3 种典型真空监测仪表的故障梳理与可靠性强化

王美聪 孙宏存 张松权(.广州大学，广东 广州 50006；. 沈阳化工大学，辽宁 沈阳 04；. 杭州盘古自动化系统有限公司，浙江 杭州 000)

0 引言

真空科学的应用领域很广，目前已经渗透到冶金、土木建筑、机械、包装、环保、医疗器械、石油、化工、食品、电子、原子能、半导体、航空航天、纺织以及造纸等工业部门和科学研究工作中。例如：真空可以用在冶金工业中，包括真空蒸馏、矿石及其半产品的真空分离，金属化合物真空还原、钢液炉外真空脱气和精炼、金属真空熔铸、真空烧结，真空热处理、真空钎焊及真空固态接合等多种工艺方法。

近年来，易燃易爆危险流体移动储运装备低温绝热压力容器的安全性与压力容器夹层的真空度密切相关，传统的热堆规组件具有明显缺陷，有重大的安全隐患，且测量数据不能远传或者数据保存，以上给真空测量与真空检漏技术提出新的挑战。真空监测仪表(真空计)用于真空测量及真空捡漏。目前常用的真空监测仪表趋向于小型化、一体化、集成化、系统化和智能化。国内的生产厂家包括成都国光电气股份有限公司、杭州盘古自动化系统有限公司、成都睿宝电子科技有限公司、成都中科唯实仪器有限公司、上海精密仪器仪表有限公司、北京中科科仪股份有限公司、宁波爱发科真空技术有限公司、成都蓝泰士真空技术有限公司、上海宜福泰科等。在真空监测仪表研究领域，目前国外处于明显优势地位，其产品占据全球大部分市场。其中美国泰利德哈斯汀公司(Teledyne Hastings Instruments)的HPM系列仪表以及DV系列热堆规是目前市场上占有率最高的产品，此外还有德国泰朗真空计、德国普发真空计、德国Leybold莱宝真空计、瑞士Inficon真空计等。真空监测仪表涉及真空、半导体、材料、机械、电子、通信等多个学科，是典型的高技术密集型产品，其故障类型、级别和原因交叉耦合，真空监测仪表的故障诊断存在故障点发现困难和故障点诊断困难的难题，这对可靠性强化的故障溯源分析提出极大挑战。因此，为了强化真空监测仪表的可靠性，对现有真空监测仪表的故障进行分类和梳理，有利于迅速定位故障的层级和故障机理，对真空监测仪表的故障发现及技术发展具有重要的指导作用。

根据GB 3163—1982《真空技术名词术语》中规定，真空可以按照气压强度分为以下几类：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，极高真空1×10-9Pa以下。按照真空仪表测量原理所利用的不同物理机制，真空仪表可分为利用机械力学性能、利用气体动力学效应和利用带电粒子效应三大类。目前常用的真空仪表有弹性式真空表、热偶真空计、电阻真空计、电离真空计等相对真空仪表。通常高真空测量主要应用的是电离真空计。按照产生离子方法的不同，分为热阴极电离真空计和冷阴极电离真空计。以热阴极电离真空计为例，由热阴极电离规管和测量仪器组成。测量仪器由规管工作电源，发射电流稳压装置和离子流测量放大器等部分组成，热阴极电离规管与被测真空系统相通。热阴极电离规管是一个三极管，管内有阴极、栅极和收集极。收集极电位，相对于阴极为负电位；栅极电位，相对于阴极为正电位。当电离规管通电加热后，阴极发射出电子。此电子在到达栅极过程中，同气体分子碰撞发生电离，产生正离子和电子。当发射电流一定时，正离子的数目与被测气体压强成正比。正离子被收集极收集后，经测量电路放大就可由指示电表读出被测系统真空度。

本文调研了真空仪表的国内外发展状况及成熟应用领域、测量工作原理及相关理论背景、国内真空仪表厂商的故障仪表，结合真空监测仪表的可靠性经验，以建立真空监测仪表的可靠性强化为目标，分析真空监测仪表使用中所面临的环境条件，对真空监测仪表进行故障梳理，探讨真空监测仪表可靠性强化评价的重点考虑因素，为提出真空监测仪表可靠性强化评价方案奠定基础，为我国的真空监测仪表高端制造作出贡献。

1 真空监测仪表故障类型及故障梳理的意义

调研国内几家主要真空监测仪表企业2018—2019年生产的仪表，其故障主要有信号板故障、表头故障、电源故障、主机板故障及部分无法查明故障。作为真空仪表的核心器件的真空规管多出现真空度低、芯柱炸、漏气、灯丝不亮、玻壳炸裂、灯丝断、芯柱氧化、封尖断等故障。目前的真空仪表厂家可以有效给出真空计故障种类，但是仍存在无法精准的定位到故障点的情况，缺少对部件故障原因的底层分析和测试，无法达到追根溯源的效果，因此找到故障点对于提高产品的可靠性具有重要的作用。现有一些研究通过对故障树的定性分析能够快速的定位故障位置，采取相应措施保障设备正常运行。宋志宇利用故障树对电源模块无输出及输出异常进行了分析，结果表明利用故障树的方法可以找到故障事件的所有最小割集，每一个底事件的发生都会以一定概率造成顶事件的发生[1]。对于真空监测仪表出现的电源故障问题也可考虑利用故障树分析的方法，而故障树分析法的关键是梳理清底层故障类型。目前仪表的故障分类形式主要有下列几种，如图1所示，可分为故障存在的程度、故障发生发展的进程、故障严重程度、故障发生的原因、故障相关性及故障发生的事情等6个方面。

在分析其故障原因时应追溯故障根源，由于不同仪表的故障原因不尽相同，本文对于仪表故障原因主要按照图1中的内因和外因，其故障原因可以梳理如图2所示。由图2可见，当真空监测仪表的故障原因按照内因和外因来分类时，内因包括软件、硬件、组合工艺、突发性故障等，内因主要指的是产品的各个部件质量及设计工艺方面，外因包括环境因素和人为因素两个方面。仪表的失效过程是复杂的，很难明确说明一块仪表的失效到底是内因起主导作用还是外因起主导作用，但是内因决定品质，外因通过内因起作用，因此对真空监测仪表故障类型进行梳理分析具有重要的意义。

本文以3种测量高真空的真空仪表为例，梳理其典型故障[2]。随着真空监测仪表设计及生产技术的不断提高，很多故障得到了很好的规避和解决。随着仪表设计结构的精细化，对于损坏的仪表进行故障判断成本越发高昂，而对其进行故障梳理，则有利于对真空监测仪表进行持续改进，不断完善产品的性能，用较低成本发现仪表的故障点。

图1 仪表故障分类

图2 故障原因分析

2 真空监测仪表故障梳理

2.1 热偶式真空计故障梳理

热偶式真空计易出现下列问题：(1)真空计的电源打开后指示灯不亮的问题，多是线路接触不良所致，可通过在生产环节进行接口加固改进及质检环节增加线路接口复检进行产品的可靠性强化；(2)电源打开后加热电流和测量无指示的问题，可能是指示电表、规管灯丝、电阻器等出问题导致的电路断路问题，在采购、生产及质检阶段应该对可能导致的断路因素进行严格管控，更高层次是在设计层面提升仪表的精准度和可靠性；(3)对于有热电偶电流指示而无测量读数、或测量读数较小的问题，可通过对规管的热电偶进行质量强化、改良规管各部分接触情况等增加其可靠性；(4)对于无热偶电流指示而有测量读数则是出现了指示表断路的情况，需要更换电阻并校准电流；(5)对于加热电流失控故障，又可以分为两种情况，一种是加热电流过大不能调小，一种是加热电流过小无法调大或无法调节，这部分故障主要与晶体管、电容器等有关；(6)若出现加热电流不稳定的情况，则可检查接头接触情况及稳压电源是否失效等；(7)对于出现量程工作不正常的现象时，是量程开关或某一量程热偶测量电路的元件损坏所致，可通过更换有关元件的方法解决。目前对热偶式真空计的故障梳理中，暂时无法统计故障发生的时间，样本量的不足导致无法获得每类故障的权重，当然热偶式真空计的故障不限于此，本文只列举了部分故障内容。

2.2 定温式电阻真空计故障梳理

定温式电阻真空计同样存在电子器件的故障问题，此外还有规管处于大气状态时指示电表超过满度或较大固定偏转、指示电表反偏超过零位或有较大幅度摆动、量程换挡衔接不好、多只规管测量结果不一样、零点漂移过大等问题。目前常见故障涉及到的零件有电源插座及灯座各接口、指示电表、直流稳压电源、量程转换开关、电子管、倍压整流管、规管电阻丝或规管、规管插座、直流补偿电压电源、满度电位器、低频振荡电路的电子管、干扰、电阻丝污染、低频电路、规管补偿电位器等，对电阻真空计进行可靠性强化时，着重考虑这些器件的产品质量、安装、维护等事宜。

2.3 电离真空计故障梳理

电离真空计作为主要和常用的真空计的一种，其故障体系较为详细，其中包含了部分同热偶式真空计、电阻真空计相同的故障种类，此外还有一些电离真空计所有的故障，总结如下：(1)电源开关打开后，指示灯不亮或较暗；(2)规管灯丝电源接通后灯丝不亮；(3)规管灯丝很暗，无发射电流或调不到额定值；(4)规管灯丝超过正常亮度且无发射电流；(5)调发射电流时规管灯丝亮度有变化但无发射指示；(6)发射电流指示超过满度又无法调节；(7)发射电流不稳定；(8)除气时加速极不红；(9)离子流测量放大器无法调零，指示电表指针超过满度或反偏；(10)在“校准”或“满度”档调不到满度；(11)测量时指针无指示；(12)测量时电表指针反偏；(13)零点漂移显著；(14)高量程档的栅流影响加大。

上述问题发生的可能原因种类复杂，下面以冷阴极电离真空计为例进行可能的原因分析及解决方法。冷阴极电离真空计的常见故障具体表现为通电后无高压或高压很低、测量指示灯无指示、指示电表的偏转过大、测量电表指示明显不正确、不稳定等。导致上述故障的可能原因分别给予了分析和列出，变压器的损坏、老化或击穿，规管故障等，可以通过更换整流管、限流电阻、电表、检修高压稳压电源等方式以解决对应的问题。图3列举了电离真空计之一的冷阴极电离真空计的故障、可能原因分析及解决方案的思维导图。

总之，依据对现有收集到真空仪表的分析和美国WIKA Instrument公司的公开资料，真空仪表在使用过程中可能导致故障出现的外界因素可分为以下8类，这些因素可以作为真空仪表进行可靠性强化时的重点考虑因素[3]。

(1)振动。真空仪表运行时大都处于振动状态，而长时间过度的振动可能会导致真空仪表内部部件出现问题，从而失效。

(2)脉动。真空系统中气体介质的快速升降会使真空仪表指针产生不规律运动，导致内部部件损坏。

(3)极端温度。极端的温度会导致真空仪表金属连接处松动，最终导致形变开裂。

图3 冷阴极电离真空计故障、可能原因及解决方案

(4)压力剧变/超压。频繁地压力变化和超压力工作会使真空仪表指针弯曲，破坏敏感元件完整性。

(5)腐蚀。在某些含高腐蚀性介质的工艺中，这些介质会损坏真空仪表中的敏感材料，从而导致失效。

(6)堵塞。含有悬浮颗粒、粘性或可结晶的介质会阻塞真空系统，导致真空仪表读数不准确。

(7)蒸汽。一些反应介质会产生蒸汽，这些蒸汽往往也会造成真空仪表的内部敏感元件。

(8)处理不当。即使正确安装的仪表，如果长时间操作或使用不当，也会出现故障。

3 结语

本文对3种典型的真空监测仪表进行了故障梳理，分析可能原因及可采取的解决方案。真空监测仪表的故障在收集的过程中，使用时间与故障种类之间关联度的统计学分析的难度较大，这在一定程度上弱化了可靠性强化的进行，因为无法区分是由于器件本身存在设计缺陷所导致，还是器件生产质量不过关所致，亦或是使用过程中的环境因素或人为的失误导致部件损坏从而使真空仪表失效。真空监测仪表故障梳理有利于确定真空监测仪表的可靠性强化的研究重点，对提高仪表的可靠性作出贡献。