扩散真空泵性能自动测试系统的研制

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学机械工程与自动化学院 作者:梁文升

  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。

  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。

1、自动测试系统的测试原理

  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。

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
  p———测试罩内规定位置的平衡压力,Pa
  h———滴管内液柱上升净高度,mm
  t———滴管内液柱上升所需时间,s
  K———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。

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。其结构如图1 所示,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

  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200 mm的测试罩,但考虑其它教学实验用途,本系统使用了直径为400 mm 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、50 mm 的一系列滴管。

扩散真空泵性能自动测试实验台示意图

1.台车 2.贮液槽 3.变压器油 4.光电液位开关 5.滴管支架 6.工作阀 7.滴管 8.真空管 9. 针阀 10. 提升机构 11. 步进电机 12.测试罩 13.放气阀 14.电离规 15.电阻规 16.预抽阀 17. 波纹管 18 . 锥形过渡接口 19 . 插板阀 20 . 前级阀 21 . 扩散泵 22.电磁带充气阀 23.旋片泵

图1 扩散真空泵性能自动测试实验台示意图

2.2、测试与控制系统构成

  本套测试系统需要驱动和控制的对象如表1 所示。

表1 控制对象列表

控制对象列表

  本套测试系统所用的传感与测试元件如表2所示。

表2 传感与测试元件列表

传感与测试元件列表

  本套测试系统使用上位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。上位机使用有2 路RS- 232 接口的普通台式或笔记本式PC 机即可; 下位机是C8051F005 单片机;数字微机型数显复合真空计采集的压强信号,通过RS- 232 接口直接与上位机通信;自主研发的光电式液位传感器在滴管中液位达到设定高度时输出5 V 电压,这一开关量信号经过光耦传入单片机。单片机输出的开关量信号通过三级继电器逐级增强电压的方法控制扩散泵、旋片泵和提升电机的动作。单片机还和步进电机驱动器通信,实现步进电机的控制。上位机接受来自下位机和数据采集系统的信号,通过控制软件向下位机发送操作指令,并自动处理采集的试验数据、计算结果、自动生成表格、自动绘制试验产品的性能曲线、自动生成试验报告并可对试验报告进行编辑、修改和打印输出;本套测试系统的控制数据流如图2 所示。

自动测试系统控制流程示意图

图2 自动测试系统控制流程示意图

3、自动测试系统的控制软件

  本套自动测试控制系统的控制软件是在Windows 环境下,采用Visual Basic6.0 语言编译而成。测试系统控制软件由主界面、测试管理系统界面和数据管理系统界面三部分组成,具体关系见图3。

自动测试系统控制软件结构图

图3 自动测试系统控制软件结构图

  在测试管理系统界面下,待测产品信息设定模块包括待测扩散泵信息选择、测试员信息选择、新产品信息录入和测压点选择。系统抽放气控制模块可以完成对系统抽气和放气过程的自动控制,如图4 所示,实时显示测试罩内压强。极限压力与抽速测试控制模块是整个系统的核心部分,可以自动完成测压点的确定和指导滴管的选取,完成该测压点的压强调节,最终完成该测压点抽速的测试,并将测试结果保存到数据库中。测试曲线预览和产品性能报表打印两个模块完成抽速曲线的自动绘制,并且可以通过打印机输出。

  数据管理系统可以完成用户信息,测试人员信息的设定和修改,例如用户名和密码,测试员姓名等。扩散泵的型号、生产厂家及生产日期等被测产品信息也可以通过该部分进行输入、修改、查询和输出。该数据管理系统也可以保存已经测试过的扩散泵抽速曲线,并可以随时输出。

系统抽放气控制界面

图4 系统抽放气控制界面

4、技术难点和解决措施

  在一年多的研制过程中,遇到了很多困难,也走了很多弯路,现将主要的技术难点和解决措施总结如下:

4.1、液位传感器的选择

  按照国标规定,所选取的滴管最小内径为1.5 mm 和3 mm,而且实验中这两种滴管使用得非常频繁;管内的测试液体则是透明度很好的变压器油。研制过程中遇到的首要困难就是:目前尚没有适合本系统使用、能够实现透明微细液柱非接触式高精度液位测试的液位开关。在近半年多方寻求无果的情况下,我们自主开发了一种光纤式光电液位开关,成功地解决了这一难题。不仅满足了本测试系统的工作要求,还单独申报了国家发明专利。

  光电液位开关在本系统中的使用方法是:确定对任一滴管和任一测压点,都选定相同的液位高度h=h2- h1。分别在滴管h2 和h1 高度处安装了上、下液位开关,当液位上升至h1 处时,下液位开关向单片机输出一个信号,开始记时;当液位开关升至h2 处时,上液位开关也向单片机输出一个信号,记时结束并记录时间间隔。

4.2、微调阀的控制

  在两个不同测压点之间进行转换时,需要利用微调阀来调节气流量,控制测试罩内的压力到达新的测压点。最初始的控制方案是采用电控压电阀进行气体流量的控制调节,具有简单易行的优点,但考虑压电阀可能存在有电压漂移和时间漂移等不可预知的误差因素,因此放弃了这一方案。最终确定仍然采用流量稳定的机械针阀作为调节元件,并利用步进电机经减速机构驱动针阀。其中步进电机型号为42HS03,驱动器型号为M415- 64/M515。驱动器上的光隔电源端,脉冲信号端,方向信号端和电机使能端分别与单片机相连,并且可以通过上位机的控制软件修改电机的步进参数,达到调节气流量的要求。

  系统调试过程中还发现,利用步进电机驱动针阀,受转动力矩的限制,无法像手工作业那样将针阀完全关闭,从而为测试泵的极限压力带来误差。后来在微调针阀与测试罩充气口之间加装了一个高真空电磁阀,在测泵的极限压力时关闭此阀,解决了这一问题。

5、结束语

  本文介绍了一套新研制的扩散真空泵性能自动测试系统。借助操作人员手工作业更换滴管和连接管路,该系统能够自动完成扩散真空泵的极限压力和抽速曲线的连续测试。图5 是该系统的实物照片图。该系统的应用,能够大大降低对测试人员所必须具备的专业知识和实验技能的要求,减轻操作人员的劳动强度,提高测试精度和可靠性,有利于生产企业自主开展扩散泵产品性能的实际测试检验。

扩散真空泵性能自动测试系统的实物照片图

图5 扩散真空泵性能自动测试系统的实物照片图

  今后,将对该测试系统做进一步的改进,使其更能够适应企业的实际需求,操作更为简单和人性化。同时扩展开发出更多功能,例如:在被测扩散泵出口管路处再加设一套由步进电机驱动的微调针阀和相应的真空计,就能够测试扩散泵的临界前级压力;在测试罩上安装相应的盛液管,也可以测试扩散泵的返油率;从而实现对扩散泵性能的全面测试。

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