采用流量計(jì)測量復(fù)合分子泵抽速裝置研制
本工作研制了一臺(tái)采用流量計(jì)測量復(fù)合分子泵抽速的裝置。本裝置由測試臺(tái)車、機(jī)柜、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)三部分組成。選用3 個(gè)高精度流量計(jì)，滿量程分別為1000 sccm、100 sccm 和10 sccm，并聯(lián)組成流量計(jì)組件用于測量輸入氣體的流量，選用高精度的復(fù)合真空計(jì)測量真空測試罩內(nèi)氣壓。抽速測試結(jié)果顯示，一臺(tái)1200 L/s 的復(fù)合分子泵N2抽速重復(fù)測量5 次，14 個(gè)氣壓測試點(diǎn)對(duì)應(yīng)的抽速的最大相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2%，重復(fù)性好。抽速測量的誤差主要由流量計(jì)和真空計(jì)的系統(tǒng)誤差決定。采用流量計(jì)測量一臺(tái)分子泵在真空度2.00×10-3 Pa~2.00 Pa 范圍的抽速，測量時(shí)間20 min 以內(nèi)。
全玻璃真空太陽集熱管制備工藝過程中，廣采用三靶鍍膜機(jī)在集熱管內(nèi)管外表面上沉積金屬陶瓷太陽選擇性吸收涂層，鍍膜真空室采用油擴(kuò)散泵抽高真空。章其初等人在開發(fā)集熱管自動(dòng)連續(xù)鍍膜線時(shí)，采用復(fù)合分子泵替代油擴(kuò)散泵抽高真空獲得成功，并產(chǎn)業(yè)化推廣。另外，王雙等人在集熱管自動(dòng)連續(xù)烘烤排氣線上，采用復(fù)合分子泵替代油擴(kuò)散泵抽高真空試驗(yàn)也獲得了成功，并已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。磁控濺射鍍膜工藝在氣壓1.0×10-1 Pa~1.0 Pa 范圍，集熱管排氣工藝在氣壓1.0×10-2 Pa~1.0 Pa 范圍，因此1.0×10-2 Pa~1.0 Pa 氣壓范圍的分子泵抽速對(duì)鍍膜線的設(shè)計(jì)、鍍膜工藝以及排氣工藝的研究至關(guān)重要。
1987 年制定的國標(biāo)GB 7774-87《渦輪分子泵性能測試方法》，規(guī)定充入泵內(nèi)的氣體流量按照1986 年制定的國標(biāo)GB 6307.1-86《蒸汽流真空泵抽氣速率體積流率測試方法》進(jìn)行測量。采用滴管式流量測量裝置，測量油柱上升的高度和時(shí)間，間接表述流量值。張璠等人詳細(xì)研討了滴管式測量流量和計(jì)算抽速的方法。上述分子泵抽速的測量方法在本文中簡稱為“滴管法”。如測量名義抽速為1600 L/s 的復(fù)合分子泵，采用阿爾卡特公司發(fā)表的抽速數(shù)據(jù)，我們計(jì)算得到，氣壓為1 Pa 時(shí)，流量為1429 Pa·L/s，需要300 mL 的大容量滴管或替代滴管的玻璃器皿;氣壓為3×10-3 Pa 時(shí)，流量為4.8 Pa·L/s，僅為1 Pa 時(shí)流量的1/300，需要容量僅為5 mL 的滴管，油柱上升的高度和時(shí)間測量誤差大，因而導(dǎo)致抽速測量誤差大。采用滴管法測量抽速時(shí)，在不同氣壓測量點(diǎn)需更換不同規(guī)格的滴管，操作繁瑣，耗時(shí)長，約4 h，國內(nèi)分子泵制造廠當(dāng)前均采用滴管法進(jìn)行抽速測量。2007 年制定的國標(biāo)GB 7774-2007《渦輪分子泵性能參數(shù)的測量》中，規(guī)定采用流量法和標(biāo)準(zhǔn)流導(dǎo)法測量抽速。
本工作設(shè)計(jì)研制了一臺(tái)采用流量計(jì)測量復(fù)合分子泵抽速的裝置，采用流量計(jì)組件輸入測試氣體至真空測試罩。測量了名義抽速為1200 L/s 的復(fù)合分子泵在2.00×10-3 Pa~2.00 Pa 氣壓范圍的抽速。
1、抽速測試原理
真空裝置的氣體流量Q 與真空室的氣壓P和真空泵的有效抽速V 有如下基本關(guān)系式：
Q = P×V (1)
復(fù)合分子泵抽速測量過程中，當(dāng)真空測試罩內(nèi)的本底氣壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抽速測量時(shí)的氣壓，利用公式(1)可以得到如下分子泵抽速的表達(dá)式，
V(P) = Q(P)/P (2)
式中Q 為充入測試罩內(nèi)的工作氣體流量(Pa·L/s)，P 為測試罩內(nèi)氣壓(Pa)，V 為復(fù)合分子泵的有效抽速(L/s)。流量Q 和抽速V 均與氣壓P 相關(guān)。
選擇合適的流量計(jì)是決定抽速測量精度的關(guān)鍵之一。若已知分子泵不同氣壓下的抽速，利用公式(1) 可以計(jì)算得到不同氣壓下的氣體流量。引言中提到的鍍膜線、排氣線分別采用國產(chǎn)名義抽速為1600 L/s、1200 L/s 的復(fù)合分子泵抽高真空。因此，作為例子本工作分別選用阿爾卡特公司產(chǎn)品手冊(cè)中1600 L/s(型號(hào)ATH1600M)和1200 L/s(型號(hào)ATH1200M)的兩種復(fù)合分子泵的抽速隨氣壓變化數(shù)據(jù)，利用公式(1)計(jì)算得到其在3×10-3 Pa~1 Pa 氣壓范圍的工作氣體N2 流量Q(Pa·L/s)，如表1 所示。表中同時(shí)給出了以sccm(流量計(jì)常用單位)為單位的流量值。由表1 可以看出，ATH1600M 型分子泵抽速在氣壓3×10-3 Pa~1 Pa 對(duì)應(yīng)的N2 流量為2.9 sccm~860.8 sccm。因此應(yīng)選用滿量程為1000 sccm的流量計(jì)才能滿足該分子泵在1 Pa 時(shí)的抽速測量。但是，該分子泵在3×10-3 Pa 時(shí)的流量僅為2.9 sccm。因此測量分子泵從3×10-3 Pa~1 Pa 氣壓范圍的N2 抽速，要選擇若干個(gè)不同滿量程的流量計(jì)組成流量計(jì)組件才能獲得較高的抽速測量精度。
表1 阿爾卡特ATH1200M 和ATH1600M 型復(fù)合分子泵不同氣壓對(duì)應(yīng)的流量值
5、結(jié)論
本工作研制了一臺(tái)采用流量計(jì)測量復(fù)合分子泵抽速的裝置。本裝置由測試臺(tái)車、機(jī)柜、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)三部分組成。氣瓶經(jīng)減壓閥輸出的氣體，通過流量計(jì)組件，進(jìn)入測試罩。流量計(jì)組件由3 路高精度質(zhì)量流量計(jì)并聯(lián)組成，滿量程分別為1000 sccm、100 sccm和10 sccm。選用高精度的復(fù)合真空計(jì)測量測試罩內(nèi)氣壓，該真空計(jì)為六位LED 數(shù)字顯示，采用科學(xué)計(jì)數(shù)法，顯示小數(shù)點(diǎn)后兩位。真空計(jì)及配套電離規(guī)、電阻規(guī)由國家認(rèn)證的權(quán)威檢測機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度等級(jí)為二等標(biāo)準(zhǔn)。
本工作測量的一臺(tái)名義抽速為1200L/s 的國產(chǎn)復(fù)合分子泵，其N2 抽速曲線在3.00×10-2 Pa~2.00×10-1 Pa 范圍出現(xiàn)了一個(gè)平臺(tái)，抽速約為726 L/s，是最大抽速848 L/s(2.00×10-3 Pa 時(shí))的86%，是名義抽速的61%。該平臺(tái)可能是由復(fù)合分子泵渦輪級(jí)與牽引級(jí)之間的匹配沒有達(dá)到最佳引起的。本裝置測量抽速的重復(fù)性好，一臺(tái)1200 L/s 的復(fù)合分子泵抽速重復(fù)測量5 次的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于2%。測量得到的抽速的誤差主要由流量計(jì)和真空計(jì)的系統(tǒng)偏差決定，氣壓2.00×10-3 Pa~2.00 Pa 范圍抽速的相對(duì)誤差為6%。
采用本裝置測量一臺(tái)分子泵在2.00×10-3 Pa~2.00 Pa 氣壓范圍的抽速，測量時(shí)間20 min 以內(nèi)，與滴管法測量抽速相比測試效率大大提高。本裝置也可用于分子泵和牽引泵(或稱增壓泵)的抽速測試。
