扩散真空泵性能自动测量系统的研制

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1、扩散真空泵性能自动测量系统的研制梁文升张世伟★张志军徐成海(东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳110004)摘要：本文介绍了一套新研制的扩散真空泵性能的自动测量系统。该系统可以按照国家标准规定的方法自动检测扩散真空泵的极限压力和抽速曲线。系统利用自主开发的光电液位检测方法和元件实现滴管液位的自动读取和记时；利用步进电机驱动针阀实现气体流量和测试罩内压力的自动调节；使用上位PC机和下位单片机的双级控制系统实现对整个测量系统和测量过程的自动控制。关键词：扩散泵；性能测量；设备研制；自动测量系统；抽速曲线；作为应用最

2、广的高真空抽气设备【11，油扩散泵在国内的生产、研究方面已达到相当的技术水平和一定的生产规模，被广泛应用于机械、电子、冶金、原子能、空间模拟等工业领域和科学技术研究中，为我国的科技发展做出了显著的贡献【2l。近几年来，国内扩散泵产品从外观、功能到性能都有了较大的进展”l。相对于扩散泵的生产企业数量和生产总量来说，国内扩散泵在产品性能检测方面还相对落后。目前很多企业尚没有自己的性能测量系统，对泵产品在出厂前的性能指标缺乏实际检测。国内现有的相关检测系统都采用全手动操作方式，对操作人员有较高的专业知识和实验技能要求，需

3、经过专门培训才能胜任此项工作，而且测量数据精度受许多人为因素的影响，这些都为生产厂家自己独立开展扩散泵性能测量增加了难度。针对这一现状，本文研制了一套扩散真空泵性能的自动测量系统。下面将就该系统的测量原理、系统的硬件与软件构成、研制过程所遇到的技术难点和解决措施作以介绍。1自动测量系统的测量原理该套测量系统对扩散泵的极限压力和不同入口压力下的抽速曲线的测量原理与方法，完全参照相关国家标准[41的规定执行。其中扩散泵抽速曲线的自动检测，采用“定压法”原理测量。对应每一个测压点的测量步骤是：在工作阀开启的条件下，利用针

4、阀调节充人测试罩的气体流量Q，使测试罩内的平衡压力P稳定在预期的压力值附近；关闭工作阀，依次记录滴管内液柱到达液位高度h1和h2的时间t，和幻；通过计算液柱净升高度h=h2一hl和上升所需时间t=(t厂t。)，利用下式求得对应压力下的体积流率，即抽速。．p砌6=：=——ppt式中：S一被测真空泵抽气速率，L／s；Q一流过泵口的气体流量，Pa·L／s；P-测试罩内规定位置的平衡压力，Pa；h一滴管内液柱上升净高度，mm；t一滴管内液柱上升所需时间，5；K一滴管函数，Pa·L／mm，其计算方法和理论推导详见参考文献【4

5、，5】。根据上述公式可知：要想计算出抽速S，需要已知对应测压点的K、h、p和t。其中，一61—滴管函数盖可以根据不同的滴管和连接管道尺寸，结合实际的测试工况事先计算出来；因此，实际需要读取的只有测试罩指定位置平衡压力P、滴管内液柱净升高度h和液柱净升高度^所需时间±三个量。该套测量系统所具有的自动测量功能，主要是指工作阀采用电磁阀自动开启关闭；针阀完成流量调节的过程采用步进电机驱动，并根据罩内实测压力与预设压力的对比进行反馈控制；利用光电液位开关测定滴管内液位到达设定位置h1和h2高度处的时间￡。和f：。整个测量过

6、程，以及之后的抽速计算、结果输出工作，均由计算机自动控制完成，只是在更换滴管和连接管路的过程中需要操作人员手工作业。2自动测量系统的硬件构成2．1机械部分构成该测量系统机械部分的主体设计方案基于国家标准‘”的详细规定。其结构如图1所示，主要由测试罩、提升机构、前级阀、预抽阀、工作阀、放气阍、微调阀、滴管、光电液位开关、贮液槽、台车和真空管路等组成，被测主泵为K一200型油扩散泵，前级为2x-4型旋片泵。考虑到该实验台的主要用途是服务于东北大学过程装备与控制工程专业本科生的真空实验教学，所以在结构和功能上有所改动、扩

7、展。对应K一200型油扩散泵，本应选用直径为200mm的测试罩，但考虑其它教学实验用途，本系统使用了直径为400ram的测试晕，中间加装锥形过渡接口和插板阀与被测扩散泵相连。这些会导致增加管道流导，从而使泵的抽速测定值降低，但不影响测量系统的工作原理和使用方法。在测试罩上还留有两个真空规管接口、一个前级阀接口、一个微调阀进气口、顶端留有放气口，以及连接其他真空测试仪器的两个备用接口。提升机构可以将测试罩提起，方便主泵的更换和其它教学实验的完成。考虑到要实现自动控制，所有的阀门均选择电磁驱动。此外．根据实验需要，还专

8、门订制了内径分别为15、3、5、lo、20、30、50ram的一系列滴管。t一台车；2一贮液槽．3一变＆器油．4-光电液位开关；5一滴管支架；6-工作阀，7一滴管；s一真空管；9一针阕．1肛提升机构；11一步进电n；12一测试罩；13一放气阁；I扣电离规{15一电阻规．16一预抽阀；17一渡纹管：18一锥形过渡接口；19一插板阀；20一前级闽：2l一扩敬泵：