擴散真空泵性能自動測試系統(tǒng)的研制

    本文介紹了一套新研制的擴散真空泵性能的自動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以按照國家標(biāo)準規(guī)定的方法自動檢測擴散真空泵的極限壓力和抽速。系統(tǒng)利用自主開發(fā)的光電液位檢測方法和元件實現(xiàn)滴管液位的自動讀取和記時；利用步進電機驅(qū)動針閥實現(xiàn)氣體流量和測試罩內(nèi)壓力的自動調(diào)節(jié)；使用上位PC機和下位單片機的雙級控制系統(tǒng)實現(xiàn)對整個測試系統(tǒng)和測試過程的自動控制。
    作為應(yīng)用最廣的高真空抽氣設(shè)備，油擴散泵在國內(nèi)的生產(chǎn)、研究方面已達到相當(dāng)?shù)募夹g(shù)水平和一定的生產(chǎn)規(guī)模，被廣泛應(yīng)用于機械、電子、冶金、原子能、空間模擬等工業(yè)領(lǐng)域和科學(xué)技術(shù)研究中，為我國的科技發(fā)展做出了顯著的貢獻。近幾年來,國內(nèi)擴散泵產(chǎn)品從外觀、功能到性能都有了較大的進展。
    相對于擴散泵的生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量和生產(chǎn)總量來說，國內(nèi)擴散泵在產(chǎn)品性能檢測方面還相對落后。目前很多企業(yè)尚沒有自己的性能測試系統(tǒng)，對泵產(chǎn)品在出廠前的性能指標(biāo)缺乏實際檢測。國內(nèi)現(xiàn)有的相關(guān)檢測系統(tǒng)都采用全手動操作方式，對操作人員有較高的專業(yè)知識和實驗技能要求，需經(jīng)過專門培訓(xùn)才能勝任此項工作，而且測試數(shù)據(jù)精度受許多人為因素的影響，這些都為生產(chǎn)廠家自己獨立開展擴散泵性能測試增加了難度。
    針對這一現(xiàn)狀，本文研制了一套擴散真空泵性能的自動測試系統(tǒng)。下面將就該系統(tǒng)的測試原理、系統(tǒng)的硬件與軟件構(gòu)成、研制過程所遇到的技術(shù)難點和解決措施作以介紹。

　1、自動測試系統(tǒng)的測試原理
    該套測試系統(tǒng)對擴散泵的極限壓力和不同入口壓力下的抽速曲線的測試原理與方法，完全參照相關(guān)國家標(biāo)準的規(guī)定執(zhí)行。其中擴散泵抽速曲線的自動檢測，采用“定壓法”原理測試。對應(yīng)每一個測壓點的測試步驟是：在工作閥開啟的條件下，利用針閥調(diào)節(jié)充入測試罩的氣體流量Q，使測試罩內(nèi)的平衡壓力p穩(wěn)定在預(yù)期的壓力值附近；關(guān)閉工作閥，依次記錄滴管內(nèi)液柱到達液位高度h1和h2的時間t1和t2；通過計算液柱凈升高度h=h2-h1和上升所需時間t=(t2-t1)，利用下式求得對應(yīng)壓力下的體積流率，即抽速。
　　S=Q/P=Kh/Pt
    式中S———被測真空泵抽氣速率，L/s
    Q———流過泵口的氣體流量，Pa·L/s
    p———測試罩內(nèi)規(guī)定位置的平衡壓力，Pa
    h———滴管內(nèi)液柱上升凈高度，mm
    t———滴管內(nèi)液柱上升所需時間，s
    K———滴管函數(shù)，Pa·L/mm。

    根據(jù)上述公式可知：要想計算出抽速S，需要已知對應(yīng)測壓點的K、h、p和t。其中，滴管函數(shù)K可以根據(jù)不同的滴管和連接管道尺寸，結(jié)合實際的測試工況事先計算出來；因此，實際需要讀取的只有測試罩指定位置平衡壓力p、滴管內(nèi)液柱凈升高度h和液柱凈升高度h所需時間t三個量。該套測試系統(tǒng)所具有的自動測試功能，主要是指工作閥采用電磁閥自動開啟關(guān)閉；針閥完成流量調(diào)節(jié)的過程采用步進電機驅(qū)動，并根據(jù)罩內(nèi)實測壓力與預(yù)設(shè)壓力的對比進行反饋控制；利用光電液位開關(guān)測定滴管內(nèi)液位到達設(shè)定位置h1和h2高度處的時間t1和t2。整個測試過程，以及之后的抽速計算、結(jié)果輸出工作，均由計算機自動控制完成，只是在更換滴管和連接管路的過程中需要操作人員手工作業(yè)。

　2、自動測試系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
    2.1、機械部分構(gòu)成
    該測試系統(tǒng)機械部分的主體設(shè)計方案基于國家標(biāo)準的詳細規(guī)定。主要由測試罩、提升機構(gòu)、前級閥、預(yù)抽閥、工作閥、放氣閥、微調(diào)閥、滴管、光電液位開關(guān)、貯液槽、臺車和真空管路等組成，被測主泵為K-200型油擴散泵，前級為2X-4型旋片泵。
    考慮到該實驗臺的主要用途是服務(wù)于東北大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)本科生的真空實驗教學(xué)，所以在結(jié)構(gòu)和功能上有所改動、擴展。對應(yīng)K-200型油擴散泵，本應(yīng)選用直徑為200mm的測試罩，但考慮其它教學(xué)實驗用途，本系統(tǒng)使用了直徑為400mm的測試罩，中間加裝錐形過渡接口和插板閥與被測擴散泵相連。這些會導(dǎo)致管道流導(dǎo)的增加，從而使泵的抽速測定值降低，但不影響測試系統(tǒng)的工作原理和使用方法。在測試罩上還留有兩個真空規(guī)管接口、一個前級閥接口、一個微調(diào)閥進氣口、頂端留有放氣口，以及連接其他真空測試儀器的兩個備用接口。提升機構(gòu)可以將測試罩提起，方便主泵的更換和其它教學(xué)實驗的完成?？紤]到要實現(xiàn)自動控制，所有的閥門均選擇電磁驅(qū)動。此外，根據(jù)實驗需要，還專門訂制了內(nèi)徑分別為1.5、3、5、10、20、30、50mm的一系列滴管。
    根據(jù)上述公式可知：要想計算出抽速S，需要已知對應(yīng)測壓點的K、h、p和t。其中，滴管函數(shù)K可以根據(jù)不同的滴管和連接管道尺寸，結(jié)合實際的測試工況事先計算出來；因此，實際需要讀取的只有測試罩指定位置平衡壓力p、滴管內(nèi)液柱凈升高度h和液柱凈升高度h所需時間t三個量。該套測試系統(tǒng)所具有的自動測試功能，主要是指工作閥采用電磁閥自動開啟關(guān)閉；針閥完成流量調(diào)節(jié)的過程采用步進電機驅(qū)動，并根據(jù)罩內(nèi)實測壓力與預(yù)設(shè)壓力的對比進行反饋控制；利用光電液位開關(guān)測定滴管內(nèi)液位到達設(shè)定位置h1和h2高度處的時間t1和t2。整個測試過程，以及之后的抽速計算、結(jié)果輸出工作，均由計算機自動控制完成，只是在更換滴管和連接管路的過程中需要操作人員手工作業(yè)。