熱真空模擬試驗中的真空度測量

一、熱真空模擬試驗概述

　　熱真空試驗就是將產(chǎn)品置于熱真空試驗設備中，由試驗設備提供模擬的空間環(huán)境(真空與溫度組成)，即是使產(chǎn)品在真空條件下，通過(guò)熱浸、冷浸形成溫度循環(huán)，以此考核產(chǎn)品的空間環(huán)境適應性。

二、熱真空環(huán)境的模擬

　　以HVT1200型熱真空試驗設備為例，其實(shí)現真空環(huán)境的功能框圖如圖1所示，其工作原理為：由前級旋片泵將罐體內的氣體氣壓抽至5Pa， 且抽出的氣體直接由輸送管道送出罐體外， 與此同時(shí)開(kāi)啟低溫泵，使其兩吸氣室(蓄冷器) 溫度分別降至T1=77K、T2=15K時(shí)，再打開(kāi)通往5Pa的罐體的高真空閥門(mén)，最后再由低溫泵完成罐體內空間高真空(≤1×10^-3 Pa)的任務(wù)。溫度變化的實(shí)現是靠二級制冷壓縮機、電加熱絲分別對液態(tài)媒介進(jìn)行升、降溫，再通過(guò)紫銅管將冷、熱能量傳導給熱沉和試品安裝板，那么熱沉的冷、熱能量通過(guò)輻射方式(熱沉的內外表面涂有發(fā)射率>0.90，吸收系數≥0.92的航空黑漆)傳遞給試品，安裝板的冷、熱能量則通過(guò)傳導方式傳遞給試品，實(shí)施對試品的空間環(huán)境模擬。

圖1 HVT1200實(shí)現真空環(huán)境的功能框圖

三、真空度測量

　　熱真空試驗設備所模擬的真空度和溫度是否準確，對試驗的成敗至關(guān)重要，為此，要對試驗箱內的真空度和溫度進(jìn)行測量，本文闡述的是熱真空模擬試驗中的真空度測量。真空度是指低于大氣壓力的氣體稀薄程度，以壓力表示。用以探測低壓空氣稀薄氣體壓力所用的儀器稱(chēng)為真空計。圖2為HVT1200實(shí)現真空度測量的功能框圖。

圖2 HVT1200實(shí)現真空度測量的功能框圖

　　鑒于該設備所能達到的真空范圍為1×10⁵Pa～1×10^-5 Pa，它采用電阻規(皮拉尼真空計)作為前級測量，待設備達1×10^-1 Pa后轉由電離規(熱陰極電離真空計)實(shí)現設備最終真空測量。

　　(一)設備使用的真空計

　　1.電阻規(皮拉尼真空計)

　　工作原理：利用電阻的熱傳導物理性能———熱絲通過(guò)電加熱， 使其溫度高于周?chē)鷼怏w和管殼溫度，于是在兩者之間產(chǎn)生熱傳導， 當它們達到熱平衡時(shí)，一旦壓力變化，借助輸出阻抗值、電壓值等參數，再由模數轉換，讀出此刻真空度。鑒于皮拉尼真空計的測量范圍是1×10⁵ Pa～1×10^-1 Pa，在設備中起過(guò)渡測量作用， 真正擔任設備真空測量任務(wù)的是測量范圍為1×10^-1 Pa～1×10^-5 Pa的熱陰極電離真空計。

　　2.電離規

　　(1)基本構造：熱陰極電離真空計由測量規管(或規頭)和電器測量電路(真空計控制系統與指示系統)組成，其中測量規管(或規頭)為熱陰極電離真空計的關(guān)鍵件，由3個(gè)電極組合而成：能夠提供一定數量電子流Ie的燈絲(陰極F)、能夠產(chǎn)生電子加速場(chǎng)并收集電子流的陽(yáng)極A(電子加速極)和能夠收集離子流Ii的離子收集極C(相對陰極為負電位)。

　　(2)工作原理：當熱陰極電離真空計通電，燈絲加熱提供電流源Ie，電子在電場(chǎng)中飛行時(shí)獲得能量，若與氣體分子碰撞，將使氣體分子以一定幾率發(fā)生電離，進(jìn)而產(chǎn)生正離子Ii和次級電子，其電離幾率與電子能量有關(guān)。電子在飛行途中產(chǎn)生的正離子數， 正比于氣體密度，在一定溫度下正比于氣體壓力。熱陰極電離真空計就是把非電量的氣體轉化成離子電流， 根據離子電流的大小，通過(guò)模數轉換，得出此刻真空度的示值。

　　(3)性能概述：此規的陰極燈絲采用金屬氧化物，使得陰極抗氧化能力增強，進(jìn)而提高了耐受瞬時(shí)大氣沖擊的能力，延長(cháng)規管壽命。圖3為熱陰極電離規的Ii/Ie與壓力Pa的關(guān)系圖。

圖3 Ii/Ie與Pa關(guān)系圖

　　可見(jiàn)， 隨著(zhù)真空度的進(jìn)一步降低，Ii/Ie將達到一個(gè)峰值(對應的氣壓值是Pm)，然后將急劇下降，這種現象稱(chēng)為雙值現象。其峰值點(diǎn)一般約為5.0Pa，所以最好等設備的氣壓值低于此點(diǎn)時(shí)，再開(kāi)啟電離規，否則不僅影響電離規壽命，真空計還會(huì )異常顯示真空值。雖然本規采用抗氧化陰極燈絲，但高溫燈絲長(cháng)時(shí)間工作在較低真空下氧氣分壓相對較高，也是極易氧化的，還會(huì )逐步降低陰極發(fā)射能力，縮短規管壽命。

　　(二)設備真空度測量

　　1、電阻規的零點(diǎn)、滿(mǎn)度修正

　　由于電阻規本身的零散性加之使用時(shí)的環(huán)境等因素影響，電阻規在第一次和使用一段時(shí)間后，都要對零點(diǎn)、滿(mǎn)度進(jìn)行修正。

　　(1)零點(diǎn)修正

　�、賹㈦娮枰幣c系統連接好后， 開(kāi)啟設備的旋片泵，當設備氣壓值低于1.0×10^-1 Pa時(shí)，此時(shí)電阻單元若顯示1.0×10^-1 Pa，說(shuō)明零點(diǎn)正確，不需修正，若不顯示此值，如顯2.5E0或1.E-1等，則微調真空計控制儀面板的零點(diǎn)修正旋鈕，使其顯示1.0E-1即可。

　�、诟哒婵諣顟B(tài)下，由于環(huán)境溫度及傳感絲表面狀態(tài)改變等因素影響， 零點(diǎn)易漂移， 只要能顯示在1.0E-1~5.0E-1內，均屬正常，無(wú)需修正。

　　(2)滿(mǎn)度修正

　�、僭诹泓c(diǎn)確認正確后， 對設備進(jìn)行放氣處理，當設備氣壓恢復至大氣壓后， 真空計控制儀顯示1.0E5，表示滿(mǎn)度正確，若顯示6.0E3或HHE5等其他值時(shí)，說(shuō)明滿(mǎn)度不準確， 需微調真空計控制儀面板的滿(mǎn)度電位器，直至其讀數顯示1.0E5即可。

　�、谠诖髿鉅顟B(tài)下，空氣分子密度大，經(jīng)過(guò)高溫環(huán)境工作后，其滿(mǎn)度的恢復和穩定時(shí)間較長(cháng)，雖然存在一定漂移，若一般顯示1.0E4~9.0E4內，均屬正常，無(wú)需修正。

　　2、電離規的使用

　　(1)當電阻規測量氣壓值小于2.0Pa時(shí)(真空計控制儀窗口顯示00000)， 可以打開(kāi)設備上的高真空閥門(mén)，同時(shí)開(kāi)啟電離規。

　　(2)電離規被開(kāi)啟，燈絲點(diǎn)亮，顯示屏初始顯示電離規發(fā)射電流值(以最后一次顯示值為準)。若顯示0.080～0.120數值時(shí)，表明真空計發(fā)射電流正常；若顯示---，說(shuō)明系統內真空度處于電離規臨界峰值點(diǎn)，控制儀將使電離規進(jìn)入超量程自動(dòng)保護程序，原因是電阻規零點(diǎn)不準確(零點(diǎn)提前過(guò)多所致)，需修正零點(diǎn)；若顯示值在0.080～0.120以外，并顯示---，說(shuō)明規管燈絲斷或發(fā)射能力降低，需更換規管。

　　(3)從設備的測試記錄圖也可及時(shí)發(fā)現規管的使用能力狀況。

　�、僭谡婵諣顟B(tài)下產(chǎn)品的表面會(huì )產(chǎn)生各種氣體，這些氣體極易污染熱陰極電離真空計，通過(guò)觀(guān)察輸出的真空曲線(xiàn)：當出現如圖4所示真空曲線(xiàn)有無(wú)數小毛刺時(shí)，說(shuō)明此刻真空計已受氣體輕度污染，那么立刻對離子真空計的陰極進(jìn)行去氣處理，這就是所謂的真空計自清潔處理，這個(gè)處理過(guò)程只需3min，且罐體內的真空度不變化，不影響試驗進(jìn)行。自清潔結束后，其真空度曲線(xiàn)會(huì )變得光滑起來(lái)，如圖5所示，真空計又恢復正確測量。有時(shí)當真空曲線(xiàn)有不規則大毛刺且氣壓值有所上升(見(jiàn)圖6)，但還能保持小于等于6.5×10-3Pa時(shí)， 不妨對低溫泵再生一次，會(huì )使低溫泵恢復，提高吸氣的功能，真空曲線(xiàn)也將變得光滑。需要說(shuō)明的是：作低溫泵再生時(shí)，設備罐體內的氣壓值將回升，再生時(shí)間持續約2h。

　�、陔S著(zhù)真空計使用周期增長(cháng)，即使多次實(shí)施自清潔及低溫泵的再生，也難免有清潔不盡的殘留氣體不斷堆積在真空計的陰極上，當出現真空曲線(xiàn)有無(wú)數大毛刺且真空值顯示不穩時(shí)，真空計達嚴重污染，直至真空值不顯示，如圖7所示，這時(shí)真空計已失效，必須更換新的真空計。

四、熱陰極電離真空計的正確使用

　　1.用絲綢布蘸酒精將ZE100型電離真空計的接口處擦拭干凈。

　　2.將真空計置固定器中擰緊。

　　3.遠離前級泵返油區，防止油蒸汽遇高溫使燈絲裂變，進(jìn)而改變規管的靈敏度和特性。

　　4.選擇試驗設備的接口離低溫泵吸氣口及油蒸汽較遠，但應在熱沉包圍區內且距熱沉一定距離處，真空計最好采用豎直安裝，水平安裝可能會(huì )帶來(lái)測量偏差。

　　5.使真空計遠離高能離子和電子，或屏蔽衰減設備內試品產(chǎn)生的高能離子或電子，防止其轟擊規管電極，加速規管電極老化，縮短規管壽命。

　　6.規管測試線(xiàn)應采用金屬網(wǎng)屏蔽的高頻電纜線(xiàn)，同時(shí)屏蔽線(xiàn)應單點(diǎn)接地，以防測試信號線(xiàn)受干擾，影響測試準確度。

　　7.用絲綢布蘸酒精將試驗設備的接口清潔。

　　8.由卡箍將接口、航空專(zhuān)用墊圈、真空計安裝器三者緊密相連。緊密程度不宜太緊，給墊圈一個(gè)小小行程(因當箱體內開(kāi)始抽氣時(shí)，三者會(huì )自動(dòng)越吸越緊)，使得接口更加緊密，最后插上電控插頭。

　　9.為確保真空測量準確度，在使用過(guò)程中密切注意真空計的測試曲線(xiàn)或發(fā)射電流，一旦有變化立刻對其進(jìn)行自清潔。

　　10.避免大氣壓下開(kāi)啟電離規燈絲，否則將燒毀電離規燈絲，人為造成電離規失效。

　　11.玻璃規管在存放時(shí)應用海綿固定。

　　12.真空計屬精密器件，不可隨意拆卸。

　　HVT1200型熱真空試驗設備原先配備的是ZE100型電離真空計，雖然這種真空計使用方便、測量準確度高，但其儲備環(huán)境要求高、加之進(jìn)口產(chǎn)品購貨周期長(cháng)，往往耽誤設備使用。如今已使用真空計(型號為ZJ-27)替代。只要將其玻璃管尖端部開(kāi)封，玻璃管尖端部插入固定金屬套管中， 然后由卡箍將金屬套接口、航空墊圈、設備接口三者緊密相連，最后插上電控插頭，就完成了電離規的安裝。

五、結束語(yǔ)

　　目前，國內絕大多數的真空計都是由計算機承擔控制測量的。如HVT1200型熱真空試驗設備，根據真空計的測量范圍，用軟件編制1×10-2Pa作為皮拉尼真空計測量過(guò)渡到熱陰極電離真空計測量的分界點(diǎn)，在設備從常壓至高真空過(guò)程中，PLC將自行切換兩真空計的工作狀態(tài)， 當壓力超出真空計測量范圍時(shí)，PLC立刻指揮電控系統切斷該真空計電源，使之不工作。與此同時(shí)，遠程監控計算機還全程自動(dòng)顯示設備中的真空示值，并如實(shí)繪制出真空曲線(xiàn)，真空示值和曲線(xiàn)可保存也可打印。