3 種典型真空監測儀表的故障梳理與可靠性強化

王美聰 孫宏存 張松權(.廣州大學，廣東 廣州 50006；. 沈陽化工大學，遼寧 沈陽 04；. 杭州盤古自動化系統有限公司，浙江 杭州 000)

0 引言

真空科學的應用領域很廣，目前已經滲透到冶金、土木建筑、機械、包裝、環保、醫療器械、石油、化工、食品、電子、原子能、半導體、航空航天、紡織以及造紙等工業部門和科學研究工作中。例如：真空可以用在冶金工業中，包括真空蒸餾、礦石及其半產品的真空分離，金屬化合物真空還原、鋼液爐外真空脫氣和精煉、金屬真空熔鑄、真空燒結，真空熱處理、真空釬焊及真空固態接合等多種工藝方法。

近年來，易燃易爆危險流體移動儲運裝備低溫絕熱壓力容器的安全性與壓力容器夾層的真空度密切相關，傳統的熱堆規組件具有明顯缺陷，有重大的安全隱患，且測量數據不能遠傳或者數據保存，以上給真空測量與真空檢漏技術提出新的挑戰。真空監測儀表(真空計)用于真空測量及真空撿漏。目前常用的真空監測儀表趨向于小型化、一體化、集成化、系統化和智能化。國內的生產廠家包括成都國光電氣股份有限公司、杭州盤古自動化系統有限公司、成都睿寶電子科技有限公司、成都中科唯實儀器有限公司、上海精密儀器儀表有限公司、北京中科科儀股份有限公司、寧波愛發科真空技術有限公司、成都藍泰士真空技術有限公司、上海宜福泰科等。在真空監測儀表研究領域，目前國外處于明顯優勢地位，其產品占據全球大部分市場。其中美國泰利德哈斯汀公司(Teledyne Hastings Instruments)的HPM系列儀表以及DV系列熱堆規是目前市場上占有率最高的產品，此外還有德國泰朗真空計、德國普發真空計、德國Leybold萊寶真空計、瑞士Inficon真空計等。真空監測儀表涉及真空、半導體、材料、機械、電子、通信等多個學科，是典型的高技術密集型產品，其故障類型、級別和原因交叉耦合，真空監測儀表的故障診斷存在故障點發現困難和故障點診斷困難的難題，這對可靠性強化的故障溯源分析提出極大挑戰。因此，為了強化真空監測儀表的可靠性，對現有真空監測儀表的故障進行分類和梳理，有利于迅速定位故障的層級和故障機理，對真空監測儀表的故障發現及技術發展具有重要的指導作用。

根據GB 3163—1982《真空技術名詞術語》中規定，真空可以按照氣壓強度分為以下幾類：低真空1×105～1×102Pa，中真空1×102～1×10-1Pa，高真空1×10-1～1×10-5Pa，超高真空1×10-5～1×10-9Pa，極高真空1×10-9Pa以下。按照真空儀表測量原理所利用的不同物理機制，真空儀表可分為利用機械力學性能、利用氣體動力學效應和利用帶電粒子效應三大類。目前常用的真空儀表有彈性式真空表、熱偶真空計、電阻真空計、電離真空計等相對真空儀表。通常高真空測量主要應用的是電離真空計。按照產生離子方法的不同，分為熱陰極電離真空計和冷陰極電離真空計。以熱陰極電離真空計為例，由熱陰極電離規管和測量儀器組成。測量儀器由規管工作電源，發射電流穩壓裝置和離子流測量放大器等部分組成，熱陰極電離規管與被測真空系統相通。熱陰極電離規管是一個三極管，管內有陰極、柵極和收集極。收集極電位，相對于陰極為負電位；柵極電位，相對于陰極為正電位。當電離規管通電加熱后，陰極發射出電子。此電子在到達柵極過程中，同氣體分子碰撞發生電離，產生正離子和電子。當發射電流一定時，正離子的數目與被測氣體壓強成正比。正離子被收集極收集后，經測量電路放大就可由指示電表讀出被測系統真空度。

本文調研了真空儀表的國內外發展狀況及成熟應用領域、測量工作原理及相關理論背景、國內真空儀表廠商的故障儀表，結合真空監測儀表的可靠性經驗，以建立真空監測儀表的可靠性強化為目標，分析真空監測儀表使用中所面臨的環境條件，對真空監測儀表進行故障梳理，探討真空監測儀表可靠性強化評價的重點考慮因素，為提出真空監測儀表可靠性強化評價方案奠定基礎，為我國的真空監測儀表高端制造作出貢獻。

1 真空監測儀表故障類型及故障梳理的意義

調研國內幾家主要真空監測儀表企業2018—2019年生產的儀表，其故障主要有信號板故障、表頭故障、電源故障、主機板故障及部分無法查明故障。作為真空儀表的核心器件的真空規管多出現真空度低、芯柱炸、漏氣、燈絲不亮、玻殼炸裂、燈絲斷、芯柱氧化、封尖斷等故障。目前的真空儀表廠家可以有效給出真空計故障種類，但是仍存在無法精準的定位到故障點的情況，缺少對部件故障原因的底層分析和測試，無法達到追根溯源的效果，因此找到故障點對于提高產品的可靠性具有重要的作用。現有一些研究通過對故障樹的定性分析能夠快速的定位故障位置，采取相應措施保障設備正常運行。宋志宇利用故障樹對電源模塊無輸出及輸出異常進行了分析，結果表明利用故障樹的方法可以找到故障事件的所有最小割集，每一個底事件的發生都會以一定概率造成頂事件的發生[1]。對于真空監測儀表出現的電源故障問題也可考慮利用故障樹分析的方法，而故障樹分析法的關鍵是梳理清底層故障類型。目前儀表的故障分類形式主要有下列幾種，如圖1所示，可分為故障存在的程度、故障發生發展的進程、故障嚴重程度、故障發生的原因、故障相關性及故障發生的事情等6個方面。

在分析其故障原因時應追溯故障根源，由于不同儀表的故障原因不盡相同，本文對于儀表故障原因主要按照圖1中的內因和外因，其故障原因可以梳理如圖2所示。由圖2可見，當真空監測儀表的故障原因按照內因和外因來分類時，內因包括軟件、硬件、組合工藝、突發性故障等，內因主要指的是產品的各個部件質量及設計工藝方面，外因包括環境因素和人為因素兩個方面。儀表的失效過程是復雜的，很難明確說明一塊儀表的失效到底是內因起主導作用還是外因起主導作用，但是內因決定品質，外因通過內因起作用，因此對真空監測儀表故障類型進行梳理分析具有重要的意義。

本文以3種測量高真空的真空儀表為例，梳理其典型故障[2]。隨著真空監測儀表設計及生產技術的不斷提高，很多故障得到了很好的規避和解決。隨著儀表設計結構的精細化，對于損壞的儀表進行故障判斷成本越發高昂，而對其進行故障梳理，則有利于對真空監測儀表進行持續改進，不斷完善產品的性能，用較低成本發現儀表的故障點。

圖1 儀表故障分類

圖2 故障原因分析

2 真空監測儀表故障梳理

2.1 熱偶式真空計故障梳理

熱偶式真空計易出現下列問題：(1)真空計的電源打開后指示燈不亮的問題，多是線路接觸不良所致，可通過在生產環節進行接口加固改進及質檢環節增加線路接口復檢進行產品的可靠性強化；(2)電源打開后加熱電流和測量無指示的問題，可能是指示電表、規管燈絲、電阻器等出問題導致的電路斷路問題，在采購、生產及質檢階段應該對可能導致的斷路因素進行嚴格管控，更高層次是在設計層面提升儀表的精準度和可靠性；(3)對于有熱電偶電流指示而無測量讀數、或測量讀數較小的問題，可通過對規管的熱電偶進行質量強化、改良規管各部分接觸情況等增加其可靠性；(4)對于無熱偶電流指示而有測量讀數則是出現了指示表斷路的情況，需要更換電阻并校準電流；(5)對于加熱電流失控故障，又可以分為兩種情況，一種是加熱電流過大不能調小，一種是加熱電流過小無法調大或無法調節，這部分故障主要與晶體管、電容器等有關；(6)若出現加熱電流不穩定的情況，則可檢查接頭接觸情況及穩壓電源是否失效等；(7)對于出現量程工作不正常的現象時，是量程開關或某一量程熱偶測量電路的元件損壞所致，可通過更換有關元件的方法解決。目前對熱偶式真空計的故障梳理中，暫時無法統計故障發生的時間，樣本量的不足導致無法獲得每類故障的權重，當然熱偶式真空計的故障不限于此，本文只列舉了部分故障內容。

2.2 定溫式電阻真空計故障梳理

定溫式電阻真空計同樣存在電子器件的故障問題，此外還有規管處于大氣狀態時指示電表超過滿度或較大固定偏轉、指示電表反偏超過零位或有較大幅度擺動、量程換擋銜接不好、多只規管測量結果不一樣、零點漂移過大等問題。目前常見故障涉及到的零件有電源插座及燈座各接口、指示電表、直流穩壓電源、量程轉換開關、電子管、倍壓整流管、規管電阻絲或規管、規管插座、直流補償電壓電源、滿度電位器、低頻振蕩電路的電子管、干擾、電阻絲污染、低頻電路、規管補償電位器等，對電阻真空計進行可靠性強化時，著重考慮這些器件的產品質量、安裝、維護等事宜。

2.3 電離真空計故障梳理

電離真空計作為主要和常用的真空計的一種，其故障體系較為詳細，其中包含了部分同熱偶式真空計、電阻真空計相同的故障種類，此外還有一些電離真空計所有的故障，總結如下：(1)電源開關打開后，指示燈不亮或較暗；(2)規管燈絲電源接通后燈絲不亮；(3)規管燈絲很暗，無發射電流或調不到額定值；(4)規管燈絲超過正常亮度且無發射電流；(5)調發射電流時規管燈絲亮度有變化但無發射指示；(6)發射電流指示超過滿度又無法調節；(7)發射電流不穩定；(8)除氣時加速極不紅；(9)離子流測量放大器無法調零，指示電表指針超過滿度或反偏；(10)在“校準”或“滿度”檔調不到滿度；(11)測量時指針無指示；(12)測量時電表指針反偏；(13)零點漂移顯著；(14)高量程檔的柵流影響加大。

上述問題發生的可能原因種類復雜，下面以冷陰極電離真空計為例進行可能的原因分析及解決方法。冷陰極電離真空計的常見故障具體表現為通電后無高壓或高壓很低、測量指示燈無指示、指示電表的偏轉過大、測量電表指示明顯不正確、不穩定等。導致上述故障的可能原因分別給予了分析和列出，變壓器的損壞、老化或擊穿，規管故障等，可以通過更換整流管、限流電阻、電表、檢修高壓穩壓電源等方式以解決對應的問題。圖3列舉了電離真空計之一的冷陰極電離真空計的故障、可能原因分析及解決方案的思維導圖。

總之，依據對現有收集到真空儀表的分析和美國WIKA Instrument公司的公開資料，真空儀表在使用過程中可能導致故障出現的外界因素可分為以下8類，這些因素可以作為真空儀表進行可靠性強化時的重點考慮因素[3]。

(1)振動。真空儀表運行時大都處于振動狀態，而長時間過度的振動可能會導致真空儀表內部部件出現問題，從而失效。

(2)脈動。真空系統中氣體介質的快速升降會使真空儀表指針產生不規律運動，導致內部部件損壞。

(3)極端溫度。極端的溫度會導致真空儀表金屬連接處松動，最終導致形變開裂。

圖3 冷陰極電離真空計故障、可能原因及解決方案

(4)壓力劇變/超壓。頻繁地壓力變化和超壓力工作會使真空儀表指針彎曲，破壞敏感元件完整性。

(5)腐蝕。在某些含高腐蝕性介質的工藝中，這些介質會損壞真空儀表中的敏感材料，從而導致失效。

(6)堵塞。含有懸浮顆粒、粘性或可結晶的介質會阻塞真空系統，導致真空儀表讀數不準確。

(7)蒸汽。一些反應介質會產生蒸汽，這些蒸汽往往也會造成真空儀表的內部敏感元件。

(8)處理不當。即使正確安裝的儀表，如果長時間操作或使用不當，也會出現故障。

3 結語

本文對3種典型的真空監測儀表進行了故障梳理，分析可能原因及可采取的解決方案。真空監測儀表的故障在收集的過程中，使用時間與故障種類之間關聯度的統計學分析的難度較大，這在一定程度上弱化了可靠性強化的進行，因為無法區分是由于器件本身存在設計缺陷所導致，還是器件生產質量不過關所致，亦或是使用過程中的環境因素或人為的失誤導致部件損壞從而使真空儀表失效。真空監測儀表故障梳理有利于確定真空監測儀表的可靠性強化的研究重點，對提高儀表的可靠性作出貢獻。