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)的雙級控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對整個(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落后。目前很多企業(yè)尚沒有自己的性能測試系統(tǒng)，對泵產(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，對操作人員有較高的專業(yè)知識和實(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、臺車和真空管路等組成，被測主泵為K- 200 型油擴(kuò)散泵，前級為2X- 4 型旋片泵。

　　考慮到該實(shí)驗(yàn)臺的主要用途是服務(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�？紤]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)和控制的對象如表1 所示。

表1 控制對象列表

　　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

　　本套測試系統(tǒng)使用上位PC 機(jī)和下位單片機(jī)的雙級控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對整個(gè)測試系統(tǒng)和測試過程的自動(dòng)控制。上位機(jī)使用有2 路RS- 232 接口的普通臺式或筆記本式PC 機(jī)即可； 下位機(jī)是C8051F005 單片機(jī)；數(shù)字微機(jī)型數(shù)顯復(fù)合真空計(jì)采集的壓強(qiáng)信號，通過RS- 232 接口直接與上位機(jī)通信；自主研發(fā)的光電式液位傳感器在滴管中液位達(dá)到設(shè)定高度時(shí)輸出5 V 電壓，這一開關(guān)量信號經(jīng)過光耦傳入單片機(jī)。單片機(jī)輸出的開關(guān)量信號通過三級繼電器逐級增強(qiáng)電壓的方法控制擴(kuò)散泵、旋片泵和提升電機(jī)的動(dòng)作。單片機(jī)還和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通信，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制。上位機(jī)接受來自下位機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號，通過控制軟件向下位機(jī)發(fā)送操作指令，并自動(dòng)處理采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果、自動(dòng)生成表格、自動(dòng)繪制試驗(yàn)產(chǎn)品的性能曲線、自動(dòng)生成試驗(yàn)報(bào)告并可對試驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行編輯、修改和打印輸出；本套測試系統(tǒng)的控制數(shù)據(jù)流如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)測試系統(tǒng)控制流程示意圖

3、自動(dòng)測試系統(tǒng)的控制軟件

　　本套自動(dòng)測試控制系統(tǒng)的控制軟件是在Windows 環(huán)境下，采用Visual Basic6.0 語言編譯而成。測試系統(tǒng)控制軟件由主界面、測試管理系統(tǒng)界面和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)界面三部分組成，具體關(guān)系見圖3。

圖3 自動(dòng)測試系統(tǒng)控制軟件結(jié)構(gòu)圖

　　在測試管理系統(tǒng)界面下，待測產(chǎn)品信息設(shè)定模塊包括待測擴(kuò)散泵信息選擇、測試員信息選擇、新產(chǎn)品信息錄入和測壓點(diǎn)選擇。系統(tǒng)抽放氣控制模塊可以完成對系統(tǒng)抽氣和放氣過程的自動(dòng)控制，如圖4 所示，實(shí)時(shí)顯示測試罩內(nèi)壓強(qiáng)。極限壓力與抽速測試控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，可以自動(dòng)完成測壓點(diǎn)的確定和指導(dǎo)滴管的選取，完成該測壓點(diǎn)的壓強(qiáng)調(diào)節(jié)，最終完成該測壓點(diǎn)抽速的測試，并將測試結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫中。測試曲線預(yù)覽和產(chǎn)品性能報(bào)表打印兩個(gè)模塊完成抽速曲線的自動(dòng)繪制，并且可以通過打印機(jī)輸出。

　　數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以完成用戶信息，測試人員信息的設(shè)定和修改，例如用戶名和密碼，測試員姓名等。擴(kuò)散泵的型號、生產(chǎn)廠家及生產(chǎn)日期等被測產(chǎn)品信息也可以通過該部分進(jìn)行輸入、修改、查詢和輸出。該數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)也可以保存已經(jīng)測試過的擴(kuò)散泵抽速曲線，并可以隨時(shí)輸出。

圖4 系統(tǒng)抽放氣控制界面

4、技術(shù)難點(diǎn)和解決措施

　　在一年多的研制過程中，遇到了很多困難，也走了很多彎路，現(xiàn)將主要的技術(shù)難點(diǎn)和解決措施總結(jié)如下：

4.1、液位傳感器的選擇

　　按照國標(biāo)規(guī)定，所選取的滴管最小內(nèi)徑為1.5 mm 和3 mm，而且實(shí)驗(yàn)中這兩種滴管使用得非常頻繁；管內(nèi)的測試液體則是透明度很好的變壓器油。研制過程中遇到的首要困難就是：目前尚沒有適合本系統(tǒng)使用、能夠?qū)崿F(xiàn)透明微細(xì)液柱非接觸式高精度液位測試的液位開關(guān)。在近半年多方尋求無果的情況下，我們自主開發(fā)了一種光纖式光電液位開關(guān)，成功地解決了這一難題。不僅滿足了本測試系統(tǒng)的工作要求，還單獨(dú)申報(bào)了國家發(fā)明專利。

　　光電液位開關(guān)在本系統(tǒng)中的使用方法是：確定對任一滴管和任一測壓點(diǎn)，都選定相同的液位高度h=h2- h1。分別在滴管h2 和h1 高度處安裝了上、下液位開關(guān)，當(dāng)液位上升至h1 處時(shí)，下液位開關(guān)向單片機(jī)輸出一個(gè)信號，開始記時(shí)；當(dāng)液位開關(guān)升至h2 處時(shí)，上液位開關(guān)也向單片機(jī)輸出一個(gè)信號，記時(shí)結(jié)束并記錄時(shí)間間隔。

4.2、微調(diào)閥的控制

　　在兩個(gè)不同測壓點(diǎn)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，需要利用微調(diào)閥來調(diào)節(jié)氣流量，控制測試罩內(nèi)的壓力到達(dá)新的測壓點(diǎn)。最初始的控制方案是采用電控壓電閥進(jìn)行氣體流量的控制調(diào)節(jié)，具有簡單易行的優(yōu)點(diǎn)，但考慮壓電閥可能存在有電壓漂移和時(shí)間漂移等不可預(yù)知的誤差因素，因此放棄了這一方案。最終確定仍然采用流量穩(wěn)定的機(jī)械針閥作為調(diào)節(jié)元件，并利用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)針閥。其中步進(jìn)電機(jī)型號為42HS03，驅(qū)動(dòng)器型號為M415- 64/M515。驅(qū)動(dòng)器上的光隔電源端，脈沖信號端，方向信號端和電機(jī)使能端分別與單片機(jī)相連，并且可以通過上位機(jī)的控制軟件修改電機(jī)的步進(jìn)參數(shù)，達(dá)到調(diào)節(jié)氣流量的要求。

　　系統(tǒng)調(diào)試過程中還發(fā)現(xiàn)，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)針閥，受轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的限制，無法像手工作業(yè)那樣將針閥完全關(guān)閉，從而為測試泵的極限壓力帶來誤差。后來在微調(diào)針閥與測試罩充氣口之間加裝了一個(gè)高真空電磁閥，在測泵的極限壓力時(shí)關(guān)閉此閥，解決了這一問題。

5、結(jié)束語

　　本文介紹了一套新研制的擴(kuò)散真空泵性能自動(dòng)測試系統(tǒng)。借助操作人員手工作業(yè)更換滴管和連接管路，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)完成擴(kuò)散真空泵的極限壓力和抽速曲線的連續(xù)測試。圖5 是該系統(tǒng)的實(shí)物照片圖。該系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠大大降低對測試人員所必須具備的專業(yè)知識和實(shí)驗(yàn)技能的要求，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高測試精度和可靠性，有利于生產(chǎn)企業(yè)自主開展擴(kuò)散泵產(chǎn)品性能的實(shí)際測試檢驗(yàn)。

圖5 擴(kuò)散真空泵性能自動(dòng)測試系統(tǒng)的實(shí)物照片圖

　　今后，將對該測試系統(tǒng)做進(jìn)一步的改進(jìn)，使其更能夠適應(yīng)企業(yè)的實(shí)際需求，操作更為簡單和人性化。同時(shí)擴(kuò)展開發(fā)出更多功能，例如：在被測擴(kuò)散泵出口管路處再加設(shè)一套由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的微調(diào)針閥和相應(yīng)的真空計(jì)，就能夠測試擴(kuò)散泵的臨界前級壓力；在測試罩上安裝相應(yīng)的盛液管，也可以測試擴(kuò)散泵的返油率；從而實(shí)現(xiàn)對擴(kuò)散泵性能的全面測試。