本文介紹了一套新研制的擴(kuò)散真空泵性能的自動(dòng)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法自動(dòng)檢測擴(kuò)散真空泵的極限壓力和抽速。系統(tǒng)利用自主開發(fā)的光電液位檢測方法和元件實(shí)現(xiàn)滴管液位的自動(dòng)讀取和記時(shí)；利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)針閥實(shí)現(xiàn)氣體流量和測試罩內(nèi)壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)；使用上位PC 機(jī)和下位單片機(jī)的雙級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)測試系統(tǒng)和測試過程的自動(dòng)控制。

　　作為應(yīng)用最廣的高真空抽氣設(shè)備，油擴(kuò)散泵在國內(nèi)的生產(chǎn)、研究方面已達(dá)到相當(dāng)?shù)募夹g(shù)水平和一定的生產(chǎn)規(guī)模，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、冶金、原子能、空間模擬等工業(yè)領(lǐng)域和科學(xué)技術(shù)研究中，為我國的科技發(fā)展做出了顯著的貢獻(xiàn)。近幾年來, 國內(nèi)擴(kuò)散泵產(chǎn)品從外觀、功能到性能都有了較大的進(jìn)展。

　　相對(duì)于擴(kuò)散泵的生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量和生產(chǎn)總量來說，國內(nèi)擴(kuò)散泵在產(chǎn)品性能檢測方面還相對(duì)落后。目前很多企業(yè)尚沒有自己的性能測試系統(tǒng)，對(duì)泵產(chǎn)品在出廠前的性能指標(biāo)缺乏實(shí)際檢測。國內(nèi)現(xiàn)有的相關(guān)檢測系統(tǒng)都采用全手動(dòng)操作方式，對(duì)操作人員有較高的專業(yè)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能要求，需經(jīng)過專門培訓(xùn)才能勝任此項(xiàng)工作，而且測試數(shù)據(jù)精度受許多人為因素的影響，這些都為生產(chǎn)廠家自己獨(dú)立開展擴(kuò)散泵性能測試增加了難度。

　　針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文研制了一套擴(kuò)散真空泵性能的自動(dòng)測試系統(tǒng)。下面將就該系統(tǒng)的測試原理、系統(tǒng)的硬件與軟件構(gòu)成、研制過程所遇到的技術(shù)難點(diǎn)和解決措施作以介紹。

1、自動(dòng)測試系統(tǒng)的測試原理

　　該套測試系統(tǒng)對(duì)擴(kuò)散泵的極限壓力和不同入口壓力下的抽速曲線的測試原理與方法，完全參照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定執(zhí)行。其中擴(kuò)散泵抽速曲線的自動(dòng)檢測，采用“定壓法”原理測試。對(duì)應(yīng)每一個(gè)測壓點(diǎn)的測試步驟是：在工作閥開啟的條件下，利用針閥調(diào)節(jié)充入測試罩的氣體流量Q，使測試罩內(nèi)的平衡壓力p 穩(wěn)定在預(yù)期的壓力值附近；關(guān)閉工作閥，依次記錄滴管內(nèi)液柱到達(dá)液位高度h1 和h2 的時(shí)間t1 和t2；通過計(jì)算液柱凈升高度h=h2- h1 和上升所需時(shí)間t=(t2- t1)，利用下式求得對(duì)應(yīng)壓力下的體積流率，即抽速。

式中S———被測真空泵抽氣速率，L/s
　　Q———流過泵口的氣體流量，Pa·L/s
　　p———測試罩內(nèi)規(guī)定位置的平衡壓力，Pa
　　h———滴管內(nèi)液柱上升凈高度，mm
　　t———滴管內(nèi)液柱上升所需時(shí)間，s
　　K———滴管函數(shù)，Pa·L/mm。

　　根據(jù)上述公式可知：要想計(jì)算出抽速S，需要已知對(duì)應(yīng)測壓點(diǎn)的K、h、p 和t。其中，滴管函數(shù)K可以根據(jù)不同的滴管和連接管道尺寸，結(jié)合實(shí)際的測試工況事先計(jì)算出來；因此，實(shí)際需要讀取的只有測試罩指定位置平衡壓力p、滴管內(nèi)液柱凈升高度h 和液柱凈升高度h 所需時(shí)間t 三個(gè)量。該套測試系統(tǒng)所具有的自動(dòng)測試功能，主要是指工作閥采用電磁閥自動(dòng)開啟關(guān)閉；針閥完成流量調(diào)節(jié)的過程采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并根據(jù)罩內(nèi)實(shí)測壓力與預(yù)設(shè)壓力的對(duì)比進(jìn)行反饋控制；利用光電液位開關(guān)測定滴管內(nèi)液位到達(dá)設(shè)定位置h1和h2 高度處的時(shí)間t1 和t2。整個(gè)測試過程，以及之后的抽速計(jì)算、結(jié)果輸出工作，均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制完成，只是在更換滴管和連接管路的過程中需要操作人員手工作業(yè)。

2、自動(dòng)測試系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

2.1、機(jī)械部分構(gòu)成

　　該測試系統(tǒng)機(jī)械部分的主體設(shè)計(jì)方案基于國家標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)規(guī)定。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由測試罩、提升機(jī)構(gòu)、前級(jí)閥、預(yù)抽閥、工作閥、放氣閥、微調(diào)閥、滴管、光電液位開關(guān)、貯液槽、臺(tái)車和真空管路等組成，被測主泵為K- 200 型油擴(kuò)散泵，前級(jí)為2X- 4 型旋片泵。

　　考慮到該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主要用途是服務(wù)于東北大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)本科生的真空實(shí)驗(yàn)教學(xué)，所以在結(jié)構(gòu)和功能上有所改動(dòng)、擴(kuò)展。對(duì)應(yīng)K- 200 型油擴(kuò)散泵，本應(yīng)選用直徑為200 mm的測試罩，但考慮其它教學(xué)實(shí)驗(yàn)用途，本系統(tǒng)使用了直徑為400 mm 的測試罩，中間加裝錐形過渡接口和插板閥與被測擴(kuò)散泵相連。這些會(huì)導(dǎo)致管道流導(dǎo)的增加，從而使泵的抽速測定值降低，但不影響測試系統(tǒng)的工作原理和使用方法。在測試罩上還留有兩個(gè)真空規(guī)管接口、一個(gè)前級(jí)閥接口、一個(gè)微調(diào)閥進(jìn)氣口、頂端留有放氣口，以及連接其他真空測試儀器的兩個(gè)備用接口。提升機(jī)構(gòu)可以將測試罩提起，方便主泵的更換和其它教學(xué)實(shí)驗(yàn)的完成。考慮到要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，所有的閥門均選擇電磁驅(qū)動(dòng)。此外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，還專門訂制了內(nèi)徑分別為1.5、3、5、10、20、30、50 mm 的一系列滴管。

1.臺(tái)車　2.貯液槽　3.變壓器油　4.光電液位開關(guān)　5.滴管支架　6.工作閥　7.滴管　8.真空管　9. 針閥　10. 提升機(jī)構(gòu)　11. 步進(jìn)電機(jī)　12.測試罩　13.放氣閥　14.電離規(guī)　15.電阻規(guī)　16.預(yù)抽閥　17. 波紋管　18 . 錐形過渡接口　19 . 插板閥　20 . 前級(jí)閥　21 . 擴(kuò)散泵　22.電磁帶充氣閥　23.旋片泵

圖1 擴(kuò)散真空泵性能自動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

2.2、測試與控制系統(tǒng)構(gòu)成

　　本套測試系統(tǒng)需要驅(qū)動(dòng)和控制的對(duì)象如表1 所示。

表1 控制對(duì)象列表

　　本套測試系統(tǒng)所用的傳感與測試元件如表2所示。

表2 傳感與測試元件列表