新型復合真空計校準技術研究

劉 波，李 平，丁立莉，劉 卿，范文雋，馮黎明

（1.西安航天計量測試研究所，西安 710100；2.西安航天化學動力廠，西安 710025）

新型復合真空計校準技術研究

劉 波1，李 平1，丁立莉1，劉 卿1，范文雋1，馮黎明2

（1.西安航天計量測試研究所，西安 710100；2.西安航天化學動力廠，西安 710025）

隨著真空應用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新型復合真空計由于其具有優(yōu)越的技術性能，在真空測量領域發(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。該真空計采用模塊化集成設計，實驗室常規(guī)的校準方法無法進行校準，通過對反磁控皮拉尼復合真空計測量原理的分析，將可變量輸出的對數(shù)模擬標準電壓信號轉(zhuǎn)化為真空度信號，進行示值誤差分析，對照國家頒布的相關校準規(guī)范，給出校準結(jié)果。此技術為復合真空計的校準提供了實驗基礎和理論依據(jù)，解決了該類型真空計的校準難題。

反磁控復合真空計；真空標準裝置；惠斯通電橋；示值相對誤差

0 引言

隨著真空應用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，真空測量技術已廣泛應用于我國的航天、航空、電子、船舶、核、兵器等重要國防領域及關系民生的石油、化工、制冷、醫(yī)藥、光學等行業(yè)[1]。在目前倡導工業(yè)自動化的時代，大型的真空環(huán)模設備、真空鍍膜設備、真空釬焊機、真空實驗艙等實驗設備已被相關廠礦、院所及各大高校廣泛使用。常規(guī)的熱傳導式真空計及電離真空計由于測量范圍有限、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)展的真空技術需求。新式的B-A型皮拉尼復合真空計、B-A型皮拉尼電容膜片三合一復合真空計、反磁控皮拉尼復合真空計，具有測量范圍寬（一般能達到十個以上的測量區(qū)間段）、抗污染能力強、測量誤差小、更換零部件后可重復使用等特點，被相關企事業(yè)單位廣泛采用，已是目前大型真空設備真空度測量的主要儀器。

通過近些年新型復合真空計的發(fā)展及更新，目前常用的這些復合計使用性能及技術指標都十分穩(wěn)定，是傳統(tǒng)真空計的理想換代產(chǎn)品。由于具有將多支真空計的測量參數(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，測量敏感部件受污染后清洗方便、更換簡單，可多次重復使用等優(yōu)點，而且此類復合計為了順應新技術發(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)線直接連接真空設備工控系統(tǒng)、PLC控制器及程控計算機，采用工控機內(nèi)部數(shù)據(jù)處理后將復合計輸出的標準電壓信號轉(zhuǎn)換成真空度信號，用電腦顯示器直接讀取參數(shù)，通過工控機控制相關閥門及儀器儀表，為相關生產(chǎn)企業(yè)節(jié)省人力、物力及生產(chǎn)成本。

隨著這些新型復合計被大量使用，周期計量校準問題也日益突顯，由于送校時無法提供測量數(shù)據(jù)線及工控系統(tǒng)，校準部門對輸出真空信號無法進行直接采集，不能進行校準工作。基于大量客戶的需求，也為了促使真空計量技術的發(fā)展，以反磁控皮拉尼復合真空計為例，研究了這類新型復合計的計量校準問題。

1 反磁控皮拉尼復合真空計的原理及換算函數(shù)

1.1 原理

反磁控皮拉尼復合真空計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)，通過感應溫差變化及電子電離放電進行信號采集及控制。二者組合后，大幅降低了安裝、設置和集成的復雜性，可根據(jù)測量范圍的不同自動切換，為跨范圍應用提供無縫的躍遷性、實用性和靈活性。獨特的可更換雙室真空傳感器單元延長了清洗周期，減少維護次數(shù)，是同類產(chǎn)品中較經(jīng)濟耐用的測量儀器，且具有結(jié)構堅固、操作方便、靈敏度高等特點。

皮拉尼測量部分屬于熱傳導式真空計的一種，利用惠斯通電橋的補償原理，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)生相應的壓力變化，根據(jù)電壓值的變化換算出所對應的真空度。

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動與微波磁控管相似，將磁控管中的陰極當陽極，陽極當陰極，在真空環(huán)境下，規(guī)管中的電子經(jīng)過多次電離碰撞后，在奔向陽極時受到強磁場的作用產(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動軌跡，造成電離氣體分子的機會大幅增加，形成離子流。離子流與真空度的關系如式（1）：

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

1.2 理論換算函數(shù)

反磁控皮拉尼復合真空計是采用模塊化集成，將需要測量的真空度轉(zhuǎn)化為可變量輸出的對數(shù)模擬標準電壓信號，利用真空度的變量與電壓信號的變量函數(shù)換算關系進行測量與控制。目前常用的反磁控皮拉尼復合真空計的測量范圍是1×10-7～1× 105Pa，相對應的輸出標準電壓范圍是在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)關系為式（2）：

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

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

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

2 實驗裝置

反磁控皮拉尼復合真空計的校準由比較法真空標準裝置[1]與信號采集控制單元兩部分組成，比較法真空標準裝置模擬真空環(huán)境，提供動態(tài)的真空實驗參數(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成，信號輸入控制器提供穩(wěn)定的直流電壓給復合計供電，信號采集控制器進行復合計輸出電壓信號的采集。

比較法真空標準裝置由抽氣系統(tǒng)、校準系統(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、校準效率高、使用成本較低等因素，是目前企事業(yè)單位實驗室常用的校準裝置。結(jié)構原理示意圖如圖1所示。

對反磁控皮拉尼復合真空計的信號采集控制，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，使模塊達到正常工作狀態(tài)，為信號采集提供條件。校準時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準電壓信號進行采集，原理示意圖如圖2所示。

圖1 比較法真空標準裝置原理示意圖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 實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

3.1 實驗結(jié)果

選取一支型號為GeminiMPG504反磁控皮拉尼復合真空計進行校準實驗，連接在比較法真空標準裝置上，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

利用比較法真空標準裝置模擬真空環(huán)境，當達到校準工作條件狀態(tài)時，讀取標準裝置的真空度示值，并利用信號采集器同時采集與該真空度對應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)關系式，可以計算出每個輸出電壓所對應的真空度，將電壓值換算為壓力值，進行后期的數(shù)據(jù)處理，校準結(jié)果如表2所列。

3.2 數(shù)據(jù)分析

通過查看GeminiMPG504反磁控皮拉尼復合真空計的使用說明書可知，在氮氣環(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%。由于復合真空計在校準條件下其壓力示值相對誤差應滿足JJF1050-1996和JJF1062-1999的技術指標要求[2-3]，因此反磁控測量部分應滿足+100%～-60%的示值相對誤差要求，皮拉尼測量部分應滿足小于±50%的示值相對誤差要求。

表2 Gem iniMPG504型反磁控皮拉尼復合真空計校準數(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準真空度示值之間的對應關系，利用式（3）計算出每個校準點對應的示值相對誤差，正確給出校準結(jié)果，如表3所示。

通過數(shù)據(jù)處理可知，新型復合計皮拉尼測量部分校準區(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%的指標要求。反磁控測量部分校準區(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%的技術指標要求，校準數(shù)據(jù)完全符合校準規(guī)范要求。

4 結(jié)論

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

綜上所述，在校準新型高精度集成化復合真空計時，常規(guī)的校準方法已不能滿足真空測量技術發(fā)展的要求，利用輸出信號與真空度的對數(shù)函數(shù)關系式，將輸出信號轉(zhuǎn)換為真空信號，進行校準和數(shù)據(jù)處理，通過分析處理后的數(shù)據(jù)，判斷其相應的校準結(jié)果是否滿足校準規(guī)范，為新型復合真空計的周期校準提供了實驗基礎和理論依據(jù)，能夠正常進行測量工作提供了數(shù)據(jù)支持，解決了相關類型復合真空計的校準難題。

[1]李得天.真空計量新技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

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

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

[4]中國國家標準化管理委員會.JJF1062-1999.電離真空計校準規(guī)范[S].北京：中國計量出版社，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，主要從事真空計量與測試研究工作。E-mail：liubozhangyan@sina.com。