張斌

愛(ài)發(fā)科（中國(guó)）投資有限公司 上海 201199

皮拉尼真空計(jì)是利用惠斯通電橋 Wheatstone bridge 的補(bǔ)償原理，將其中的一部分燈絲作為該電路的其中一個(gè)電阻，對(duì)燈絲進(jìn)行加熱，燈絲所在的空間內(nèi)的氣體分子在無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)接觸到燈絲，然后從燈絲上帶走一部分的熱量。為了讓燈絲能保持原來(lái)的溫度，會(huì)對(duì)燈絲進(jìn)行加熱，加熱用的功率，可以計(jì)算出來(lái)，因此，當(dāng)氣體的密度改變時(shí)，燈絲所表現(xiàn)的溫度也會(huì)不同，可以通過(guò)對(duì)加熱燈絲的功率的大小，來(lái)間接測(cè)量空間內(nèi)的氣體真空度（氣體密度）[1]。

除了以固定溫度來(lái)間接測(cè)量空間內(nèi)的氣體真空度以外，還有固定電壓和固定電流兩種方式。由于以固定溫度來(lái)測(cè)量的方法是最敏感的，所以，一般的皮拉尼真空計(jì)都是使用固定溫度的方法。還有一點(diǎn)需要注意的是，由于不同氣體的熱導(dǎo)率是不一樣的，因此在測(cè)量的時(shí)候，需要在刻度上進(jìn)行校對(duì)。大氣的成分中，氮?dú)庹?8%，工廠內(nèi)進(jìn)行校正作業(yè)時(shí)，一般使用氮?dú)膺M(jìn)行校正。

我們公司的皮拉尼真空計(jì)，以前都是海外生產(chǎn)，在中國(guó)國(guó)內(nèi)銷售的。剛剛完成皮拉尼真空計(jì)的國(guó)產(chǎn)化，目前現(xiàn)有的校正設(shè)備，當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)只適用于維修時(shí)的校準(zhǔn)，并不適用于批量生產(chǎn)時(shí)的校正作業(yè)。為了滿足批量國(guó)產(chǎn)化真空計(jì)的生產(chǎn)，必須要對(duì)該校正設(shè)備進(jìn)行改良。該改良項(xiàng)目時(shí)，需要解決排氣時(shí)間長(zhǎng)、真空度不良、漏率大等方面面臨很多的技術(shù)問(wèn)題。

1 校正設(shè)備的改良過(guò)程

1.1 解決校正設(shè)備排氣時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題

（1）排氣時(shí)間長(zhǎng)的分析：①我公司的皮拉尼真空計(jì)，以前都是海外生產(chǎn)的，然后在中國(guó)進(jìn)行銷售。隨著銷售量的擴(kuò)大，對(duì)于維修、校正的需求也有增加。因此，當(dāng)初采購(gòu)的這臺(tái)校正設(shè)備時(shí)，就是用于進(jìn)口皮拉尼真空計(jì)的維修校正作業(yè)的。當(dāng)我公司對(duì)皮拉尼真空計(jì)進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化的研發(fā)，可以在國(guó)內(nèi)批量生產(chǎn)皮拉尼真空計(jì)了，但是對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量的出廠前校正作業(yè)，就遇到了瓶頸問(wèn)題。維修用的校正設(shè)備，并不適合批量化生產(chǎn)用的校正功能。②改良前的校正設(shè)備的排氣系統(tǒng)，是由1臺(tái)前級(jí)泵（油回轉(zhuǎn)旋選片真空泵）+1臺(tái)低溫泵組合而成的。低溫泵能達(dá)到的真空極限10-5Pa～10-6Pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于皮拉尼真空計(jì)的最高測(cè)定范圍10-2Pa，在精度上，是完全能夠滿足皮拉尼真空計(jì)的測(cè)量要求的。對(duì)于真空計(jì)的維修校正作業(yè)或者實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行小批量的生產(chǎn)，是沒(méi)有問(wèn)題的，但是對(duì)于大批量的生產(chǎn)，就存在整個(gè)排氣系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)的致命缺點(diǎn)。低溫泵的啟動(dòng)，是必須在40Pa及以下的真空度才能進(jìn)行的。但是在啟動(dòng)低溫泵以后，一直到達(dá)到低溫泵的極限真空壓力10-6Pa～10-7Pa（也就是校正設(shè)備腔體的真空壓力），一般需要7小時(shí)。校正設(shè)備上有20個(gè)校正皮拉尼真空計(jì)的作業(yè)位，20個(gè)校正作業(yè)位全部校正完成以后，需要打開(kāi)校正設(shè)備腔體的進(jìn)氣閥，對(duì)腔體內(nèi)注入氣體，最終使校正設(shè)備腔體內(nèi)的氣體壓力達(dá)到1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，否則20個(gè)校正作業(yè)位上的皮拉尼真空計(jì)是無(wú)法取下來(lái)的。這樣一個(gè)循環(huán)（安裝上待校正的真空計(jì)5分鐘——前級(jí)泵初抽真空20分鐘——低溫泵精抽520分鐘——真空計(jì)測(cè)量下限校正作業(yè)20分鐘——輸入氮?dú)?分鐘——真空計(jì)測(cè)量上限校正作業(yè)20分鐘——打開(kāi)大氣閥5分鐘——取下校正完的真空計(jì)5分鐘）的作業(yè)完成，至少需要600分鐘（10小時(shí)）。生產(chǎn)效率是非常低的。整體來(lái)看，問(wèn)題還是低溫泵精抽的時(shí)間比較長(zhǎng)[2]。

（2）排氣時(shí)間長(zhǎng)的解決方案：根據(jù)低溫泵能達(dá)到的真空極限遠(yuǎn)大于皮拉尼真空計(jì)的測(cè)量真空下限，以及精抽需要520分鐘的現(xiàn)狀，我們還是考慮更換低溫泵的方案。

除了用于粗抽真空的前級(jí)泵（油回轉(zhuǎn)選片真空泵）以外，還有羅茨式真空泵、分子泵、低溫泵和油擴(kuò)散泵等真空泵的類型，不同真空泵的性能及優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表1。當(dāng)初，校正設(shè)備選用低溫泵，是因?yàn)榈蜏乇媚苓_(dá)到的真空極限是10-6Pa～10-7Pa，是上述真空泵里面，能達(dá)到真空極限最好的一類泵，因此，除了皮拉尼真空計(jì)的校正以外，還可以用于電離真空計(jì)、薄膜真空計(jì)等真空計(jì)的校正。但是，我們這次的改良目的是使校正設(shè)備能適用于皮拉尼真空計(jì)的批量校正，因此，只有能夠滿足皮拉尼真空計(jì)的校正范圍要求，能盡快達(dá)到校正所需要的真空度，就達(dá)到目的了[3]。

通過(guò)對(duì)上述4種真空泵所能達(dá)到的真空度進(jìn)行比較，我們發(fā)現(xiàn)，用于校正皮拉尼真空計(jì)所需的5.0×10-3～1.0×105Pa的真空度，而羅茨式真空泵只能達(dá)到10-2Pa，不能滿足要求；油擴(kuò)散泵的真空度能達(dá)到要求，但是在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生油氣分子，會(huì)污染校正設(shè)備的腔體，也不適合；因此，如果不需要低溫泵所能達(dá)到的10-6Pa～10-7Pa的真空極限的話，使用分子泵（真空極限為10-5Pa）就足夠滿足要求。我們決定將低溫泵更改為分子泵，校正設(shè)備的排氣系統(tǒng)由前級(jí)泵（油回轉(zhuǎn)選片泵）+低溫泵的組合，改為前級(jí)泵（油回轉(zhuǎn)選片泵）+分子泵的組合。雖然分子泵也有啟動(dòng)要求，在100Pa～150Pa的真空范圍之內(nèi)，跟低溫泵所需要的40Pa差不多。所以將分子泵替換掉低溫泵，完全能夠滿足皮拉尼真空計(jì)的5.0×10-3Pa的校正要求。

表1 不同真空泵的性能及優(yōu)缺點(diǎn)比較

（3）排氣時(shí)間長(zhǎng)的解決結(jié)果：將低溫泵更換成分子泵以后，重新計(jì)算了一個(gè)工作循環(huán)所需要的時(shí)間。安裝上待校正的真空計(jì)5分鐘——前級(jí)泵初抽真空20分鐘——分子泵精抽20分鐘——真空計(jì)測(cè)量下限校正作業(yè)20分鐘——輸入氮?dú)?分鐘——真空計(jì)測(cè)量上限校正作業(yè)20分鐘—打開(kāi)大氣閥5分鐘——取下校正完的真空計(jì)5分鐘，合計(jì)100分鐘，比改善前節(jié)約了500分鐘。雖然將低溫泵替換成分子泵，增加了固定資產(chǎn)的投資，但是校正設(shè)備提高了5倍的校正速度，滿足了生產(chǎn)廠家大批量生產(chǎn)的要求。

圖1 改良后皮拉尼真空計(jì)校正設(shè)備原理示意圖

1.2 解決真空度不良、漏率大的問(wèn)題

（1）真空度不良、漏率的分析。對(duì)于校正設(shè)備來(lái)說(shuō)，維持腔體的真空度，是真空計(jì)校正數(shù)據(jù)正確的必要條件。根據(jù)《工作用熱傳導(dǎo)真空計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》，校準(zhǔn)室的壓力在校準(zhǔn)范圍內(nèi)應(yīng)連續(xù)可調(diào)，在1 分鐘內(nèi)壓力穩(wěn)定度不超過(guò)±2%。能夠造成校正設(shè)備的真空度不良，是會(huì)有很多方面因素的。例如：腔體焊接的問(wèn)題，法蘭的固定是否牢靠，O型圈是否有損傷，連接真空泵和真空腔體的管道有泄漏等。在校正設(shè)備改良之前，使用低溫泵精抽到10-7Pa以后，腔體的真空度會(huì)在30分鐘內(nèi)，降低到10-3Pa。急劇的真空度變化，說(shuō)明校正設(shè)備存在有泄漏點(diǎn)，如果不把這個(gè)泄漏點(diǎn)解決的話，腔體內(nèi)的真空度不能在一段時(shí)間內(nèi)保持住，那么在對(duì)腔體上的20臺(tái)真空計(jì)校正時(shí)，第1臺(tái)真空計(jì)校正時(shí)的腔體真空度和第20臺(tái)真空計(jì)校正時(shí)的腔體真空度一定會(huì)有很大的偏差，對(duì)整體皮拉尼真空計(jì)的校正造成影響。過(guò)去進(jìn)行真空計(jì)的維修，因?yàn)閿?shù)量少，1臺(tái)、2臺(tái)的維修，就算設(shè)備有泄漏點(diǎn)，也不會(huì)有大的問(wèn)題，但是批量生產(chǎn)就有問(wèn)題了，會(huì)影響皮拉尼真空計(jì)的產(chǎn)品質(zhì)量。

（2） 真空度不良、漏率大的解決方案：①使用氦質(zhì)譜檢漏儀，對(duì)校正設(shè)備的腔體，管道，連接法蘭等有可能造成泄漏的地方，進(jìn)行檢漏作業(yè)。將氦質(zhì)譜檢漏儀連接到校正設(shè)備的腔體，在啟動(dòng)校正設(shè)備，并達(dá)到極限真空以后，在上述可能造成的泄露的地方，分別噴射濃度是99.99%的氦氣，然后看檢漏儀的讀數(shù)反應(yīng)。通過(guò)這種方法，發(fā)現(xiàn)腔體與排氣系統(tǒng)連接處的法蘭，在噴射氦氣以后，檢漏儀的讀數(shù)有明顯增高，說(shuō)明該處有漏點(diǎn)，需要更換。因此，決定將該法蘭更換成高真空的CF法蘭，消除了現(xiàn)有的這個(gè)漏點(diǎn)，同時(shí)也降低了今后管道連接出現(xiàn)微漏的可能性。②在校正作業(yè)中，測(cè)量皮拉尼真空計(jì)的上限和下限時(shí)，需要對(duì)校正設(shè)備的腔體內(nèi)注入氣體，目前是通過(guò)一個(gè)手動(dòng)的閥門(mén)來(lái)控制的。為了更精確地通過(guò)手動(dòng)閥門(mén)來(lái)控制氣體的注入量，追加了一個(gè)高真空用的放氣閥門(mén)。這樣，在校正作業(yè)時(shí)，就能高精度的控制氣體的流量。③根據(jù)《工作用熱傳導(dǎo)真空計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》校正用的氣體，純度不低于99.9%的氮?dú)?。因此在校正設(shè)備旁邊，追加了專門(mén)放置液化氣瓶的固定裝置，將校正設(shè)備用的氣體，從空氣改為氮?dú)?濃度為99.99%)，高于校準(zhǔn)規(guī)范的要求，減少了空氣中氣體的變化造成的皮拉尼真空計(jì)讀數(shù)誤差。

（3）真空度不良、漏率大的解決結(jié)果：通過(guò)對(duì)校正設(shè)備進(jìn)行檢漏，更換了連接排氣系統(tǒng)和腔體的法蘭，追加了手動(dòng)放氣閥門(mén)，從根本上解決了真空度不良、漏率大的問(wèn)題，為產(chǎn)品的質(zhì)量的穩(wěn)定，提供了設(shè)備的保證。并且根據(jù)今后生產(chǎn)的實(shí)際情況，在校正設(shè)備的旁邊，追加了氮?dú)鈿馄康墓潭ㄑb置，也提高了生產(chǎn)的安全性和可操作性。

1.3 滿足規(guī)范要求，需要解決的其他問(wèn)題

（1）校正區(qū)域的環(huán)境條件：根據(jù)《工作用熱傳導(dǎo)真空計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》，環(huán)境溫度為（23±5）℃，相對(duì)濕度不大于80%。因此，把校正作業(yè)的區(qū)域，設(shè)置在專門(mén)的房間，配備了專用的空調(diào)，并設(shè)置了溫濕度控制，滿足了校正作業(yè)所需要的作業(yè)環(huán)境條件。

（2）為了減少校正設(shè)備的腔體內(nèi)的水分或其他有害物質(zhì)對(duì)極限壓力造成影響，通過(guò)多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)定期對(duì)校正設(shè)備的腔體進(jìn)行加熱并排氣抽真空的話，可以盡可能地減少腔體內(nèi)的水分或其他有害物質(zhì)對(duì)極限壓力的影響，使校正設(shè)備能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）為了較少校正區(qū)域的灰塵，對(duì)皮拉尼真空計(jì)規(guī)管的污染，除了在真空計(jì)的組裝車間，按照準(zhǔn)凈化車間的要求，作業(yè)人員更換專門(mén)的潔凈服，并戴上專門(mén)的潔凈服的帽子，在校正作業(yè)的房間，也是按照凈化車間的要求來(lái)規(guī)定作業(yè)人員的服裝，盡量減少對(duì)真空計(jì)規(guī)管的影響。

2 結(jié)語(yǔ)

本次對(duì)皮拉尼真空計(jì)的校正設(shè)備的改良，將低溫泵替換成分子泵，解決了校正設(shè)備排氣時(shí)間長(zhǎng)，只能用于小數(shù)量的維修，不能適用于批量生產(chǎn)的問(wèn)題，校正的工作效率提高了5倍，使得20臺(tái)皮拉尼真空計(jì)的校正時(shí)間由原來(lái)的600分鐘縮短到100分鐘；找到了校正設(shè)備存在的真空度不良的漏點(diǎn)，解決了真空度不良和漏率大的問(wèn)題。雖然更換分子泵、高真空用法蘭、追加放氣閥門(mén)等，花費(fèi)了約40萬(wàn)元，但是對(duì)于新買1臺(tái)300萬(wàn)元的校正設(shè)備來(lái)說(shuō)，進(jìn)行改良的費(fèi)用還是非常經(jīng)濟(jì)的，為企業(yè)節(jié)約了近260萬(wàn)元的成本，并且提高了生產(chǎn)效率。

通過(guò)這次改良的工作，使本人認(rèn)識(shí)到，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，比新買一臺(tái)設(shè)備，能節(jié)約很多成本。對(duì)設(shè)備的改造，也要根據(jù)最新的需求來(lái)進(jìn)行，否則改造的目的會(huì)不明確。今后對(duì)設(shè)備改造改良之前，要先熟悉國(guó)家的相關(guān)的規(guī)范。畢竟國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)是有差異的，如果在中國(guó)當(dāng)?shù)剡M(jìn)行國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)的話，一定要符合中國(guó)國(guó)內(nèi)的相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。