热真空模拟试验中的真空度测量

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京电子技术研究所 作者:黄光萍

一、热真空模拟试验概述

  热真空试验就是将产品置于热真空试验设备中,由试验设备提供模拟的空间环境(真空与温度组成),即是使产品在真空条件下,通过热浸、冷浸形成温度循环,以此考核产品的空间环境适应性。

二、热真空环境的模拟

  以HVT1200型热真空试验设备为例,其实现真空环境的功能框图如图1所示,其工作原理为:由前级旋片泵将罐体内的气体气压抽至5Pa, 且抽出的气体直接由输送管道送出罐体外, 与此同时开启低温泵,使其两吸气室(蓄冷器) 温度分别降至T1=77K、T2=15K时,再打开通往5Pa的罐体的高真空阀门,最后再由低温泵完成罐体内空间高真空(≤1×10-3 Pa)的任务。温度变化的实现是靠二级制冷压缩机、电加热丝分别对液态媒介进行升、降温,再通过紫铜管将冷、热能量传导给热沉和试品安装板,那么热沉的冷、热能量通过辐射方式(热沉的内外表面涂有发射率>0.90,吸收系数≥0.92的航空黑漆)传递给试品,安装板的冷、热能量则通过传导方式传递给试品,实施对试品的空间环境模拟。

HVT1200实现真空环境的功能框图

图1 HVT1200实现真空环境的功能框图

三、真空度测量

  热真空试验设备所模拟的真空度和温度是否准确,对试验的成败至关重要,为此,要对试验箱内的真空度和温度进行测量,本文阐述的是热真空模拟试验中的真空度测量。真空度是指低于大气压力的气体稀薄程度,以压力表示。用以探测低压空气稀薄气体压力所用的仪器称为真空计。图2为HVT1200实现真空度测量的功能框图。

HVT1200实现真空度测量的功能框图

图2 HVT1200实现真空度测量的功能框图

  鉴于该设备所能达到的真空范围为1×105Pa~1×10-5 Pa,它采用电阻规(皮拉尼真空计)作为前级测量,待设备达1×10-1 Pa后转由电离规(热阴极电离真空计)实现设备最终真空测量。

  (一)设备使用的真空计

  1.电阻规(皮拉尼真空计)

  工作原理:利用电阻的热传导物理性能———热丝通过电加热, 使其温度高于周围气体和管壳温度,于是在两者之间产生热传导, 当它们达到热平衡时,一旦压力变化,借助输出阻抗值、电压值等参数,再由模数转换,读出此刻真空度。鉴于皮拉尼真空计的测量范围是1×105 Pa~1×10-1 Pa,在设备中起过渡测量作用, 真正担任设备真空测量任务的是测量范围为1×10-1 Pa~1×10-5 Pa的热阴极电离真空计。

  2.电离规

  (1)基本构造:热阴极电离真空计由测量规管(或规头)和电器测量电路(真空计控制系统与指示系统)组成,其中测量规管(或规头)为热阴极电离真空计的关键件,由3个电极组合而成:能够提供一定数量电子流Ie的灯丝(阴极F)、能够产生电子加速场并收集电子流的阳极A(电子加速极)和能够收集离子流Ii的离子收集极C(相对阴极为负电位)。

  (2)工作原理:当热阴极电离真空计通电,灯丝加热提供电流源Ie,电子在电场中飞行时获得能量,若与气体分子碰撞,将使气体分子以一定几率发生电离,进而产生正离子Ii和次级电子,其电离几率与电子能量有关。电子在飞行途中产生的正离子数, 正比于气体密度,在一定温度下正比于气体压力。热阴极电离真空计就是把非电量的气体转化成离子电流, 根据离子电流的大小,通过模数转换,得出此刻真空度的示值。

  (3)性能概述:此规的阴极灯丝采用金属氧化物,使得阴极抗氧化能力增强,进而提高了耐受瞬时大气冲击的能力,延长规管寿命。图3为热阴极电离规的Ii/Ie与压力Pa的关系图。

Ii/Ie与Pa关系图

图3 Ii/Ie与Pa关系图

  可见, 随着真空度的进一步降低,Ii/Ie将达到一个峰值(对应的气压值是Pm),然后将急剧下降,这种现象称为双值现象。其峰值点一般约为5.0Pa,所以最好等设备的气压值低于此点时,再开启电离规,否则不仅影响电离规寿命,真空计还会异常显示真空值。虽然本规采用抗氧化阴极灯丝,但高温灯丝长时间工作在较低真空下氧气分压相对较高,也是极易氧化的,还会逐步降低阴极发射能力,缩短规管寿命。

  (二)设备真空度测量

  1、电阻规的零点、满度修正

  由于电阻规本身的零散性加之使用时的环境等因素影响,电阻规在第一次和使用一段时间后,都要对零点、满度进行修正。

  (1)零点修正

  ①将电阻规与系统连接好后, 开启设备的旋片泵,当设备气压值低于1.0×10-1 Pa时,此时电阻单元若显示1.0×10-1 Pa,说明零点正确,不需修正,若不显示此值,如显2.5E0或1.E-1等,则微调真空计控制仪面板的零点修正旋钮,使其显示1.0E-1即可。

  ②高真空状态下,由于环境温度及传感丝表面状态改变等因素影响, 零点易漂移, 只要能显示在1.0E-1~5.0E-1内,均属正常,无需修正。

  (2)满度修正

  ①在零点确认正确后, 对设备进行放气处理,当设备气压恢复至大气压后, 真空计控制仪显示1.0E5,表示满度正确,若显示6.0E3或HHE5等其他值时,说明满度不准确, 需微调真空计控制仪面板的满度电位器,直至其读数显示1.0E5即可。

  ②在大气状态下,空气分子密度大,经过高温环境工作后,其满度的恢复和稳定时间较长,虽然存在一定漂移,若一般显示1.0E4~9.0E4内,均属正常,无需修正。

  2、电离规的使用

  (1)当电阻规测量气压值小于2.0Pa时(真空计控制仪窗口显示00000), 可以打开设备上的高真空阀门,同时开启电离规。

  (2)电离规被开启,灯丝点亮,显示屏初始显示电离规发射电流值(以最后一次显示值为准)。若显示0.080~0.120数值时,表明真空计发射电流正常;若显示---,说明系统内真空度处于电离规临界峰值点,控制仪将使电离规进入超量程自动保护程序,原因是电阻规零点不准确(零点提前过多所致),需修正零点;若显示值在0.080~0.120以外,并显示---,说明规管灯丝断或发射能力降低,需更换规管。

  (3)从设备的测试记录图也可及时发现规管的使用能力状况。

热真空模拟试验中的真空度测量

  ①在真空状态下产品的表面会产生各种气体,这些气体极易污染热阴极电离真空计,通过观察输出的真空曲线:当出现如图4所示真空曲线有无数小毛刺时,说明此刻真空计已受气体轻度污染,那么立刻对离子真空计的阴极进行去气处理,这就是所谓的真空计自清洁处理,这个处理过程只需3min,且罐体内的真空度不变化,不影响试验进行。自清洁结束后,其真空度曲线会变得光滑起来,如图5所示,真空计又恢复正确测量。有时当真空曲线有不规则大毛刺且气压值有所上升(见图6),但还能保持小于等于6.5×10-3Pa时, 不妨对低温泵再生一次,会使低温泵恢复,提高吸气的功能,真空曲线也将变得光滑。需要说明的是:作低温泵再生时,设备罐体内的气压值将回升,再生时间持续约2h。

  ②随着真空计使用周期增长,即使多次实施自清洁及低温泵的再生,也难免有清洁不尽的残留气体不断堆积在真空计的阴极上,当出现真空曲线有无数大毛刺且真空值显示不稳时,真空计达严重污染,直至真空值不显示,如图7所示,这时真空计已失效,必须更换新的真空计。

四、热阴极电离真空计的正确使用

  1.用丝绸布蘸酒精将ZE100型电离真空计的接口处擦拭干净。

  2.将真空计置固定器中拧紧。

  3.远离前级泵返油区,防止油蒸汽遇高温使灯丝裂变,进而改变规管的灵敏度和特性。

  4.选择试验设备的接口离低温泵吸气口及油蒸汽较远,但应在热沉包围区内且距热沉一定距离处,真空计最好采用竖直安装,水平安装可能会带来测量偏差。

  5.使真空计远离高能离子和电子,或屏蔽衰减设备内试品产生的高能离子或电子,防止其轰击规管电极,加速规管电极老化,缩短规管寿命。

  6.规管测试线应采用金属网屏蔽的高频电缆线,同时屏蔽线应单点接地,以防测试信号线受干扰,影响测试准确度。

  7.用丝绸布蘸酒精将试验设备的接口清洁。

  8.由卡箍将接口、航空专用垫圈、真空计安装器三者紧密相连。紧密程度不宜太紧,给垫圈一个小小行程(因当箱体内开始抽气时,三者会自动越吸越紧),使得接口更加紧密,最后插上电控插头。

  9.为确保真空测量准确度,在使用过程中密切注意真空计的测试曲线或发射电流,一旦有变化立刻对其进行自清洁。

  10.避免大气压下开启电离规灯丝,否则将烧毁电离规灯丝,人为造成电离规失效。

  11.玻璃规管在存放时应用海绵固定。

  12.真空计属精密器件,不可随意拆卸。

  HVT1200型热真空试验设备原先配备的是ZE100型电离真空计,虽然这种真空计使用方便、测量准确度高,但其储备环境要求高、加之进口产品购货周期长,往往耽误设备使用。如今已使用真空计(型号为ZJ-27)替代。只要将其玻璃管尖端部开封,玻璃管尖端部插入固定金属套管中, 然后由卡箍将金属套接口、航空垫圈、设备接口三者紧密相连,最后插上电控插头,就完成了电离规的安装。

五、结束语

  目前,国内绝大多数的真空计都是由计算机承担控制测量的。如HVT1200型热真空试验设备,根据真空计的测量范围,用软件编制1×10-2Pa作为皮拉尼真空计测量过渡到热阴极电离真空计测量的分界点,在设备从常压至高真空过程中,PLC将自行切换两真空计的工作状态, 当压力超出真空计测量范围时,PLC立刻指挥电控系统切断该真空计电源,使之不工作。与此同时,远程监控计算机还全程自动显示设备中的真空示值,并如实绘制出真空曲线,真空示值和曲线可保存也可打印。

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