皮拉尼真空計控制單元校正設(shè)備的改良

張斌

愛發(fā)科（中國）投資有限公司 上海 201199

皮拉尼真空計是利用惠斯通電橋 Wheatstone bridge 的補償原理，將其中的一部分燈絲作為該電路的其中一個電阻，對燈絲進(jìn)行加熱，燈絲所在的空間內(nèi)的氣體分子在無規(guī)則運動時，會接觸到燈絲，然后從燈絲上帶走一部分的熱量。為了讓燈絲能保持原來的溫度，會對燈絲進(jìn)行加熱，加熱用的功率，可以計算出來，因此，當(dāng)氣體的密度改變時，燈絲所表現(xiàn)的溫度也會不同，可以通過對加熱燈絲的功率的大小，來間接測量空間內(nèi)的氣體真空度（氣體密度）[1]。

除了以固定溫度來間接測量空間內(nèi)的氣體真空度以外，還有固定電壓和固定電流兩種方式。由于以固定溫度來測量的方法是最敏感的，所以，一般的皮拉尼真空計都是使用固定溫度的方法。還有一點需要注意的是，由于不同氣體的熱導(dǎo)率是不一樣的，因此在測量的時候，需要在刻度上進(jìn)行校對。大氣的成分中，氮氣占78%，工廠內(nèi)進(jìn)行校正作業(yè)時，一般使用氮氣進(jìn)行校正。

我們公司的皮拉尼真空計，以前都是海外生產(chǎn)，在中國國內(nèi)銷售的。剛剛完成皮拉尼真空計的國產(chǎn)化，目前現(xiàn)有的校正設(shè)備，當(dāng)初設(shè)計時只適用于維修時的校準(zhǔn)，并不適用于批量生產(chǎn)時的校正作業(yè)。為了滿足批量國產(chǎn)化真空計的生產(chǎn)，必須要對該校正設(shè)備進(jìn)行改良。該改良項目時，需要解決排氣時間長、真空度不良、漏率大等方面面臨很多的技術(shù)問題。

1 校正設(shè)備的改良過程

1.1 解決校正設(shè)備排氣時間長的問題

（1）排氣時間長的分析：①我公司的皮拉尼真空計，以前都是海外生產(chǎn)的，然后在中國進(jìn)行銷售。隨著銷售量的擴(kuò)大，對于維修、校正的需求也有增加。因此，當(dāng)初采購的這臺校正設(shè)備時，就是用于進(jìn)口皮拉尼真空計的維修校正作業(yè)的。當(dāng)我公司對皮拉尼真空計進(jìn)行了國產(chǎn)化的研發(fā)，可以在國內(nèi)批量生產(chǎn)皮拉尼真空計了，但是對于保證產(chǎn)品質(zhì)量的出廠前校正作業(yè)，就遇到了瓶頸問題。維修用的校正設(shè)備，并不適合批量化生產(chǎn)用的校正功能。②改良前的校正設(shè)備的排氣系統(tǒng)，是由1臺前級泵（油回轉(zhuǎn)旋選片真空泵）+1臺低溫泵組合而成的。低溫泵能達(dá)到的真空極限10-5Pa～10-6Pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于皮拉尼真空計的最高測定范圍10-2Pa，在精度上，是完全能夠滿足皮拉尼真空計的測量要求的。對于真空計的維修校正作業(yè)或者實驗室進(jìn)行小批量的生產(chǎn)，是沒有問題的，但是對于大批量的生產(chǎn)，就存在整個排氣系統(tǒng)啟動時間長的致命缺點。低溫泵的啟動，是必須在40Pa及以下的真空度才能進(jìn)行的。但是在啟動低溫泵以后，一直到達(dá)到低溫泵的極限真空壓力10-6Pa～10-7Pa（也就是校正設(shè)備腔體的真空壓力），一般需要7小時。校正設(shè)備上有20個校正皮拉尼真空計的作業(yè)位，20個校正作業(yè)位全部校正完成以后，需要打開校正設(shè)備腔體的進(jìn)氣閥，對腔體內(nèi)注入氣體，最終使校正設(shè)備腔體內(nèi)的氣體壓力達(dá)到1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，否則20個校正作業(yè)位上的皮拉尼真空計是無法取下來的。這樣一個循環(huán)（安裝上待校正的真空計5分鐘——前級泵初抽真空20分鐘——低溫泵精抽520分鐘——真空計測量下限校正作業(yè)20分鐘——輸入氮氣5分鐘——真空計測量上限校正作業(yè)20分鐘——打開大氣閥5分鐘——取下校正完的真空計5分鐘）的作業(yè)完成，至少需要600分鐘（10小時）。生產(chǎn)效率是非常低的。整體來看，問題還是低溫泵精抽的時間比較長[2]。

（2）排氣時間長的解決方案：根據(jù)低溫泵能達(dá)到的真空極限遠(yuǎn)大于皮拉尼真空計的測量真空下限，以及精抽需要520分鐘的現(xiàn)狀，我們還是考慮更換低溫泵的方案。

除了用于粗抽真空的前級泵（油回轉(zhuǎn)選片真空泵）以外，還有羅茨式真空泵、分子泵、低溫泵和油擴(kuò)散泵等真空泵的類型，不同真空泵的性能及優(yōu)缺點比較見表1。當(dāng)初，校正設(shè)備選用低溫泵，是因為低溫泵能達(dá)到的真空極限是10-6Pa～10-7Pa，是上述真空泵里面，能達(dá)到真空極限最好的一類泵，因此，除了皮拉尼真空計的校正以外，還可以用于電離真空計、薄膜真空計等真空計的校正。但是，我們這次的改良目的是使校正設(shè)備能適用于皮拉尼真空計的批量校正，因此，只有能夠滿足皮拉尼真空計的校正范圍要求，能盡快達(dá)到校正所需要的真空度，就達(dá)到目的了[3]。

通過對上述4種真空泵所能達(dá)到的真空度進(jìn)行比較，我們發(fā)現(xiàn)，用于校正皮拉尼真空計所需的5.0×10-3～1.0×105Pa的真空度，而羅茨式真空泵只能達(dá)到10-2Pa，不能滿足要求；油擴(kuò)散泵的真空度能達(dá)到要求，但是在運行時會產(chǎn)生油氣分子，會污染校正設(shè)備的腔體，也不適合；因此，如果不需要低溫泵所能達(dá)到的10-6Pa～10-7Pa的真空極限的話，使用分子泵（真空極限為10-5Pa）就足夠滿足要求。我們決定將低溫泵更改為分子泵，校正設(shè)備的排氣系統(tǒng)由前級泵（油回轉(zhuǎn)選片泵）+低溫泵的組合，改為前級泵（油回轉(zhuǎn)選片泵）+分子泵的組合。雖然分子泵也有啟動要求，在100Pa～150Pa的真空范圍之內(nèi)，跟低溫泵所需要的40Pa差不多。所以將分子泵替換掉低溫泵，完全能夠滿足皮拉尼真空計的5.0×10-3Pa的校正要求。

表1 不同真空泵的性能及優(yōu)缺點比較

（3）排氣時間長的解決結(jié)果：將低溫泵更換成分子泵以后，重新計算了一個工作循環(huán)所需要的時間。安裝上待校正的真空計5分鐘——前級泵初抽真空20分鐘——分子泵精抽20分鐘——真空計測量下限校正作業(yè)20分鐘——輸入氮氣5分鐘——真空計測量上限校正作業(yè)20分鐘—打開大氣閥5分鐘——取下校正完的真空計5分鐘，合計100分鐘，比改善前節(jié)約了500分鐘。雖然將低溫泵替換成分子泵，增加了固定資產(chǎn)的投資，但是校正設(shè)備提高了5倍的校正速度，滿足了生產(chǎn)廠家大批量生產(chǎn)的要求。

圖1 改良后皮拉尼真空計校正設(shè)備原理示意圖

1.2 解決真空度不良、漏率大的問題

（1）真空度不良、漏率的分析。對于校正設(shè)備來說，維持腔體的真空度，是真空計校正數(shù)據(jù)正確的必要條件。根據(jù)《工作用熱傳導(dǎo)真空計校準(zhǔn)規(guī)范》，校準(zhǔn)室的壓力在校準(zhǔn)范圍內(nèi)應(yīng)連續(xù)可調(diào)，在1 分鐘內(nèi)壓力穩(wěn)定度不超過±2%。能夠造成校正設(shè)備的真空度不良，是會有很多方面因素的。例如：腔體焊接的問題，法蘭的固定是否牢靠，O型圈是否有損傷，連接真空泵和真空腔體的管道有泄漏等。在校正設(shè)備改良之前，使用低溫泵精抽到10-7Pa以后，腔體的真空度會在30分鐘內(nèi)，降低到10-3Pa。急劇的真空度變化，說明校正設(shè)備存在有泄漏點，如果不把這個泄漏點解決的話，腔體內(nèi)的真空度不能在一段時間內(nèi)保持住，那么在對腔體上的20臺真空計校正時，第1臺真空計校正時的腔體真空度和第20臺真空計校正時的腔體真空度一定會有很大的偏差，對整體皮拉尼真空計的校正造成影響。過去進(jìn)行真空計的維修，因為數(shù)量少，1臺、2臺的維修，就算設(shè)備有泄漏點，也不會有大的問題，但是批量生產(chǎn)就有問題了，會影響皮拉尼真空計的產(chǎn)品質(zhì)量。

（2） 真空度不良、漏率大的解決方案：①使用氦質(zhì)譜檢漏儀，對校正設(shè)備的腔體，管道，連接法蘭等有可能造成泄漏的地方，進(jìn)行檢漏作業(yè)。將氦質(zhì)譜檢漏儀連接到校正設(shè)備的腔體，在啟動校正設(shè)備，并達(dá)到極限真空以后，在上述可能造成的泄露的地方，分別噴射濃度是99.99%的氦氣，然后看檢漏儀的讀數(shù)反應(yīng)。通過這種方法，發(fā)現(xiàn)腔體與排氣系統(tǒng)連接處的法蘭，在噴射氦氣以后，檢漏儀的讀數(shù)有明顯增高，說明該處有漏點，需要更換。因此，決定將該法蘭更換成高真空的CF法蘭，消除了現(xiàn)有的這個漏點，同時也降低了今后管道連接出現(xiàn)微漏的可能性。②在校正作業(yè)中，測量皮拉尼真空計的上限和下限時，需要對校正設(shè)備的腔體內(nèi)注入氣體，目前是通過一個手動的閥門來控制的。為了更精確地通過手動閥門來控制氣體的注入量，追加了一個高真空用的放氣閥門。這樣，在校正作業(yè)時，就能高精度的控制氣體的流量。③根據(jù)《工作用熱傳導(dǎo)真空計校準(zhǔn)規(guī)范》校正用的氣體，純度不低于99.9%的氮氣。因此在校正設(shè)備旁邊，追加了專門放置液化氣瓶的固定裝置，將校正設(shè)備用的氣體，從空氣改為氮氣(濃度為99.99%)，高于校準(zhǔn)規(guī)范的要求，減少了空氣中氣體的變化造成的皮拉尼真空計讀數(shù)誤差。

（3）真空度不良、漏率大的解決結(jié)果：通過對校正設(shè)備進(jìn)行檢漏，更換了連接排氣系統(tǒng)和腔體的法蘭，追加了手動放氣閥門，從根本上解決了真空度不良、漏率大的問題，為產(chǎn)品的質(zhì)量的穩(wěn)定，提供了設(shè)備的保證。并且根據(jù)今后生產(chǎn)的實際情況，在校正設(shè)備的旁邊，追加了氮氣氣瓶的固定裝置，也提高了生產(chǎn)的安全性和可操作性。

1.3 滿足規(guī)范要求，需要解決的其他問題

（1）校正區(qū)域的環(huán)境條件：根據(jù)《工作用熱傳導(dǎo)真空計校準(zhǔn)規(guī)范》，環(huán)境溫度為（23±5）℃，相對濕度不大于80%。因此，把校正作業(yè)的區(qū)域，設(shè)置在專門的房間，配備了專用的空調(diào)，并設(shè)置了溫濕度控制，滿足了校正作業(yè)所需要的作業(yè)環(huán)境條件。

（2）為了減少校正設(shè)備的腔體內(nèi)的水分或其他有害物質(zhì)對極限壓力造成影響，通過多次試驗，發(fā)現(xiàn)定期對校正設(shè)備的腔體進(jìn)行加熱并排氣抽真空的話，可以盡可能地減少腔體內(nèi)的水分或其他有害物質(zhì)對極限壓力的影響，使校正設(shè)備能夠長期穩(wěn)定運行。

（3）為了較少校正區(qū)域的灰塵，對皮拉尼真空計規(guī)管的污染，除了在真空計的組裝車間，按照準(zhǔn)凈化車間的要求，作業(yè)人員更換專門的潔凈服，并戴上專門的潔凈服的帽子，在校正作業(yè)的房間，也是按照凈化車間的要求來規(guī)定作業(yè)人員的服裝，盡量減少對真空計規(guī)管的影響。

2 結(jié)語

本次對皮拉尼真空計的校正設(shè)備的改良，將低溫泵替換成分子泵，解決了校正設(shè)備排氣時間長，只能用于小數(shù)量的維修，不能適用于批量生產(chǎn)的問題，校正的工作效率提高了5倍，使得20臺皮拉尼真空計的校正時間由原來的600分鐘縮短到100分鐘；找到了校正設(shè)備存在的真空度不良的漏點，解決了真空度不良和漏率大的問題。雖然更換分子泵、高真空用法蘭、追加放氣閥門等，花費了約40萬元，但是對于新買1臺300萬元的校正設(shè)備來說，進(jìn)行改良的費用還是非常經(jīng)濟(jì)的，為企業(yè)節(jié)約了近260萬元的成本，并且提高了生產(chǎn)效率。

通過這次改良的工作，使本人認(rèn)識到，對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，比新買一臺設(shè)備，能節(jié)約很多成本。對設(shè)備的改造，也要根據(jù)最新的需求來進(jìn)行，否則改造的目的會不明確。今后對設(shè)備改造改良之前，要先熟悉國家的相關(guān)的規(guī)范。畢竟國外的標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)是有差異的，如果在中國當(dāng)?shù)剡M(jìn)行國產(chǎn)化生產(chǎn)的話，一定要符合中國國內(nèi)的相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。