本文介紹了一套新研制的擴散真空泵性能的自動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以按照國家標準規(guī)定的方法自動檢測擴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現(xiàn)滴管液位的自動讀取和記時；利用步進電機驅(qū)動針閥實現(xiàn)氣體流量和測試罩內(nèi)壓力的自動調(diào)節(jié)；使用上位PC 機和下位單片機的雙級控制系統(tǒng)實現(xiàn)對整個測試系統(tǒng)和測試過程的自動控制。

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

　　相對于擴散泵的生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量和生產(chǎn)總量來說，國內(nèi)擴散泵在產(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缺乏實際檢測。國內(nèi)現(xiàn)有的相關(guān)檢測系統(tǒng)都采用全手動操作方式，對操作人員有較高的專業(yè)知識和實驗技能要求，需經(jīng)過專門培訓才能勝任此項工作，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)廠家自己獨立開展擴散泵性能測試增加了難度。

　　針對這一現(xiàn)狀，本文研制了一套擴散真空泵性能的自動測試系統(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)難點和解決措施作以介紹。

1、自動測試系統(tǒng)的測試原理

　　該套測試系統(tǒng)對擴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)國家標準的規(guī)定執(zhí)行。其中擴散泵抽速曲線的自動檢測，采用“定壓法”原理測試。對應(yīng)每一個測壓點的測試步驟是：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)液柱到達液位高度h1 和h2 的時間t1 和t2；通過計算液柱凈升高度h=h2- h1 和上升所需時間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)液柱上升所需時間，s
　　K———滴管函數(shù)，Pa·L/mm。

　　根據(jù)上述公式可知：要想計算出抽速S，需要已知對應(yīng)測壓點的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)合實際的測試工況事先計算出來；因此，實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 所需時間t 三個量。該套測試系統(tǒng)所具有的自動測試功能，主要是指工作閥采用電磁閥自動開啟關(guān)閉；針閥完成流量調(diào)節(jié)的過程采用步進電機驅(qū)動，并根據(jù)罩內(nèi)實測壓力與預設(shè)壓力的對比進行反饋控制；利用光電液位開關(guān)測定滴管內(nèi)液位到達設(shè)定位置h1和h2 高度處的時間t1 和t2。整個測試過程，以及之后的抽速計算、結(jié)果輸出工作，均由計算機自動控制完成，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、自動測試系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

2.1、機械部分構(gòu)成

　　該測試系統(tǒng)機械部分的主體設(shè)計方案基于國家標準的詳細規(guī)定。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由測試罩、提升機構(gòu)、前級閥、預抽閥、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 型油擴散泵，前級為2X- 4 型旋片泵。

　　考慮到該實驗臺的主要用途是服務(wù)于東北大學過程裝備與控制工程專業(yè)本科生的真空實驗教學，所以在結(jié)構(gòu)和功能上有所改動、擴展。對應(yīng)K- 200 型油擴散泵，本應(yīng)選用直徑為200 mm的測試罩，但考慮其它教學實驗用途，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散泵相連。這些會導致管道流導的增加，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真空規(guī)管接口、一個前級閥接口、一個微調(diào)閥進氣口、頂端留有放氣口，以及連接其他真空測試儀器的兩個備用接口。提升機構(gòu)可以將測試罩提起，方便主泵的更換和其它教學實驗的完成�？紤]到要實現(xiàn)自動控制，所有的閥門均選擇電磁驅(qū)動。此外，根據(jù)實驗需要，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. 提升機構(gòu)　11. 步進電機　12.測試罩　13.放氣閥　14.電離規(guī)　15.電阻規(guī)　16.預抽閥　17. 波紋管　18 . 錐形過渡接口　19 . 插板閥　20 . 前級閥　21 . 擴散泵　22.電磁帶充氣閥　23.旋片泵

圖1 擴散真空泵性能自動測試實驗臺示意圖

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 機和下位單片機的雙級控制系統(tǒng)實現(xiàn)對整個測試系統(tǒng)和測試過程的自動控制。上位機使用有2 路RS- 232 接口的普通臺式或筆記本式PC 機即可； 下位機是C8051F005 單片機；數(shù)字微機型數(shù)顯復合真空計采集的壓強信號，通過RS- 232 接口直接與上位機通信；自主研發(fā)的光電式液位傳感器在滴管中液位達到設(shè)定高度時輸出5 V 電壓，這一開關(guān)量信號經(jīng)過光耦傳入單片機。單片機輸出的開關(guān)量信號通過三級繼電器逐級增強電壓的方法控制擴散泵、旋片泵和提升電機的動作。單片機還和步進電機驅(qū)動器通信，實現(xiàn)步進電機的控制。上位機接受來自下位機和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號，通過控制軟件向下位機發(fā)送操作指令，并自動處理采集的試驗數(shù)據(jù)、計算結(jié)果、自動生成表格、自動繪制試驗產(chǎn)品的性能曲線、自動生成試驗報告并可對試驗報告進行編輯、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 自動測試系統(tǒng)控制流程示意圖

3、自動測試系統(tǒng)的控制軟件

　　本套自動測試控制系統(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控制，如圖4 所示，實時顯示測試罩內(nèi)壓強。極限壓力與抽速測試控制模塊是整個系統(tǒng)的核心部分，可以自動完成測壓點的確定和指導滴管的選取，完成該測壓點的壓強調(diào)節(jié)，最終完成該測壓點抽速的測試，并將測試結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫中。測試曲線預覽和產(chǎn)品性能報表打印兩個模塊完成抽速曲線的自動繪制，并且可以通過打印機輸出。

　　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)測試過的擴散泵抽速曲線，并可以隨時輸出。

圖4 系統(tǒng)抽放氣控制界面

4、技術(shù)難點和解決措施

　　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)難點和解決措施總結(jié)如下：

4.1、液位傳感器的選擇

　　按照國標規(guī)定，所選取的滴管最小內(nèi)徑為1.5 mm 和3 mm，而且實驗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，還單獨申報了國家發(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，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)，當液位上升至h1 處時，下液位開關(guān)向單片機輸出一個信號，開始記時；當液位開關(guān)升至h2 處時，上液位開關(guān)也向單片機輸出一個信號，記時結(jié)束并記錄時間間隔。

4.2、微調(diào)閥的控制

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

　　系統(tǒng)調(diào)試過程中還發(fā)現(xiàn)，利用步進電機驅(qū)動針閥，受轉(zhuǎn)動力矩的限制，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高真空電磁閥，在測泵的極限壓力時關(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散真空泵性能自動測試系統(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)能夠自動完成擴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)知識和實驗技能的要求，減輕操作人員的勞動強度，提高測試精度和可靠性，有利于生產(chǎn)企業(yè)自主開展擴散泵產(chǎn)品性能的實際測試檢驗。

圖5 擴散真空泵性能自動測試系統(tǒng)的實物照片圖

　　今后，將對該測試系統(tǒng)做進一步的改進，使其更能夠適應(yīng)企業(yè)的實際需求，操作更為簡單和人性化。同時擴展開發(fā)出更多功能，例如：在被測擴散泵出口管路處再加設(shè)一套由步進電機驅(qū)動的微調(diào)針閥和相應(yīng)的真空計，就能夠測試擴散泵的臨界前級壓力；在測試罩上安裝相應(yīng)的盛液管，也可以測試擴散泵的返油率；從而實現(xiàn)對擴散泵性能的全面測試。