皮拉尼真空計(jì)校正工藝的改進(jìn)

張斌

愛發(fā)科（中國）投資有限公司 上海 201199

皮拉尼真空計(jì)是利用惠斯通電橋 Wheatstone bridge 的補(bǔ)償原理，以低溫的氣體分子在做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)時(shí)，碰撞到高溫的固體以后，會(huì)吸收掉一部分高溫固體的熱量。通過計(jì)算被氣體分子吸收掉的熱量，來計(jì)算氣體壓力的真空計(jì)。因此，皮拉尼真空計(jì)所檢測(cè)的氣體真空度，與被測(cè)氣體無關(guān)。而且，皮拉尼真空計(jì)的檢測(cè)方法，不是通過直接測(cè)量，而是通過數(shù)據(jù)的換算得到結(jié)果的一種方法。

目前，我們公司的皮拉尼真空計(jì)的校正設(shè)備，使用的是比較法。由于皮拉尼真空計(jì)上的可調(diào)電阻相對(duì)于的電壓值與設(shè)計(jì)電壓值，分別對(duì)應(yīng)校正后的真空計(jì)的讀數(shù)與校正設(shè)備上配備的標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)的讀數(shù)，通過對(duì)電壓值進(jìn)行比較，以兩者讀數(shù)的差異大小，來判斷校正后的真空計(jì)是否合格的方法。這也是皮拉尼真空計(jì)校正作業(yè)中，最通用最標(biāo)準(zhǔn)的做法[1]。

我們公司的皮拉尼真空計(jì)，以前都是海外生產(chǎn)，在中國國內(nèi)銷售的。隨著公司在中國國內(nèi)生產(chǎn)國產(chǎn)化的皮拉尼真空計(jì)，要保證國產(chǎn)化的品質(zhì)與進(jìn)口的皮拉尼真空計(jì)是一樣的，最關(guān)鍵的還是出廠前的校正作業(yè)。如果校正作業(yè)過關(guān)了，那么國產(chǎn)皮拉尼真空計(jì)的讀數(shù)精度和測(cè)量誤差，就與進(jìn)口的皮拉尼真空計(jì)的在同一個(gè)水平了。公司完成了皮拉尼真空計(jì)的國產(chǎn)化研發(fā)，同時(shí)也對(duì)現(xiàn)有的校正設(shè)備，進(jìn)行了改良，把當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)只適用于維修時(shí)的校正設(shè)備，現(xiàn)在能用于批量生產(chǎn)時(shí)的校正作業(yè)。但是，從試制的皮拉尼真空計(jì)的校正數(shù)據(jù)來看，校正后的皮拉尼真空計(jì)的讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)的讀數(shù)，還是存在很大的偏差。因此，需要解決皮拉尼真空計(jì)的讀數(shù)與校正設(shè)備真空腔體上配置的標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)的讀數(shù)之間差異的問題，來保證了校正數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、真實(shí)性和可靠性。

1 校正工藝的改進(jìn)過程

1.1 解決讀數(shù)差異的問題

1.1.1 讀數(shù)差異的分析

（1）從目前的校正流程著手，來尋找問題在哪里。目前皮拉尼真空計(jì)的校正流程如下：將皮拉尼真空計(jì)在空氣環(huán)境內(nèi)放置24小時(shí)，進(jìn)行老化——在空氣環(huán)境下，使用萬用表，調(diào)整電橋電壓到固定值——將皮拉尼真空計(jì)固定到校正設(shè)備上，通過排氣系統(tǒng)排氣，使校正設(shè)備的腔體真空度達(dá)到5.0×10-3Pa以下——零點(diǎn)調(diào)整，如圖1，將 A電阻的電壓值調(diào)整到最大——將氮?dú)猓∟2）輸入腔體，將腔體壓力調(diào)為1.0×101Pa，調(diào)節(jié)B電阻的電壓值——將腔體壓力調(diào)為1.0×103Pa，調(diào)節(jié)C電阻的電壓值——將腔體壓力調(diào)為1.0×104Pa，調(diào)節(jié)D電阻的電壓值——將腔體壓力調(diào)為1.0×105Pa，調(diào)節(jié)E電阻的電壓值——通過排氣系統(tǒng)排氣，使校正設(shè)備的腔體真空度達(dá)到5.0×10-3Pa以下，再次進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整，將A電阻的電壓值調(diào)整到最大，這樣，校正的工作就完成了。

為了避免調(diào)節(jié)電阻時(shí)出現(xiàn)失誤，我們采用的是制作專門的調(diào)節(jié)電阻用外殼，如圖1。

從這個(gè)校正的流程來看，在調(diào)節(jié)校正設(shè)備的腔體壓力時(shí)，對(duì)于待校正的皮拉尼真空計(jì)，都是通過調(diào)節(jié)各個(gè)電阻值，使得萬用表的讀數(shù)符合校正流程書規(guī)定的數(shù)值。通過多次操作，發(fā)現(xiàn)用來測(cè)量讀數(shù)的萬用表的2根表棒，如果跟被測(cè)點(diǎn)的接觸不是很可靠的話，萬用表的讀數(shù)就會(huì)出現(xiàn)偏差。校正設(shè)備的腔體上，一次性可以接20個(gè)皮拉尼真空計(jì)，通過幾次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于萬用表表棒的接觸不良，而造成的讀數(shù)偏差，可以超過20%以上。對(duì)于國產(chǎn)的皮拉尼真空計(jì)的真空度測(cè)量誤差來說，中國國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)是30%以內(nèi)，我公司的標(biāo)準(zhǔn)是10%以內(nèi)。如果單純的萬用表的讀數(shù)的誤差就超過20%的話，就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過公司的10%的標(biāo)準(zhǔn)了。因此改善萬用表測(cè)量時(shí)的接觸不良，就是亟需解決的問題[2]。

圖1 校正作業(yè)時(shí)，調(diào)節(jié)可變電阻的專用外殼

（2）同時(shí)，通過多次的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)我們?cè)诎葱Ｕ鞒踢M(jìn)行皮拉尼真空計(jì)的校正作業(yè)時(shí)，每次對(duì)校正設(shè)備的腔體的壓力進(jìn)行調(diào)整后，如果馬上進(jìn)行可調(diào)電阻的電壓值調(diào)整，那么真空計(jì)的校正后的顯示值，與標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)的顯示值，就會(huì)存在25%左右的讀數(shù)差異。是不是由于對(duì)腔體的壓力進(jìn)行調(diào)整以后，腔體內(nèi)的氣體分子，需要通過一定的時(shí)間，才能達(dá)到穩(wěn)定呢？我們參考了相關(guān)的文獻(xiàn)，了解到真空度測(cè)量的主要條件就是要在平衡態(tài)下測(cè)量，氣體分子在校準(zhǔn)設(shè)備的腔體內(nèi)分布的均勻性，直接影響到真空度測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。所以，在對(duì)校正設(shè)備的腔體壓力進(jìn)行調(diào)整以后，馬上進(jìn)行可調(diào)電阻的電壓值調(diào)整時(shí)，是在腔體內(nèi)的氣體分子沒有達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)進(jìn)行的，這樣操作，是會(huì)對(duì)最終的讀數(shù)產(chǎn)生差異的。

1.1.2 讀數(shù)差異的解決方案

（1）根據(jù)上述分析的原因，解決現(xiàn)有的萬用表表棒的接觸不良的問題，是減少皮拉尼真空計(jì)讀數(shù)差異的最主要方法。目前的測(cè)量是用萬用表的表棒，每次去接觸可調(diào)電阻的兩端，如果有一種夾具，直接牢固地固定在可調(diào)電阻的2端，那么，就可以解決這個(gè)問題了。但是，在整個(gè)皮拉尼真空計(jì)的校正過程中，需要對(duì)5個(gè)可調(diào)電阻進(jìn)行調(diào)整電壓的作業(yè)，一臺(tái)校正設(shè)備上，一次性可以校正20臺(tái)皮拉尼真空計(jì)，如果每個(gè)可調(diào)電阻都用固定夾具進(jìn)行固定的話，那么，整個(gè)校正設(shè)備上會(huì)多出幾百條線，在校正作業(yè)時(shí)，操作人員會(huì)很容易搞錯(cuò)那臺(tái)真空計(jì)接那條線路的。通過對(duì)真空計(jì)的電子線路構(gòu)造進(jìn)行進(jìn)一步的分析，我們發(fā)現(xiàn)，在校正作業(yè)是，需要調(diào)整電壓值的5個(gè)可變電阻，都有一個(gè)共同的COM接地口。與真空計(jì)線路板的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行溝通，了解到可以通過真空計(jì)的輸入輸出端口，取得上述5個(gè)可變電阻的電壓值。因此，決定放棄用萬用表的表棒來測(cè)量各個(gè)可變電阻的電壓值，而用真空計(jì)的輸入輸出端口來取得電壓值。輸入輸出端口的連接，比萬用表的表棒接觸要牢靠得多，可以最大限度地減少接觸不良而造成的誤差。

表1 被測(cè)真空計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)的讀數(shù)誤差

圖2 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)與被測(cè)真空計(jì)的測(cè)量誤差折線圖

（2）腔體內(nèi)的氣體分子沒有達(dá)到平衡狀態(tài)就進(jìn)行校正的問題，我們進(jìn)行了多次的測(cè)試，都是在對(duì)腔體內(nèi)充入氮?dú)庖院?，關(guān)閉閥門，分別按穩(wěn)定30秒、60秒、90秒、120秒、150秒，再進(jìn)行可變電阻的電壓值調(diào)整。最后將各校正好的真空計(jì)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)的讀數(shù)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)比結(jié)果如表1所示，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定30秒后的數(shù)據(jù)讀數(shù)有相對(duì)較大的偏差，而穩(wěn)定60秒以后的皮拉尼真空計(jì)的讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)的讀數(shù)誤差，就能控制到10%以內(nèi)。通過多次的測(cè)試試驗(yàn)，我們也找到了適合公司這臺(tái)校正設(shè)備的氮?dú)獬淙牒?，腔體內(nèi)氣體的穩(wěn)定時(shí)間。

1.1.3 讀數(shù)差異的解決結(jié)果

根據(jù)上述的解決方案，我們將皮拉尼真空計(jì)的校正流程進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整前后的對(duì)比如表2。

1.2 提高校正數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、真實(shí)性和可靠性的問題

1.2.1 提高校正數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、真實(shí)性和可靠性的分析

（1）提高校正數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、真實(shí)性和可靠性，也是提高皮拉尼真空計(jì)質(zhì)量的品質(zhì)的一個(gè)方面。目前的校正設(shè)備，配備了2套真空計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)。從大氣105Pa-10-1Pa，使用的是薄膜真空計(jì)，10-1Pa-10-5Pa，使用的是電離真空計(jì)。由于真空計(jì)的構(gòu)造，薄膜真空計(jì)跟所測(cè)的氣體種類無關(guān)來說，而電離真空計(jì)跟所測(cè)的氣體種類有關(guān)。如果要提高標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)的測(cè)量精度的話，最好是選用的標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)要與所測(cè)的氣體種類無關(guān)。這樣的話，也需要將電離真空計(jì)更換成薄膜真空計(jì)。

（2）目前，被校正的皮拉尼真空計(jì)的測(cè)試數(shù)據(jù)，都是每次一個(gè)數(shù)據(jù)，由校正作業(yè)人員手工記入的電腦里。在實(shí)際的記錄過程中，有數(shù)據(jù)記錄錯(cuò)誤的情況，這種數(shù)據(jù)記錄錯(cuò)誤，也會(huì)對(duì)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)記錄，造成影響。因此，避免人為的錯(cuò)誤，還是使用能夠根據(jù)測(cè)量的結(jié)果，自動(dòng)進(jìn)行記錄的系統(tǒng)比較好。

1.2.2 提高校正數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、真實(shí)性和可靠性的解決方案

（1）從提高標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)的測(cè)量精度來考慮，還是選用標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)要與所測(cè)的氣體種類無關(guān)的。這樣的話，就需要將電離真空計(jì)更換成薄膜真空計(jì)。從大氣105Pa-10-1Pa，使用的是薄膜真空計(jì)，10-1Pa-10-5Pa，也選用了薄膜真空計(jì)。

（2）為了能夠即時(shí)記錄測(cè)量的數(shù)據(jù)，減少人工操作出現(xiàn)的誤輸入，從市場(chǎng)上找到一款設(shè)備，在每次調(diào)整可變電阻的電壓值時(shí)，相應(yīng)的電壓值就可以通過設(shè)備自動(dòng)記錄，并保存到電腦里面。我們找到的這款設(shè)備是安捷倫的Keysight34970A數(shù)據(jù)采集器20-60通道記錄儀。設(shè)備如下圖。我們的校正設(shè)備是一次性可以校正20臺(tái)皮拉尼真空計(jì)，該設(shè)備至少有20個(gè)通道，完全符合我們的要求。同時(shí)，這個(gè)數(shù)據(jù)采集器也是通過真空計(jì)的輸入輸出端口進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取的[3]。

這樣一臺(tái)皮拉尼真空計(jì)按校正流程做完校正以后，這臺(tái)真空計(jì)在腔體壓力變化的各個(gè)階段的電壓值讀數(shù)，也就出來了，然后輸入電腦，通過在EXCEL表格內(nèi)設(shè)置公式，可以講理論的電壓值讀數(shù)與測(cè)得的讀數(shù)進(jìn)行對(duì)比，那么這臺(tái)真空計(jì)的讀數(shù)誤差是否在范圍之內(nèi)，馬上可以通過電腦的EXCEL表格來看到。

1.2.3 提高校正數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、真實(shí)性和可靠性的解決結(jié)果

通過將標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)中的電離真空計(jì)改為薄膜真空計(jì)，使被測(cè)真空計(jì)的讀數(shù)不收測(cè)量氣體的影響；同時(shí)導(dǎo)入自動(dòng)記錄測(cè)量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，減少了人為失誤，提高了校正數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、真實(shí)性和可靠性，也進(jìn)一步保證了皮拉尼真空計(jì)的出廠品質(zhì)。

表2 校正流程調(diào)整前后對(duì)比表

圖3 安捷倫的Keysight34970A數(shù)據(jù)采集器20-60通道記錄儀

2 結(jié)語

本次對(duì)皮拉尼真空計(jì)的校正工藝的改進(jìn)，主要是解決了以下的問題：

對(duì)于測(cè)量?jī)x器與被測(cè)點(diǎn)的接觸不良，通過將測(cè)量?jī)x器與COM接地點(diǎn)用夾具固定牢靠，并且將可變電阻另一端的測(cè)量點(diǎn)也用夾具固定的方式，減少了接觸不良而造成的讀數(shù)誤差。

每次調(diào)整校正設(shè)備的腔體壓力以后，立即進(jìn)行校正和過一段時(shí)間進(jìn)行校正，會(huì)出現(xiàn)較大誤差。通過試驗(yàn)，發(fā)行在調(diào)整腔體壓力以后，穩(wěn)定1分鐘的話，就可以避免較大的讀數(shù)誤差的出現(xiàn)。由此修改了校正的操作流程。

通過將作為標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)的電離真空計(jì)改為薄膜真空計(jì)，同時(shí)導(dǎo)入了數(shù)據(jù)自動(dòng)記入系統(tǒng)，提高校正數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、真實(shí)性和可靠性。

通過這次校正工藝的改進(jìn)工作，讓本人認(rèn)識(shí)到，任何作業(yè)都存在可以改進(jìn)的地方，一方面自己一定要有目標(biāo)，另一方面也要有科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，這樣就一定能夠把工作做好。