薄膜真空计替代压缩式真空计技术探讨

2008-11-26 唐景远上海市计量测试技术研究院

历来, 对容积式真空泵(如旋片真空泵、滑阀真空泵、罗茨真空泵等)的极限真空度测试都是采用传统的压缩式真空计(即麦克劳真空计)。在我国现行有关对容积式真空泵性能的测试标准(机械工业部标准JB/T 7266294)中也明确地规定了这一点。

众所周知, 压缩式真空计的诞生至今已有120年的历史, 由于它是一种颇为有效的、直观且价廉的绝对式真空度测量仪表, 所以一直使用到现在。然而, 它也存在着一个致命的弱点, 其使用的工作介质为汞。汞对于人类健康来说是一种有害有毒物质。压缩式真空计又是玻璃制品, 操作人员稍有不慎, 极易破碎, 汞的外溢给人和环境带来严重的公害。因此,世界上发达国家早已撇弃用压缩式真空计来作工作用真空计。如德国莱宝公司(L EBOLD) 采用薄膜真空计, 日本真空公司(ULVAC)、法国ALCA TEL 公司等采用电阻真空计来测量容积式真空泵的性能。

随着我国整个工业水平的提高, 人民物质生活的富裕, 环境保护意识的强化, 对于压缩式真空计使用的危害性也成为广大用户所认识, 对于撇弃工作用压缩式真空计的呼声也日益高涨。作为真空科技工作者, 研制一种新颖的能完全替代压缩式真空度的测试仪器是义不容辞的职责, 并具有十分明显的社会和经济效益。

装置原理

对于容积真空泵性能检测用的压缩式真空计,一般而言, 其量程在100～ 1022Pa 范围, 精度要求在±10% 已足够。欲替代压缩式真空计一定要满足这一必要条件。除此之外, 按照现行部标准JB/T 7266294 的要求, 用作容积真空泵性能检测用的压缩式真空计, 由于测量的是永久性气体分压强, 因此又要求足测试永久性气体分压强的特定条件。

鉴于上述两个要求, 我们认为选择薄膜真空计、冷阱的组合装置不仅是适宜的, 而且也是可取的。装置的原理图如图1 所示。

真空测量装置图

11 被测的容积真空泵　21 阀门　31 冷阱　41 薄膜真空计规管 51 薄膜真空计显示仪表

图1　新的检测装置原理图

薄膜式真空计是利用薄膜片受力产生形变的原理而制成的一种相对式真空计, 也是一种全压强真空计。其特点为精度高, 响应快、稳定可靠、使用方便, 尤其是结构小巧坚固, 材质耐腐蚀, 且能长期承受过载运行, 特别适宜于在恶劣环境中工作, 在这些方面比之于压缩式真空计具有明显的优越性, 也完全避免了使用有毒有害的汞介质。然而, 要采用薄膜真空计替代容积真空泵性能检测用的压缩式真空计必须解决以下三个技术关键。

① 扩展现有薄膜真空计的测量下限。一般而言, 我国现有的薄膜真空计的下限为0. 1Pa, 为此,必须研制测量下限为0. 02Pa 以下的低量程薄膜真空计。

② 消除水、油等可凝性蒸汽的影响, 使薄膜真空计测得的应与压缩式真空测量的同样是永久性气体的分压强。

③ 薄膜真空计是一种相对真空计, 由显示仪表输出的是电参量, 为此必须解决真空计的量值校准问题。

试验结果

测量下限为0. 02Pa 的薄膜真空计是新测试装置的关键, 由于测量下限0. 02Pa 已接近薄膜真空计能灵敏反应的极限值, 且对零位飘移的要求非常苛刻。经反复试验, 对所选用的金属材料进行更为严格的稳定性技术处理; 对电子元、器件的筛选及老化提出了全新的保障体系; 对零部件的质量检验和生产环境要求也作出了详尽的规定。更为重要的是摸索出了传感器敏感元件的压力对位移变化的特性曲线, 为研制出测量下限为0. 02Pa 的低量程薄膜真空计奠定了基础。现在, 该低量程薄膜真空计的零位飘移可以控制在4h 内不偏离1 位数字(±1mV )。与美国M KS 公司的同类产品进行对比试验, 数据表明在允许的误差范围内相一致。

众所周知, 薄膜真空计是相对真空计, 其压力绝对值还需经过绝对真空计来标定, 对于它的全量程校准可以由压缩式真空计或在膨胀法校准系统上完成。下面一组数据表2 为用金属真空校准系统进行校准的数据。校准误差为±10%。

用本测试装置对2XZ22 旋片真空泵的极限真空度进行了实测也表明能够替代压缩式真空计。当冷阱未加液氮时, 用薄膜式真空计测得的结果要比用压缩式真空计高一个量级左右, 而在冷阱中加入液氮后, 经过约半小时的稳定时间, 其测得的结果与用压缩式真空计测得的结果在允许的误差范围内相一致。图2 为一组用压缩式真空计和薄膜真空计测量2XZ22 旋片式真空泵极限真空度的曲线。

旋片式真空泵极限真空度的曲线