皮拉尼真空计控制单元校正设备的改良

张斌

爱发科（中国）投资有限公司 上海 201199

皮拉尼真空计是利用惠斯通电桥 Wheatstone bridge 的补偿原理，将其中的一部分灯丝作为该电路的其中一个电阻，对灯丝进行加热，灯丝所在的空间内的气体分子在无规则运动时，会接触到灯丝，然后从灯丝上带走一部分的热量。为了让灯丝能保持原来的温度，会对灯丝进行加热，加热用的功率，可以计算出来，因此，当气体的密度改变时，灯丝所表现的温度也会不同，可以通过对加热灯丝的功率的大小，来间接测量空间内的气体真空度（气体密度）[1]。

除了以固定温度来间接测量空间内的气体真空度以外，还有固定电压和固定电流两种方式。由于以固定温度来测量的方法是最敏感的，所以，一般的皮拉尼真空计都是使用固定温度的方法。还有一点需要注意的是，由于不同气体的热导率是不一样的，因此在测量的时候，需要在刻度上进行校对。大气的成分中，氮气占78%，工厂内进行校正作业时，一般使用氮气进行校正。

我们公司的皮拉尼真空计，以前都是海外生产，在中国国内销售的。刚刚完成皮拉尼真空计的国产化，目前现有的校正设备，当初设计时只适用于维修时的校准，并不适用于批量生产时的校正作业。为了满足批量国产化真空计的生产，必须要对该校正设备进行改良。该改良项目时，需要解决排气时间长、真空度不良、漏率大等方面面临很多的技术问题。

1 校正设备的改良过程

1.1 解决校正设备排气时间长的问题

（1）排气时间长的分析：①我公司的皮拉尼真空计，以前都是海外生产的，然后在中国进行销售。随着销售量的扩大，对于维修、校正的需求也有增加。因此，当初采购的这台校正设备时，就是用于进口皮拉尼真空计的维修校正作业的。当我公司对皮拉尼真空计进行了国产化的研发，可以在国内批量生产皮拉尼真空计了，但是对于保证产品质量的出厂前校正作业，就遇到了瓶颈问题。维修用的校正设备，并不适合批量化生产用的校正功能。②改良前的校正设备的排气系统，是由1台前级泵（油回转旋选片真空泵）+1台低温泵组合而成的。低温泵能达到的真空极限10-5Pa～10-6Pa，远远大于皮拉尼真空计的最高测定范围10-2Pa，在精度上，是完全能够满足皮拉尼真空计的测量要求的。对于真空计的维修校正作业或者实验室进行小批量的生产，是没有问题的，但是对于大批量的生产，就存在整个排气系统启动时间长的致命缺点。低温泵的启动，是必须在40Pa及以下的真空度才能进行的。但是在启动低温泵以后，一直到达到低温泵的极限真空压力10-6Pa～10-7Pa（也就是校正设备腔体的真空压力），一般需要7小时。校正设备上有20个校正皮拉尼真空计的作业位，20个校正作业位全部校正完成以后，需要打开校正设备腔体的进气阀，对腔体内注入气体，最终使校正设备腔体内的气体压力达到1个标准大气压，否则20个校正作业位上的皮拉尼真空计是无法取下来的。这样一个循环（安装上待校正的真空计5分钟——前级泵初抽真空20分钟——低温泵精抽520分钟——真空计测量下限校正作业20分钟——输入氮气5分钟——真空计测量上限校正作业20分钟——打开大气阀5分钟——取下校正完的真空计5分钟）的作业完成，至少需要600分钟（10小时）。生产效率是非常低的。整体来看，问题还是低温泵精抽的时间比较长[2]。

（2）排气时间长的解决方案：根据低温泵能达到的真空极限远大于皮拉尼真空计的测量真空下限，以及精抽需要520分钟的现状，我们还是考虑更换低温泵的方案。

除了用于粗抽真空的前级泵（油回转选片真空泵）以外，还有罗茨式真空泵、分子泵、低温泵和油扩散泵等真空泵的类型，不同真空泵的性能及优缺点比较见表1。当初，校正设备选用低温泵，是因为低温泵能达到的真空极限是10-6Pa～10-7Pa，是上述真空泵里面，能达到真空极限最好的一类泵，因此，除了皮拉尼真空计的校正以外，还可以用于电离真空计、薄膜真空计等真空计的校正。但是，我们这次的改良目的是使校正设备能适用于皮拉尼真空计的批量校正，因此，只有能够满足皮拉尼真空计的校正范围要求，能尽快达到校正所需要的真空度，就达到目的了[3]。

通过对上述4种真空泵所能达到的真空度进行比较，我们发现，用于校正皮拉尼真空计所需的5.0×10-3～1.0×105Pa的真空度，而罗茨式真空泵只能达到10-2Pa，不能满足要求；油扩散泵的真空度能达到要求，但是在运行时会产生油气分子，会污染校正设备的腔体，也不适合；因此，如果不需要低温泵所能达到的10-6Pa～10-7Pa的真空极限的话，使用分子泵（真空极限为10-5Pa）就足够满足要求。我们决定将低温泵更改为分子泵，校正设备的排气系统由前级泵（油回转选片泵）+低温泵的组合，改为前级泵（油回转选片泵）+分子泵的组合。虽然分子泵也有启动要求，在100Pa～150Pa的真空范围之内，跟低温泵所需要的40Pa差不多。所以将分子泵替换掉低温泵，完全能够满足皮拉尼真空计的5.0×10-3Pa的校正要求。

表1 不同真空泵的性能及优缺点比较

（3）排气时间长的解决结果：将低温泵更换成分子泵以后，重新计算了一个工作循环所需要的时间。安装上待校正的真空计5分钟——前级泵初抽真空20分钟——分子泵精抽20分钟——真空计测量下限校正作业20分钟——输入氮气5分钟——真空计测量上限校正作业20分钟—打开大气阀5分钟——取下校正完的真空计5分钟，合计100分钟，比改善前节约了500分钟。虽然将低温泵替换成分子泵，增加了固定资产的投资，但是校正设备提高了5倍的校正速度，满足了生产厂家大批量生产的要求。

图1 改良后皮拉尼真空计校正设备原理示意图

1.2 解决真空度不良、漏率大的问题

（1）真空度不良、漏率的分析。对于校正设备来说，维持腔体的真空度，是真空计校正数据正确的必要条件。根据《工作用热传导真空计校准规范》，校准室的压力在校准范围内应连续可调，在1 分钟内压力稳定度不超过±2%。能够造成校正设备的真空度不良，是会有很多方面因素的。例如：腔体焊接的问题，法兰的固定是否牢靠，O型圈是否有损伤，连接真空泵和真空腔体的管道有泄漏等。在校正设备改良之前，使用低温泵精抽到10-7Pa以后，腔体的真空度会在30分钟内，降低到10-3Pa。急剧的真空度变化，说明校正设备存在有泄漏点，如果不把这个泄漏点解决的话，腔体内的真空度不能在一段时间内保持住，那么在对腔体上的20台真空计校正时，第1台真空计校正时的腔体真空度和第20台真空计校正时的腔体真空度一定会有很大的偏差，对整体皮拉尼真空计的校正造成影响。过去进行真空计的维修，因为数量少，1台、2台的维修，就算设备有泄漏点，也不会有大的问题，但是批量生产就有问题了，会影响皮拉尼真空计的产品质量。

（2） 真空度不良、漏率大的解决方案：①使用氦质谱检漏仪，对校正设备的腔体，管道，连接法兰等有可能造成泄漏的地方，进行检漏作业。将氦质谱检漏仪连接到校正设备的腔体，在启动校正设备，并达到极限真空以后，在上述可能造成的泄露的地方，分别喷射浓度是99.99%的氦气，然后看检漏仪的读数反应。通过这种方法，发现腔体与排气系统连接处的法兰，在喷射氦气以后，检漏仪的读数有明显增高，说明该处有漏点，需要更换。因此，决定将该法兰更换成高真空的CF法兰，消除了现有的这个漏点，同时也降低了今后管道连接出现微漏的可能性。②在校正作业中，测量皮拉尼真空计的上限和下限时，需要对校正设备的腔体内注入气体，目前是通过一个手动的阀门来控制的。为了更精确地通过手动阀门来控制气体的注入量，追加了一个高真空用的放气阀门。这样，在校正作业时，就能高精度的控制气体的流量。③根据《工作用热传导真空计校准规范》校正用的气体，纯度不低于99.9%的氮气。因此在校正设备旁边，追加了专门放置液化气瓶的固定装置，将校正设备用的气体，从空气改为氮气(浓度为99.99%)，高于校准规范的要求，减少了空气中气体的变化造成的皮拉尼真空计读数误差。

（3）真空度不良、漏率大的解决结果：通过对校正设备进行检漏，更换了连接排气系统和腔体的法兰，追加了手动放气阀门，从根本上解决了真空度不良、漏率大的问题，为产品的质量的稳定，提供了设备的保证。并且根据今后生产的实际情况，在校正设备的旁边，追加了氮气气瓶的固定装置，也提高了生产的安全性和可操作性。

1.3 满足规范要求，需要解决的其他问题

（1）校正区域的环境条件：根据《工作用热传导真空计校准规范》，环境温度为（23±5）℃，相对湿度不大于80%。因此，把校正作业的区域，设置在专门的房间，配备了专用的空调，并设置了温湿度控制，满足了校正作业所需要的作业环境条件。

（2）为了减少校正设备的腔体内的水分或其他有害物质对极限压力造成影响，通过多次试验，发现定期对校正设备的腔体进行加热并排气抽真空的话，可以尽可能地减少腔体内的水分或其他有害物质对极限压力的影响，使校正设备能够长期稳定运行。

（3）为了较少校正区域的灰尘，对皮拉尼真空计规管的污染，除了在真空计的组装车间，按照准净化车间的要求，作业人员更换专门的洁净服，并戴上专门的洁净服的帽子，在校正作业的房间，也是按照净化车间的要求来规定作业人员的服装，尽量减少对真空计规管的影响。

2 结语

本次对皮拉尼真空计的校正设备的改良，将低温泵替换成分子泵，解决了校正设备排气时间长，只能用于小数量的维修，不能适用于批量生产的问题，校正的工作效率提高了5倍，使得20台皮拉尼真空计的校正时间由原来的600分钟缩短到100分钟；找到了校正设备存在的真空度不良的漏点，解决了真空度不良和漏率大的问题。虽然更换分子泵、高真空用法兰、追加放气阀门等，花费了约40万元，但是对于新买1台300万元的校正设备来说，进行改良的费用还是非常经济的，为企业节约了近260万元的成本，并且提高了生产效率。

通过这次改良的工作，使本人认识到，对现有设备进行改造，比新买一台设备，能节约很多成本。对设备的改造，也要根据最新的需求来进行，否则改造的目的会不明确。今后对设备改造改良之前，要先熟悉国家的相关的规范。毕竟国外的标准和国内的标准是有差异的，如果在中国当地进行国产化生产的话，一定要符合中国国内的相应的规范标准。