流。離子流與真空度的關(guān)系如式（1）：

式中：I為離子流，A；K為規(guī)管常數(shù)；p為對應(yīng)的真空度，Pa；n為常數(shù)（一般在1～2之間與規(guī)管的構(gòu)造有關(guān)。

1.2 理論換算函數(shù)

反磁控皮拉尼復(fù)合真空計(jì)是采用模塊化集成，將需要測量的真空度轉(zhuǎn)化為可變量輸出的對數(shù)模擬標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，利用真空度的變量與電壓信號的變量函數(shù)換算關(guān)系進(jìn)行測量與控制。目前常用的反磁控皮拉尼復(fù)合真空計(jì)的測量范圍是1×10-7～1× 105Pa，相對應(yīng)的輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓范圍是在0～10.5 V的測量區(qū)間內(nèi)。

電壓輸出信號與真空度的對數(shù)函數(shù)關(guān)系為式（2）：

式中：U為輸出電壓信號，V；p為真空計(jì)測量的真空度，Pa；C為常數(shù)。

通過測量輸出電壓信號，運(yùn)用對數(shù)函數(shù)關(guān)系換算公式，可以得到與相對應(yīng)的真空度，再利用壓力示值相對誤差式（3），可以計(jì)算出各采集點(diǎn)的壓力示值相對誤差值。

式中：δ為被校值與標(biāo)準(zhǔn)值的示值相對誤差；p′為輸出電壓換算的真空度示值，Pa；p為標(biāo)準(zhǔn)真空度值，Pa。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

反磁控皮拉尼復(fù)合真空計(jì)的校準(zhǔn)由比較法真空標(biāo)準(zhǔn)裝置[1]與信號采集控制單元兩部分組成，比較法真空標(biāo)準(zhǔn)裝置模擬真空環(huán)境，提供動(dòng)態(tài)的真空實(shí)驗(yàn)參數(shù)，模擬所要求的真空環(huán)境。信號采集控制單元由信號輸入控制器和信號采集控制器構(gòu)成，信號輸入控制器提供穩(wěn)定的直流電壓給復(fù)合計(jì)供電，信號采集控制器進(jìn)行復(fù)合計(jì)輸出電壓信號的采集。

比較法真空標(biāo)準(zhǔn)裝置由抽氣系統(tǒng)、校準(zhǔn)系統(tǒng)、真空度測量系統(tǒng)及管路、閥門等組成，由于操作簡單、穩(wěn)定性好、校準(zhǔn)效率高、使用成本較低等因素，是目前企事業(yè)單位實(shí)驗(yàn)室常用的校準(zhǔn)裝置。結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示。

對反磁控皮拉尼復(fù)合真空計(jì)的信號采集控制，主要是通過查看用戶使用說明書供給電壓信號源和電流信號，使模塊達(dá)到正常工作狀態(tài)，為信號采集提供條件。校準(zhǔn)時(shí)在無任何干擾的情況下，采用多功能高精度的信號采集器在不同真空環(huán)境中對模擬輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號進(jìn)行采集，原理示意圖如圖2所示。

圖1 比較法真空標(biāo)準(zhǔn)裝置原理示意圖Fig.1 Sechematic diagram of vacuum standard device of comparisonmethod

圖2 信號采集控制單元連接原理圖Fig.2 Sechmatic diagram ofsignalacquisition and controlunit

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選取一支型號為GeminiMPG504反磁控皮拉尼復(fù)合真空計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，連接在比較法真空標(biāo)準(zhǔn)裝置上，采用FLUK的745提供24 V的直流穩(wěn)壓電源，供電電流為0.1 A，選取安捷倫的34401A數(shù)字多用表進(jìn)行信號輸出數(shù)據(jù)采集。訊號連接線可采用插座型FCC68、8-腳帶屏蔽網(wǎng)線或插頭型D-sub、9-腳帶屏蔽數(shù)據(jù)線，連接方式如表1所列。

表1 測量信號連線方式Table1 Signalmeasurement connectionmode

利用比較法真空標(biāo)準(zhǔn)裝置模擬真空環(huán)境，當(dāng)達(dá)到校準(zhǔn)工作條件狀態(tài)時(shí)，讀取標(biāo)準(zhǔn)裝置的真空度示值，并利用信號采集器同時(shí)采集與該真空度對應(yīng)的模擬輸出電壓信號，利用式（2）的電壓輸出信號與真空度的對數(shù)函數(shù)關(guān)系式，可以計(jì)算出每個(gè)輸出電壓所對應(yīng)的真空度，將電壓值換算為壓力值，進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理，校準(zhǔn)結(jié)果如表2所列。

3.2 數(shù)據(jù)分析

通過查看GeminiMPG504反磁控皮拉尼復(fù)合真空計(jì)的使用說明書可知，在氮?dú)猸h(huán)境中，1×10-7～1× 104Pa測量范圍內(nèi)的讀數(shù)精度為30%；1×104～1× 105Pa測量范圍內(nèi)的讀數(shù)精度為50%。由于復(fù)合真空計(jì)在校準(zhǔn)條件下其壓力示值相對誤差應(yīng)滿足JJF1050-1996和JJF1062-1999的技術(shù)指標(biāo)要求[2-3]，因此反磁控測量部分應(yīng)滿足+100%～-60%的示值相對誤差要求，皮拉尼測量部分應(yīng)滿足小于±50%的示值相對誤差要求。

表2 Gem iniMPG504型反磁控皮拉尼復(fù)合真空計(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)Table2 The calibration data of Gem iniMPG 504 type antimagnetic com posite piranivacuum gauge

通過表2可以直接看出輸出電壓換算后的真空度示值與標(biāo)準(zhǔn)真空度示值之間的對應(yīng)關(guān)系，利用式（3）計(jì)算出每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)對應(yīng)的示值相對誤差，正確給出校準(zhǔn)結(jié)果，如表3所示。

通過數(shù)據(jù)處理可知，新型復(fù)合計(jì)皮拉尼測量部分校準(zhǔn)區(qū)間內(nèi)的最大示值相對誤差為-14.0%，完全滿足JJF1050-1996最大示值相對誤差小于±50%的指標(biāo)要求。反磁控測量部分校準(zhǔn)區(qū)間內(nèi)的最大示值相對誤差為-28.1%，滿足JJF1062-1999最大示值相對誤差+100%～-60%的技術(shù)指標(biāo)要求，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)完全符合校準(zhǔn)規(guī)范要求。

4 結(jié)論

通過比較法真空校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)GeminiMPG504反磁控皮拉尼復(fù)合真空計(jì)，利用信號采集器將模擬輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號采集后轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的真空度，根據(jù)不同測量范圍按照相對應(yīng)的校準(zhǔn)規(guī)范數(shù)據(jù)處理方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，綜合判斷該新型復(fù)合計(jì)是否滿足規(guī)范要求，得出校準(zhǔn)結(jié)果。

綜上所述，在校準(zhǔn)新型高精度集成化復(fù)合真空計(jì)時(shí)，常規(guī)的校準(zhǔn)方法已不能滿足真空測量技術(shù)發(fā)展的要求，利用輸出信號與真空度的對數(shù)函數(shù)關(guān)系式，將輸出信號轉(zhuǎn)換為真空信號，進(jìn)行校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)處理，通過分析處理后的數(shù)據(jù)，判斷其相應(yīng)的校準(zhǔn)結(jié)果是否滿足校準(zhǔn)規(guī)范，為新型復(fù)合真空計(jì)的周期校準(zhǔn)提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)，能夠正常進(jìn)行測量工作提供了數(shù)據(jù)支持，解決了相關(guān)類型復(fù)合真空計(jì)的校準(zhǔn)難題。

[1]李得天.真空計(jì)量新技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[2]李正海.比較法真空規(guī)校準(zhǔn)裝置性能研究[J].真空與低溫，2010，16（1）：37-41.

[3]林國平，周淑榮，牟娟，等.JJF1050-1996.工作用熱傳導(dǎo)真空計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)量出版社，1996.

[4]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.JJF1062-1999.電離真空計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)量出版社，1999.

RESEARCH ON CALIBRATION TECHNOLOGY OFNEW COM POUND VACUUM GAUGE

LIU Bo1，LIPing1，DING LI-li1，LIUQing1，F(xiàn)ANWen-jun1，F(xiàn)ENG Li-m ing2
（1.M easuring and Testing Institute Under Xi’an Aerospace Corporation，Xi’an 710100，China; 2.Xi’an Aerospace Chem ical Power Plant，Xi’an 710025，China）

With the development of vacuum application industry，because of its superior technical skills，the new composite vacuum gauge is playing a more and more important role in the field of vacuum measurement. Due to its modular design，laboratory calibration methods have been unable to carry out routine calibration. Based on the analysis of the principle of magnetron cold Pirani vacuum gauge to measure the composite，log variable output analog signal is changed into standard voltage signal of the vacuum degree，error analysis is carried out，and calibration results is obtained. This technology provides the experimental basis and theoretical basis for the calibration of the vacuum gauge，and solves the problem of daily calibration of this vacuum gauge.

cold magnetron vacuum gauge；vacuum calibration device；wheastone bridge；relative error of indication

TB77

A

1006-7086（2017）04-0226-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.04.008

2017-05-04

劉波（1977-），男，陜西省西安市人，工程師，主要從事真空計(jì)量與測試研究工作。E-mail：liubozhangyan@sina.com。