扩散真空泵性能自动测试系统的研制

魔工新手

本文介绍了一套新研制的扩散真空泵性能的自动测试系统。该系统可以按照国家标准规定的方法自动检测扩散真空泵的极限压力和抽速。系统利用自主开发的光电液位检测方法和元件实现滴管液位的自动读取和记时；利用步进电机驱动针阀实现气体流量和测试罩内压力的自动调节；使用上位PC机和下位单片机的双级控制系统实现对整个测试系统和测试过程的自动控制。
& d2 s( }* F' g! f" b, D作为应用最广的高真空抽气设备，油扩散泵在国内的生产、研究方面已达到相当的技术水平和一定的生产规模，被广泛应用于机械、电子、冶金、原子能、空间模拟等工业领域和科学技术研究中，为我国的科技发展做出了显著的贡献。近几年来,国内扩散泵产品从外观、功能到性能都有了较大的进展。
相对于扩散泵的生产企业数量和生产总量来说，国内扩散泵在产品性能检测方面还相对落后。目前很多企业尚没有自己的性能测试系统，对泵产品在出厂前的性能指标缺乏实际检测。国内现有的相关检测系统都采用全手动操作方式，对操作人员有较高的专业知识和实验技能要求，需经过专门培训才能胜任此项工作，而且测试数据精度受许多人为因素的影响，这些都为生产厂家自己独立开展扩散泵性能测试增加了难度。
针对这一现状，本文研制了一套扩散真空泵性能的自动测试系统。下面将就该系统的测试原理、系统的硬件与软件构成、研制过程所遇到的技术难点和解决措施作以介绍。
5 @: ]! o' P4 e　　1、自动测试系统的测试原理
( W9 A8 ?8 w% e& M该套测试系统对扩散泵的极限压力和不同入口压力下的抽速曲线的测试原理与方法，完全参照相关国家标准的规定执行。其中扩散泵抽速曲线的自动检测，采用“定压法”原理测试。对应每一个测压点的测试步骤是：在工作阀开启的条件下，利用针阀调节充入测试罩的气体流量Q，使测试罩内的平衡压力p稳定在预期的压力值附近；关闭工作阀，依次记录滴管内液柱到达液位高度h1和h2的时间t1和t2；通过计算液柱净升高度h=h2-h1和上升所需时间t=(t2-t1)，利用下式求得对应压力下的体积流率，即抽速。
　　S=Q/P=Kh/Pt
式中S———被测真空泵抽气速率，L/s
Q———流过泵口的气体流量，Pa·L/s
' U* _" \/ h& R' Rp———测试罩内规定位置的平衡压力，Pa
' ~- \/ Q% Q' U- v4 Bh———滴管内液柱上升净高度，mm
1 m; U# s- Q4 k3 p1 e& }& It———滴管内液柱上升所需时间，s
0 P" [: W* b$ Y2 s& w2 n3 jK———滴管函数，Pa·L/mm。
根据上述公式可知：要想计算出抽速S，需要已知对应测压点的K、h、p和t。其中，滴管函数K可以根据不同的滴管和连接管道尺寸，结合实际的测试工况事先计算出来；因此，实际需要读取的只有测试罩指定位置平衡压力p、滴管内液柱净升高度h和液柱净升高度h所需时间t三个量。该套测试系统所具有的自动测试功能，主要是指工作阀采用电磁阀自动开启关闭；针阀完成流量调节的过程采用步进电机驱动，并根据罩内实测压力与预设压力的对比进行反馈控制；利用光电液位开关测定滴管内液位到达设定位置h1和h2高度处的时间t1和t2。整个测试过程，以及之后的抽速计算、结果输出工作，均由计算机自动控制完成，只是在更换滴管和连接管路的过程中需要操作人员手工作业。
" d& [% c1 K$ V! v# W0 ^　　2、自动测试系统的硬件构成
2.1、机械部分构成
该测试系统机械部分的主体设计方案基于国家标准的详细规定。主要由测试罩、提升机构、前级阀、预抽阀、工作阀、放气阀、微调阀、滴管、光电液位开关、贮液槽、台车和真空管路等组成，被测主泵为K-200型油扩散泵，前级为2X-4型旋片泵。
1 j# J% K0 L* g考虑到该实验台的主要用途是服务于东北大学过程装备与控制工程专业本科生的真空实验教学，所以在结构和功能上有所改动、扩展。对应K-200型油扩散泵，本应选用直径为200mm的测试罩，但考虑其它教学实验用途，本系统使用了直径为400mm的测试罩，中间加装锥形过渡接口和插板阀与被测扩散泵相连。这些会导致管道流导的增加，从而使泵的抽速测定值降低，但不影响测试系统的工作原理和使用方法。在测试罩上还留有两个真空规管接口、一个前级阀接口、一个微调阀进气口、顶端留有放气口，以及连接其他真空测试仪器的两个备用接口。提升机构可以将测试罩提起，方便主泵的更换和其它教学实验的完成。考虑到要实现自动控制，所有的阀门均选择电磁驱动。此外，根据实验需要，还专门订制了内径分别为1.5、3、5、10、20、30、50mm的一系列滴管。
  B6 J1 ^8 @8 m% N7 J根据上述公式可知：要想计算出抽速S，需要已知对应测压点的K、h、p和t。其中，滴管函数K可以根据不同的滴管和连接管道尺寸，结合实际的测试工况事先计算出来；因此，实际需要读取的只有测试罩指定位置平衡压力p、滴管内液柱净升高度h和液柱净升高度h所需时间t三个量。该套测试系统所具有的自动测试功能，主要是指工作阀采用电磁阀自动开启关闭；针阀完成流量调节的过程采用步进电机驱动，并根据罩内实测压力与预设压力的对比进行反馈控制；利用光电液位开关测定滴管内液位到达设定位置h1和h2高度处的时间t1和t2。整个测试过程，以及之后的抽速计算、结果输出工作，均由计算机自动控制完成，只是在更换滴管和连接管路的过程中需要操作人员手工作业。
　　2、自动测试系统的硬件构成
% j, W1 P  N6 j2.1、机械部分构成
' d& x9 j! F  W! T9 G7 h- a1 m+ p该测试系统机械部分的主体设计方案基于国家标准的详细规定。主要由测试罩、提升机构、前级阀、预抽阀、工作阀、放气阀、微调阀、滴管、光电液位开关、贮液槽、台车和真空管路等组成，被测主泵为K-200型油扩散泵，前级为2X-4型旋片泵。
: r! }$ h( y' ~  @5 J* J考虑到该实验台的主要用途是服务于东北大学过程装备与控制工程专业本科生的真空实验教学，所以在结构和功能上有所改动、扩展。对应K-200型油扩散泵，本应选用直径为200mm的测试罩，但考虑其它教学实验用途，本系统使用了直径为400mm的测试罩，中间加装锥形过渡接口和插板阀与被测扩散泵相连。这些会导致管道流导的增加，从而使泵的抽速测定值降低，但不影响测试系统的工作原理和使用方法。在测试罩上还留有两个真空规管接口、一个前级阀接口、一个微调阀进气口、顶端留有放气口，以及连接其他真空测试仪器的两个备用接口。提升机构可以将测试罩提起，方便主泵的更换和其它教学实验的完成。考虑到要实现自动控制，所有的阀门均选择电磁驱动。此外，根据实验需要，还专门订制了内径分别为1.5、3、5、10、20、30、50mm的一系列滴管。
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