多功能真空校準裝置的設計組成
為滿足航天器熱試驗常用真空計及標準漏孔的校準需要，研制了多功能真空校準裝置。多功能真空校準裝置可用于進行熱偶真空計、壓阻規(guī)、電容薄膜真空規(guī)、潘寧規(guī)、熱陰極電離規(guī)等真空測量傳感器的校準，同時也可以用于滲透型真空漏孔的校準。
1、裝置概述
多功能真空校準裝置主要由高真空校準室、低真空校準室/ 穩(wěn)壓室、真空抽氣系統(tǒng)、漏孔校準系統(tǒng)、電氣控制及信號采集系統(tǒng)組成。系統(tǒng)原理如圖1 所示。
圖1 真空校準裝置原理圖
2、高真空校準室
高真空校準室為雙球真空室結構，分上游室和下游室兩大部分，結構參見圖2 所示。
圖2 校準室結構示意圖
其中上、下游室采用內徑Ф350mm 的球體作為真空腔體。真空室內表面進行機械拋光和化學拋光處理，并進行超聲波清洗。上游室及下游室的赤道上各設計有5 個DN40CF 法蘭接口，用來接被校規(guī)、標準規(guī)和四極質譜計等。其中法蘭接口的任意兩個法蘭通過球心直線互不相對，錯開一定的角度，以避免在校準時被校規(guī)之間相互影響。
四極質譜計采用MKS的產品，可通過對不同氣體離子流的測量來比對真空計的讀數。標準規(guī)采用Brooks 的GP370 電離規(guī)，可很好的滿足校準工作要求。監(jiān)測規(guī)采用成都國光生產的B-A 規(guī)，測量范圍10-2～10-8 Pa，起到監(jiān)測作用，用于判斷系統(tǒng)工作的狀態(tài)，并為四極質譜計的開啟提供參考判據。校準室的所有接口采用金屬密封接口。在下游室底部裝有CF160 法蘭與主分子泵連接。
3、低真空校準穩(wěn)壓室
在該設備中，低真空校準穩(wěn)壓室既可以用來對低真空規(guī)進行校準，也可以用于高真空規(guī)與漏孔校準時作為穩(wěn)壓室。低真空校準室為單球真空室結構，采用內徑Ф250mm 的球體， 體積約8.2L，內表面拋光處理，外表面噴砂噴丸鈍化處理。校準室的赤道線上留有DN40 CF、8VCR 等接口，分別用于連接電容薄膜規(guī)、被校規(guī)、監(jiān)測規(guī)等真空規(guī)。
規(guī)管接口法蘭的任意兩個接口通過球心直線互不相對。校準穩(wěn)壓室的頂部進氣處裝有散流孔板，使得通入的氣體能均勻的散布到穩(wěn)壓校準室，縮短氣體壓力平衡時間。穩(wěn)壓校準室的監(jiān)測規(guī)采用成都國光生產的復合真空計，測量范圍105～10-6 Pa。穩(wěn)壓室的頂部裝有進氣管，底部留有分子泵接口。穩(wěn)壓室的進氣控制閥選用微調針閥。
4、真空抽氣系統(tǒng)
真空抽氣系統(tǒng)分為高真空校準室抽氣系統(tǒng)和低真空校準穩(wěn)壓室抽氣系統(tǒng)。其中高真空校準室抽氣系統(tǒng)采用分子泵串聯(lián)設計，確保在真空室經過內表面潔凈處理狀態(tài)下，獲得較高的極限真空度。主泵采用Leybold 的T600 C，CF160 接口，T600C 分子泵極限真空度可達1×10-8 Pa。前級分子泵采用Leybold 的SL80 分子泵。
前級機械泵采用安捷倫的TriScroll600 干泵。校準穩(wěn)壓室抽氣系統(tǒng)主泵采用SL80 分子泵，CF63 接口，前級泵采用Leybold 的SC5D 干泵。同時為提高低真空校準穩(wěn)壓室的頻繁放空、抽真空操作效率，設計了旁抽管路，真空室放空后可由干泵先抽真空，壓力達到分子泵工作壓力以后再由分子泵抽真空，這種操作方式可減少分子泵的起停頻率，延長分子泵的壽命。
5、漏孔校準系統(tǒng)
為了校準裝置的多用途性，增加了波紋管截止閥和標準漏孔等設備，結合四極質譜計，實現了滲透型漏孔的校準功能。為校準操作的便利，設計了閥門V18 用于標準漏孔兩側的導通，可以迅速平衡漏孔兩側的壓力。漏孔為4 種不同孔徑組成的一套標準漏孔，通過更換相應的漏孔，系統(tǒng)可實現（5×10-5～5×10-9 ）Pa·m3/s 的漏孔校準。
系統(tǒng)設計氮氣吹掃功能，通過手動充氮閥，對校準室內進行氦氣吹掃，可降低本底氦氣對校準結果的影響。
6、烘烤系統(tǒng)
為了獲得較高的極限真空度，提高校準準確度，需對校準室進行高溫烘烤，以降低內部的水氣和其它殘余氣體成分。烘烤系統(tǒng)主要由真空室烘烤套、自動溫控系統(tǒng)組成。烘烤套由鎳鎘加熱絲和玻璃纖維絕緣層共同縫制而成，便于拆裝。加熱絲均勻分布在加熱套內，確保校準室溫度均勻。自動溫控系統(tǒng)用來設置及調控加熱套的烘烤溫度，校準室的最高烘烤溫度為200℃。
7、測量和控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)采用PLC 作為底層控制執(zhí)行系統(tǒng)，上位監(jiān)控和實驗數據處理采用專用工控機結合組態(tài)軟件來實現人機交互�？刂品绞讲捎檬謩雍桶踩ユi相結合的方法。上位監(jiān)控單元主要采用研華的工控機和應用軟件組成。通過專用軟件實現控制功能和數據處理，具有控制和顯示兩種功能，是操作員進行設備控制與資料分析的窗口。PLC 數據與上位數據庫的數據進行交換，內置存儲器，可按一定的時間間隔存儲較長時間的試驗數據。
系統(tǒng)具有關聯(lián)設備的硬軟件雙重互鎖功能，可避免誤操作引起的設備損壞，實時監(jiān)控真空系統(tǒng)的壓力狀態(tài)，對于不能開啟的泵、閥、計等敏感設備實現軟硬的雙重保護�？刂葡到y(tǒng)設計有準確的報警功能，可在外圍設備出現故障，或是設備運行條件發(fā)生變化時給予明顯的提示，方便操作人員進行處理。如果操作人員在規(guī)定的時間內未響應，系統(tǒng)可根據預設故障處理程序自動對故障進行安全處理。下位控制系統(tǒng)選用西門子的可編程控制器為控制單元，輔助相應的電氣元件構成，下位控制系統(tǒng)包括校準室烘烤自動溫控功能，以溫度為控制對象，通過可控硅、鉑電阻、二次儀表等組件，實現閉環(huán)控制過程。
8、校準室材料及處理
校準室以及管道材料采用SUS304 和316L，優(yōu)質的不銹鋼材料在真空條件下本底放氣率較低，可以獲得較好的真空度。采用超高真空自熔氬弧焊進行焊接，校準室在焊接前進行去油清洗，避免油污影響焊接的質量，從而確保校準室的焊接可靠性，避免焊縫處的滲漏。主要焊縫采用內焊的結構，減少了表面的放氣面積，有助于提高系統(tǒng)的極限真空度。
所有零部件焊接后采用氦質譜檢漏儀進行檢漏，每道真空焊縫都進行噴氦檢漏處理，要求漏率≤1×10-10 Pa·m3/s。作為一個漏孔校準相關測試平臺，氦氣殘留污染是系統(tǒng)設計過程中需用關注的要點，在真空極限和本底較高的情況下，大分子材料吸附的氦氣會緩慢釋放到真空室內，造成真空度和氦氣本底持續(xù)偏高。為解決這個問題我們采取真空腔室為全金屬密封結構，真空室內盡量避免塑料、橡膠等材料的存在;同時系統(tǒng)留有一路氮氣吹掃管路，減少氦氣殘留。
