熱真空模擬試驗(yàn)中的真空度測(cè)量
一、熱真空模擬試驗(yàn)概述
熱真空試驗(yàn)就是將產(chǎn)品置于熱真空試驗(yàn)設(shè)備中，由試驗(yàn)設(shè)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(yīng)性。
二、熱真空環(huán)境的模擬
以HVT1200型熱真空試驗(yàn)設(shè)備為例，其實(shí)現(xiàn)真空環(huán)境的功能框圖如圖1所示，其工作原理為：由前級(jí)旋片泵將罐體內(nèi)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(nèi)空間高真空(≤1×10-3 Pa)的任務(wù)。溫度變化的實(shí)現(xiàn)是靠二級(jí)制冷壓縮機(jī)、電加熱絲分別對(duì)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(dǎo)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(nèi)外表面涂有發(fā)射率>0.90，吸收系數(shù)≥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(dǎo)方式傳遞給試品，實(shí)施對(duì)試品的空間環(huán)境模擬。
圖1 HVT1200實(shí)現(xiàn)真空環(huán)境的功能框圖
三、真空度測(cè)量
熱真空試驗(yàn)設(shè)備所模擬的真空度和溫度是否準(zhǔn)確，對(duì)試驗(yàn)的成敗至關(guān)重要，為此，要對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)的真空度和溫度進(jìn)行測(cè)量，本文闡述的是熱真空模擬試驗(yàn)中的真空度測(cè)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(cè)低壓空氣稀薄氣體壓力所用的儀器稱為真空計(jì)。圖2為HVT1200實(shí)現(xiàn)真空度測(cè)量的功能框圖。
圖2 HVT1200實(shí)現(xiàn)真空度測(cè)量的功能框圖
鑒于該設(shè)備所能達(dá)到的真空范圍為1×105Pa～1×10-5 Pa，它采用電阻規(guī)(皮拉尼真空計(jì))作為前級(jí)測(cè)量，待設(shè)備達(dá)1×10-1 Pa后轉(zhuǎn)由電離規(guī)(熱陰極電離真空計(jì))實(shí)現(xiàn)設(shè)備最終真空測(cè)量。
(一)設(shè)備使用的真空計(jì)
1.電阻規(guī)(皮拉尼真空計(jì))
工作原理：利用電阻的熱傳導(dǎo)物理性能———熱絲通過(guò)電加熱， 使其溫度高于周圍氣體和管殼溫度，于是在兩者之間產(chǎn)生熱傳導(dǎo)， 當(dāng)它們達(dá)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(shù)，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換，讀出此刻真空度。鑒于皮拉尼真空計(jì)的測(cè)量范圍是1×105 Pa～1×10-1 Pa，在設(shè)備中起過(guò)渡測(cè)量作用， 真正擔(dān)任設(shè)備真空測(cè)量任務(wù)的是測(cè)量范圍為1×10-1 Pa～1×10-5 Pa的熱陰極電離真空計(jì)。
2.電離規(guī)
(1)基本構(gòu)造：熱陰極電離真空計(jì)由測(cè)量規(guī)管(或規(guī)頭)和電器測(cè)量電路(真空計(jì)控制系統(tǒng)與指示系統(tǒng))組成，其中測(cè)量規(guī)管(或規(guī)頭)為熱陰極電離真空計(jì)的關(guān)鍵件，由3個(gè)電極組合而成：能夠提供一定數(shù)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(duì)陰極為負(fù)電位)。
(2)工作原理：當(dāng)熱陰極電離真空計(jì)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(jí)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(shù)， 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(jì)就是把非電量的氣體轉(zhuǎn)化成離子電流， 根據(jù)離子電流的大小，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，得出此刻真空度的示值。
(3)性能概述：此規(guī)的陰極燈絲采用金屬氧化物，使得陰極抗氧化能力增強(qiáng)，進(jìn)而提高了耐受瞬時(shí)大氣沖擊的能力，延長(zhǎng)規(guī)管壽命。圖3為熱陰極電離規(guī)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)， 隨著真空度的進(jìn)一步降低，Ii/Ie將達(dá)到一個(gè)峰值(對(duì)應(yīng)的氣壓值是Pm)，然后將急劇下降，這種現(xiàn)象稱為雙值現(xiàn)象。其峰值點(diǎn)一般約為5.0Pa，所以最好等設(shè)備的氣壓值低于此點(diǎn)時(shí)，再開(kāi)啟電離規(guī)，否則不僅影響電離規(guī)壽命，真空計(jì)還會(huì)異常顯示真空值。雖然本規(guī)采用抗氧化陰極燈絲，但高溫?zé)艚z長(zhǎng)時(shí)間工作在較低真空下氧氣分壓相對(duì)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(guī)管壽命。
(二)設(shè)備真空度測(cè)量
1、電阻規(guī)的零點(diǎn)、滿度修正
由于電阻規(guī)本身的零散性加之使用時(shí)的環(huán)境等因素影響，電阻規(guī)在第一次和使用一段時(shí)間后，都要對(duì)零點(diǎn)、滿度進(jìn)行修正。
(1)零點(diǎn)修正
①將電阻規(guī)與系統(tǒng)連接好后， 開(kāi)啟設(shè)備的旋片泵，當(dāng)設(shè)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(diào)真空計(jì)控制儀面板的零點(diǎn)修正旋鈕，使其顯示1.0E-1即可。
②高真空狀態(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(nèi)，均屬正常，無(wú)需修正。
(2)滿度修正
①在零點(diǎn)確認(rèn)正確后， 對(duì)設(shè)備進(jìn)行放氣處理，當(dāng)設(shè)備氣壓恢復(fù)至大氣壓后， 真空計(jì)控制儀顯示1.0E5，表示滿度正確，若顯示6.0E3或HHE5等其他值時(shí)，說(shuō)明滿度不準(zhǔn)確， 需微調(diào)真空計(jì)控制儀面板的滿度電位器，直至其讀數(shù)顯示1.0E5即可。
②在大氣狀態(tài)下，空氣分子密度大，經(jīng)過(guò)高溫環(huán)境工作后，其滿度的恢復(fù)和穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，雖然存在一定漂移，若一般顯示1.0E4~9.0E4內(nèi)，均屬正常，無(wú)需修正。
2、電離規(guī)的使用
(1)當(dāng)電阻規(guī)測(cè)量氣壓值小于2.0Pa時(shí)(真空計(jì)控制儀窗口顯示00000)， 可以打開(kāi)設(shè)備上的高真空閥門(mén)，同時(shí)開(kāi)啟電離規(guī)。
(2)電離規(guī)被開(kāi)啟，燈絲點(diǎn)亮，顯示屏初始顯示電離規(guī)發(fā)射電流值(以最后一次顯示值為準(zhǔn))。若顯示0.080～0.120數(shù)值時(shí)，表明真空計(jì)發(fā)射電流正常；若顯示---，說(shuō)明系統(tǒng)內(nèi)真空度處于電離規(guī)臨界峰值點(diǎn)，控制儀將使電離規(guī)進(jìn)入超量程自動(dòng)保護(hù)程序，原因是電阻規(guī)零點(diǎn)不準(zhǔn)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(guī)管燈絲斷或發(fā)射能力降低，需更換規(guī)管。
(3)從設(shè)備的測(cè)試記錄圖也可及時(shí)發(fā)現(xiàn)規(guī)管的使用能力狀況。
①在真空狀態(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(jì)，通過(guò)觀察輸出的真空曲線：當(dāng)出現(xiàn)如圖4所示真空曲線有無(wú)數(shù)小毛刺時(shí)，說(shuō)明此刻真空計(jì)已受氣體輕度污染，那么立刻對(duì)離子真空計(jì)的陰極進(jìn)行去氣處理，這就是所謂的真空計(jì)自清潔處理，這個(gè)處理過(guò)程只需3min，且罐體內(nèi)的真空度不變化，不影響試驗(yàn)進(jìn)行。自清潔結(jié)束后，其真空度曲線會(huì)變得光滑起來(lái)，如圖5所示，真空計(jì)又恢復(fù)正確測(cè)量。有時(shí)當(dāng)真空曲線有不規(guī)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(duì)低溫泵再生一次，會(huì)使低溫泵恢復(fù)，提高吸氣的功能，真空曲線也將變得光滑。需要說(shuō)明的是：作低溫泵再生時(shí)，設(shè)備罐體內(nèi)的氣壓值將回升，再生時(shí)間持續(xù)約2h。
②隨著真空計(jì)使用周期增長(zhǎng)，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(jì)的陰極上，當(dāng)出現(xiàn)真空曲線有無(wú)數(shù)大毛刺且真空值顯示不穩(wěn)時(shí)，真空計(jì)達(dá)嚴(yán)重污染，直至真空值不顯示，如圖7所示，這時(shí)真空計(jì)已失效，必須更換新的真空計(jì)。
四、熱陰極電離真空計(jì)的正確使用
1.用絲綢布蘸酒精將ZE100型電離真空計(jì)的接口處擦拭干凈。
2.將真空計(jì)置固定器中擰緊。
3.遠(yuǎn)離前級(jí)泵返油區(qū)，防止油蒸汽遇高溫使燈絲裂變，進(jìn)而改變規(guī)管的靈敏度和特性。
4.選擇試驗(yàn)設(shè)備的接口離低溫泵吸氣口及油蒸汽較遠(yuǎn)，但應(yīng)在熱沉包圍區(qū)內(nèi)且距熱沉一定距離處，真空計(jì)最好采用豎直安裝，水平安裝可能會(huì)帶來(lái)測(cè)量偏差。
5.使真空計(jì)遠(yuǎn)離高能離子和電子，或屏蔽衰減設(shè)備內(nèi)試品產(chǎn)生的高能離子或電子，防止其轟擊規(guī)管電極，加速規(guī)管電極老化，縮短規(guī)管壽命。
6.規(guī)管測(cè)試線應(yīng)采用金屬網(wǎng)屏蔽的高頻電纜線，同時(shí)屏蔽線應(yīng)單點(diǎn)接地，以防測(cè)試信號(hào)線受干擾，影響測(cè)試準(zhǔn)確度。
7.用絲綢布蘸酒精將試驗(yàn)設(shè)備的接口清潔。
8.由卡箍將接口、航空專用墊圈、真空計(jì)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(dāng)箱體內(nèi)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(cè)量準(zhǔn)確度，在使用過(guò)程中密切注意真空計(jì)的測(cè)試曲線或發(fā)射電流，一旦有變化立刻對(duì)其進(jìn)行自清潔。
10.避免大氣壓下開(kāi)啟電離規(guī)燈絲，否則將燒毀電離規(guī)燈絲，人為造成電離規(guī)失效。
11.玻璃規(guī)管在存放時(shí)應(yīng)用海綿固定。
12.真空計(jì)屬精密器件，不可隨意拆卸。
HVT1200型熱真空試驗(yàn)設(shè)備原先配備的是ZE100型電離真空計(jì)，雖然這種真空計(jì)使用方便、測(cè)量準(zhǔn)確度高，但其儲(chǔ)備環(huán)境要求高、加之進(jìn)口產(chǎn)品購(gòu)貨周期長(zhǎng)，往往耽誤設(shè)備使用。如今已使用真空計(jì)(型號(hào)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(shè)備接口三者緊密相連，最后插上電控插頭，就完成了電離規(guī)的安裝。
五、結(jié)束語(yǔ)
目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)的真空計(jì)都是由計(jì)算機(jī)承擔(dān)控制測(cè)量的。如HVT1200型熱真空試驗(yàn)設(shè)備，根據(jù)真空計(jì)的測(cè)量范圍，用軟件編制1×10-2Pa作為皮拉尼真空計(jì)測(cè)量過(guò)渡到熱陰極電離真空計(jì)測(cè)量的分界點(diǎn)，在設(shè)備從常壓至高真空過(guò)程中，PLC將自行切換兩真空計(jì)的工作狀態(tài)， 當(dāng)壓力超出真空計(jì)測(cè)量范圍時(shí)，PLC立刻指揮電控系統(tǒng)切斷該真空計(jì)電源，使之不工作。與此同時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)還全程自動(dòng)顯示設(shè)備中的真空示值，并如實(shí)繪制出真空曲線，真空示值和曲線可保存也可打印。
