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多功能真空校準裝置的設計組成

來源:真空技術網(www.sakcw.tw)上海衛星裝備研究所 作者:彭光東

  為滿足航天器熱試驗常用真空計及標準漏孔的校準需要,研制了多功能真空校準裝置。多功能真空校準裝置可用于進行熱偶真空計、壓阻規、電容薄膜真空規、潘寧規、熱陰極電離規等真空測量傳感器的校準,同時也可以用于滲透型真空漏孔的校準。

1、裝置概述

  多功能真空校準裝置主要由高真空校準室、低真空校準室/ 穩壓室、真空抽氣系統、漏孔校準系統、電氣控制及信號采集系統組成。系統原理如圖1 所示。

多功能真空校準裝置的設計組成

圖1 真空校準裝置原理圖

2、高真空校準室

  高真空校準室為雙球真空室結構,分上游室和下游室兩大部分,結構參見圖2 所示。

多功能真空校準裝置的設計組成

圖2 校準室結構示意圖

  其中上、下游室采用內徑Ф350mm 的球體作為真空腔體。真空室內表面進行機械拋光和化學拋光處理,并進行超聲波清洗。上游室及下游室的赤道上各設計有5 個DN40CF 法蘭接口,用來接被校規、標準規和四極質譜計等。其中法蘭接口的任意兩個法蘭通過球心直線互不相對,錯開一定的角度,以避免在校準時被校規之間相互影響。

  四極質譜計采用MKS的產品,可通過對不同氣體離子流的測量來比對真空計的讀數。標準規采用Brooks 的GP370 電離規,可很好的滿足校準工作要求。監測規采用成都國光生產的B-A 規,測量范圍10-2~10-8 Pa,起到監測作用,用于判斷系統工作的狀態,并為四極質譜計的開啟提供參考判據。校準室的所有接口采用金屬密封接口。在下游室底部裝有CF160 法蘭與主分子泵連接。

3、低真空校準穩壓室

  在該設備中,低真空校準穩壓室既可以用來對低真空規進行校準,也可以用于高真空規與漏孔校準時作為穩壓室。低真空校準室為單球真空室結構,采用內徑Ф250mm 的球體, 體積約8.2L,內表面拋光處理,外表面噴砂噴丸鈍化處理。校準室的赤道線上留有DN40 CF、8VCR 等接口,分別用于連接電容薄膜規、被校規、監測規等真空規。

  規管接口法蘭的任意兩個接口通過球心直線互不相對。校準穩壓室的頂部進氣處裝有散流孔板,使得通入的氣體能均勻的散布到穩壓校準室,縮短氣體壓力平衡時間。穩壓校準室的監測規采用成都國光生產的復合真空計,測量范圍105~10-6 Pa。穩壓室的頂部裝有進氣管,底部留有分子泵接口。穩壓室的進氣控制閥選用微調針閥。

4、真空抽氣系統

  真空抽氣系統分為高真空校準室抽氣系統和低真空校準穩壓室抽氣系統。其中高真空校準室抽氣系統采用分子泵串聯設計,確保在真空室經過內表面潔凈處理狀態下,獲得較高的極限真空度。主泵采用Leybold 的T600 C,CF160 接口,T600C 分子泵極限真空度可達1×10-8 Pa。前級分子泵采用Leybold 的SL80 分子泵。

  前級機械泵采用安捷倫的TriScroll600 干泵。校準穩壓室抽氣系統主泵采用SL80 分子泵,CF63 接口,前級泵采用Leybold 的SC5D 干泵。同時為提高低真空校準穩壓室的頻繁放空、抽真空操作效率,設計了旁抽管路,真空室放空后可由干泵先抽真空,壓力達到分子泵工作壓力以后再由分子泵抽真空,這種操作方式可減少分子泵的起停頻率,延長分子泵的壽命。

5、漏孔校準系統

  為了校準裝置的多用途性,增加了波紋管截止閥和標準漏孔等設備,結合四極質譜計,實現了滲透型漏孔的校準功能。為校準操作的便利,設計了閥門V18 用于標準漏孔兩側的導通,可以迅速平衡漏孔兩側的壓力。漏孔為4 種不同孔徑組成的一套標準漏孔,通過更換相應的漏孔,系統可實現(5×10-5~5×10-9 )Pa·m3/s 的漏孔校準。

  系統設計氮氣吹掃功能,通過手動充氮閥,對校準室內進行氦氣吹掃,可降低本底氦氣對校準結果的影響。

6、烘烤系統

  為了獲得較高的極限真空度,提高校準準確度,需對校準室進行高溫烘烤,以降低內部的水氣和其它殘余氣體成分。烘烤系統主要由真空室烘烤套、自動溫控系統組成。烘烤套由鎳鎘加熱絲和玻璃纖維絕緣層共同縫制而成,便于拆裝。加熱絲均勻分布在加熱套內,確保校準室溫度均勻。自動溫控系統用來設置及調控加熱套的烘烤溫度,校準室的最高烘烤溫度為200℃。

7、測量和控制系統

  控制系統采用PLC 作為底層控制執行系統,上位監控和實驗數據處理采用專用工控機結合組態軟件來實現人機交互。控制方式采用手動和安全互鎖相結合的方法。上位監控單元主要采用研華的工控機和應用軟件組成。通過專用軟件實現控制功能和數據處理,具有控制和顯示兩種功能,是操作員進行設備控制與資料分析的窗口。PLC 數據與上位數據庫的數據進行交換,內置存儲器,可按一定的時間間隔存儲較長時間的試驗數據。

  系統具有關聯設備的硬軟件雙重互鎖功能,可避免誤操作引起的設備損壞,實時監控真空系統的壓力狀態,對于不能開啟的泵、閥、計等敏感設備實現軟硬的雙重保護。控制系統設計有準確的報警功能,可在外圍設備出現故障,或是設備運行條件發生變化時給予明顯的提示,方便操作人員進行處理。如果操作人員在規定的時間內未響應,系統可根據預設故障處理程序自動對故障進行安全處理。下位控制系統選用西門子的可編程控制器為控制單元,輔助相應的電氣元件構成,下位控制系統包括校準室烘烤自動溫控功能,以溫度為控制對象,通過可控硅、鉑電阻、二次儀表等組件,實現閉環控制過程。

8、校準室材料及處理

  校準室以及管道材料采用SUS304 和316L,優質的不銹鋼材料在真空條件下本底放氣率較低,可以獲得較好的真空度。采用超高真空自熔氬弧焊進行焊接,校準室在焊接前進行去油清洗,避免油污影響焊接的質量,從而確保校準室的焊接可靠性,避免焊縫處的滲漏。主要焊縫采用內焊的結構,減少了表面的放氣面積,有助于提高系統的極限真空度。

  所有零部件焊接后采用氦質譜檢漏儀進行檢漏,每道真空焊縫都進行噴氦檢漏處理,要求漏率≤1×10-10 Pa·m3/s。作為一個漏孔校準相關測試平臺,氦氣殘留污染是系統設計過程中需用關注的要點,在真空極限和本底較高的情況下,大分子材料吸附的氦氣會緩慢釋放到真空室內,造成真空度和氦氣本底持續偏高。為解決這個問題我們采取真空腔室為全金屬密封結構,真空室內盡量避免塑料、橡膠等材料的存在;同時系統留有一路氮氣吹掃管路,減少氦氣殘留。

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