新型复合真空计校准技术研究

刘 波，李 平，丁立莉，刘 卿，范文隽，冯黎明

（1.西安航天计量测试研究所，西安 710100；2.西安航天化学动力厂，西安 710025）

新型复合真空计校准技术研究

刘 波1，李 平1，丁立莉1，刘 卿1，范文隽1，冯黎明2

（1.西安航天计量测试研究所，西安 710100；2.西安航天化学动力厂，西安 710025）

随着真空应用产业的发展，新型复合真空计由于其具有优越的技术性能，在真空测量领域发挥着越来越重要的作用，被各大厂矿、企事业单位广泛使用。该真空计采用模块化集成设计，实验室常规的校准方法无法进行校准，通过对反磁控皮拉尼复合真空计测量原理的分析，将可变量输出的对数模拟标准电压信号转化为真空度信号，进行示值误差分析，对照国家颁布的相关校准规范，给出校准结果。此技术为复合真空计的校准提供了实验基础和理论依据，解决了该类型真空计的校准难题。

反磁控复合真空计；真空标准装置；惠斯通电桥；示值相对误差

0 引言

随着真空应用产业的发展，真空测量技术已广泛应用于我国的航天、航空、电子、船舶、核、兵器等重要国防领域及关系民生的石油、化工、制冷、医药、光学等行业[1]。在目前倡导工业自动化的时代，大型的真空环模设备、真空镀膜设备、真空钎焊机、真空实验舱等实验设备已被相关厂矿、院所及各大高校广泛使用。常规的热传导式真空计及电离真空计由于测量范围有限、抗污染能力差、测量误差大、无法更换零部件等原因，已不能满足日益发展的真空技术需求。新式的B-A型皮拉尼复合真空计、B-A型皮拉尼电容膜片三合一复合真空计、反磁控皮拉尼复合真空计，具有测量范围宽（一般能达到十个以上的测量区间段）、抗污染能力强、测量误差小、更换零部件后可重复使用等特点，被相关企事业单位广泛采用，已是目前大型真空设备真空度测量的主要仪器。

通过近些年新型复合真空计的发展及更新，目前常用的这些复合计使用性能及技术指标都十分稳定，是传统真空计的理想换代产品。由于具有将多支真空计的测量参数集于一身，减少了对真空系统的开孔数，降低了测量系统的泄漏点，测量敏感部件受污染后清洗方便、更换简单，可多次重复使用等优点，而且此类复合计为了顺应新技术发展的要求，已从原本的带专用连接信号线及控制单元发展到通过常规的网线或通用数据线直接连接真空设备工控系统、PLC控制器及程控计算机，采用工控机内部数据处理后将复合计输出的标准电压信号转换成真空度信号，用电脑显示器直接读取参数，通过工控机控制相关阀门及仪器仪表，为相关生产企业节省人力、物力及生产成本。

随着这些新型复合计被大量使用，周期计量校准问题也日益突显，由于送校时无法提供测量数据线及工控系统，校准部门对输出真空信号无法进行直接采集，不能进行校准工作。基于大量客户的需求，也为了促使真空计量技术的发展，以反磁控皮拉尼复合真空计为例，研究了这类新型复合计的计量校准问题。

1 反磁控皮拉尼复合真空计的原理及换算函数

1.1 原理

反磁控皮拉尼复合真空计是将冷阴极反磁控测量部分与皮拉尼测量部分组合在一个具有对数模拟输出讯号的小型真空规管内，通过感应温差变化及电子电离放电进行信号采集及控制。二者组合后，大幅降低了安装、设置和集成的复杂性，可根据测量范围的不同自动切换，为跨范围应用提供无缝的跃迁性、实用性和灵活性。独特的可更换双室真空传感器单元延长了清洗周期，减少维护次数，是同类产品中较经济耐用的测量仪器，且具有结构坚固、操作方便、灵敏度高等特点。

皮拉尼测量部分属于热传导式真空计的一种，利用惠斯通电桥的补偿原理，在不同的真空环境中，单位体积内空气分子数的不同，发热电阻丝产生温度差异，造成电阻值不相同，从而引起电流在电阻丝上产生相应的压力变化，根据电压值的变化换算出所对应的真空度。

反磁控测量部分采用了电场与磁场相互垂直的交叉电磁场，使电子在电场中的运动与微波磁控管相似，将磁控管中的阴极当阳极，阳极当阴极，在真空环境下，规管中的电子经过多次电离碰撞后，在奔向阳极时受到强磁场的作用产生偏转，其轨迹在垂直于阳极轴平面上的投影是一系列滚轮线似的弧，从而增长了电子的运动轨迹，造成电离气体分子的机会大幅增加，形成离子流。离子流与真空度的关系如式（1）：

式中：I为离子流，A；K为规管常数；p为对应的真空度，Pa；n为常数（一般在1～2之间与规管的构造有关。

1.2 理论换算函数

反磁控皮拉尼复合真空计是采用模块化集成，将需要测量的真空度转化为可变量输出的对数模拟标准电压信号，利用真空度的变量与电压信号的变量函数换算关系进行测量与控制。目前常用的反磁控皮拉尼复合真空计的测量范围是1×10-7～1× 105Pa，相对应的输出标准电压范围是在0～10.5 V的测量区间内。

电压输出信号与真空度的对数函数关系为式（2）：

式中：U为输出电压信号，V；p为真空计测量的真空度，Pa；C为常数。

通过测量输出电压信号，运用对数函数关系换算公式，可以得到与相对应的真空度，再利用压力示值相对误差式（3），可以计算出各采集点的压力示值相对误差值。

式中：δ为被校值与标准值的示值相对误差；p′为输出电压换算的真空度示值，Pa；p为标准真空度值，Pa。

2 实验装置

反磁控皮拉尼复合真空计的校准由比较法真空标准装置[1]与信号采集控制单元两部分组成，比较法真空标准装置模拟真空环境，提供动态的真空实验参数，模拟所要求的真空环境。信号采集控制单元由信号输入控制器和信号采集控制器构成，信号输入控制器提供稳定的直流电压给复合计供电，信号采集控制器进行复合计输出电压信号的采集。

比较法真空标准装置由抽气系统、校准系统、真空度测量系统及管路、阀门等组成，由于操作简单、稳定性好、校准效率高、使用成本较低等因素，是目前企事业单位实验室常用的校准装置。结构原理示意图如图1所示。

对反磁控皮拉尼复合真空计的信号采集控制，主要是通过查看用户使用说明书供给电压信号源和电流信号，使模块达到正常工作状态，为信号采集提供条件。校准时在无任何干扰的情况下，采用多功能高精度的信号采集器在不同真空环境中对模拟输出的标准电压信号进行采集，原理示意图如图2所示。

图1 比较法真空标准装置原理示意图Fig.1 Sechematic diagram of vacuum standard device of comparisonmethod

图2 信号采集控制单元连接原理图Fig.2 Sechmatic diagram ofsignalacquisition and controlunit

3 实验结果和数据分析

3.1 实验结果

选取一支型号为GeminiMPG504反磁控皮拉尼复合真空计进行校准实验，连接在比较法真空标准装置上，采用FLUK的745提供24 V的直流稳压电源，供电电流为0.1 A，选取安捷伦的34401A数字多用表进行信号输出数据采集。讯号连接线可采用插座型FCC68、8-脚带屏蔽网线或插头型D-sub、9-脚带屏蔽数据线，连接方式如表1所列。

表1 测量信号连线方式Table1 Signalmeasurement connectionmode

利用比较法真空标准装置模拟真空环境，当达到校准工作条件状态时，读取标准装置的真空度示值，并利用信号采集器同时采集与该真空度对应的模拟输出电压信号，利用式（2）的电压输出信号与真空度的对数函数关系式，可以计算出每个输出电压所对应的真空度，将电压值换算为压力值，进行后期的数据处理，校准结果如表2所列。

3.2 数据分析

通过查看GeminiMPG504反磁控皮拉尼复合真空计的使用说明书可知，在氮气环境中，1×10-7～1× 104Pa测量范围内的读数精度为30%；1×104～1× 105Pa测量范围内的读数精度为50%。由于复合真空计在校准条件下其压力示值相对误差应满足JJF1050-1996和JJF1062-1999的技术指标要求[2-3]，因此反磁控测量部分应满足+100%～-60%的示值相对误差要求，皮拉尼测量部分应满足小于±50%的示值相对误差要求。

表2 Gem iniMPG504型反磁控皮拉尼复合真空计校准数据Table2 The calibration data of Gem iniMPG 504 type antimagnetic com posite piranivacuum gauge

通过表2可以直接看出输出电压换算后的真空度示值与标准真空度示值之间的对应关系，利用式（3）计算出每个校准点对应的示值相对误差，正确给出校准结果，如表3所示。

通过数据处理可知，新型复合计皮拉尼测量部分校准区间内的最大示值相对误差为-14.0%，完全满足JJF1050-1996最大示值相对误差小于±50%的指标要求。反磁控测量部分校准区间内的最大示值相对误差为-28.1%，满足JJF1062-1999最大示值相对误差+100%～-60%的技术指标要求，校准数据完全符合校准规范要求。

4 结论

通过比较法真空校准装置校准GeminiMPG504反磁控皮拉尼复合真空计，利用信号采集器将模拟输出的标准电压信号采集后转化为对应的真空度，根据不同测量范围按照相对应的校准规范数据处理方式进行数据处理，综合判断该新型复合计是否满足规范要求，得出校准结果。

综上所述，在校准新型高精度集成化复合真空计时，常规的校准方法已不能满足真空测量技术发展的要求，利用输出信号与真空度的对数函数关系式，将输出信号转换为真空信号，进行校准和数据处理，通过分析处理后的数据，判断其相应的校准结果是否满足校准规范，为新型复合真空计的周期校准提供了实验基础和理论依据，能够正常进行测量工作提供了数据支持，解决了相关类型复合真空计的校准难题。

[1]李得天.真空计量新技术[M].北京：机械工业出版社，2013.

[2]李正海.比较法真空规校准装置性能研究[J].真空与低温，2010，16（1）：37-41.

[3]林国平，周淑荣，牟娟，等.JJF1050-1996.工作用热传导真空计校准规范[S].北京：中国计量出版社，1996.

[4]中国国家标准化管理委员会.JJF1062-1999.电离真空计校准规范[S].北京：中国计量出版社，1999.

RESEARCH ON CALIBRATION TECHNOLOGY OFNEW COM POUND VACUUM GAUGE

LIU Bo1，LIPing1，DING LI-li1，LIUQing1，FANWen-jun1，FENG 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

刘波（1977-），男，陕西省西安市人，工程师，主要从事真空计量与测试研究工作。E-mail：liubozhangyan@sina.com。