皮拉尼真空计校正工艺的改进

时间：2024-04-25

张斌

爱发科（中国）投资有限公司上海 201199

皮拉尼真空计是利用惠斯通电桥 Wheatstone bridge 的补偿原理，以低温的气体分子在做无规则的运动时，碰撞到高温的固体以后，会吸收掉一部分高温固体的热量。通过计算被气体分子吸收掉的热量，来计算气体压力的真空计。因此，皮拉尼真空计所检测的气体真空度，与被测气体无关。而且，皮拉尼真空计的检测方法，不是通过直接测量，而是通过数据的换算得到结果的一种方法。

目前，我们公司的皮拉尼真空计的校正设备，使用的是比较法。由于皮拉尼真空计上的可调电阻相对于的电压值与设计电压值，分别对应校正后的真空计的读数与校正设备上配备的标准真空计的读数，通过对电压值进行比较，以两者读数的差异大小，来判断校正后的真空计是否合格的方法。这也是皮拉尼真空计校正作业中，最通用最标准的做法[1]。

我们公司的皮拉尼真空计，以前都是海外生产，在中国国内销售的。随着公司在中国国内生产国产化的皮拉尼真空计，要保证国产化的品质与进口的皮拉尼真空计是一样的，最关键的还是出厂前的校正作业。如果校正作业过关了，那么国产皮拉尼真空计的读数精度和测量误差，就与进口的皮拉尼真空计的在同一个水平了。公司完成了皮拉尼真空计的国产化研发，同时也对现有的校正设备，进行了改良，把当初设计时只适用于维修时的校正设备，现在能用于批量生产时的校正作业。但是，从试制的皮拉尼真空计的校正数据来看，校正后的皮拉尼真空计的读数与标准真空计的读数，还是存在很大的偏差。因此，需要解决皮拉尼真空计的读数与校正设备真空腔体上配置的标准真空计的读数之间差异的问题，来保证了校正数据的实时性、真实性和可靠性。

1 校正工艺的改进过程

1.1 解决读数差异的问题

1.1.1 读数差异的分析

（1）从目前的校正流程着手，来寻找问题在哪里。目前皮拉尼真空计的校正流程如下：将皮拉尼真空计在空气环境内放置24小时，进行老化——在空气环境下，使用万用表，调整电桥电压到固定值——将皮拉尼真空计固定到校正设备上，通过排气系统排气，使校正设备的腔体真空度达到5.0×10-3Pa以下——零点调整，如图1，将 A电阻的电压值调整到最大——将氮气（N2）输入腔体，将腔体压力调为1.0×101Pa，调节B电阻的电压值——将腔体压力调为1.0×103Pa，调节C电阻的电压值——将腔体压力调为1.0×104Pa，调节D电阻的电压值——将腔体压力调为1.0×105Pa，调节E电阻的电压值——通过排气系统排气，使校正设备的腔体真空度达到5.0×10-3Pa以下，再次进行零点调整，将A电阻的电压值调整到最大，这样，校正的工作就完成了。

为了避免调节电阻时出现失误，我们采用的是制作专门的调节电阻用外壳，如图1。

从这个校正的流程来看，在调节校正设备的腔体压力时，对于待校正的皮拉尼真空计，都是通过调节各个电阻值，使得万用表的读数符合校正流程书规定的数值。通过多次操作，发现用来测量读数的万用表的2根表棒，如果跟被测点的接触不是很可靠的话，万用表的读数就会出现偏差。校正设备的腔体上，一次性可以接20个皮拉尼真空计，通过几次实验发现，由于万用表表棒的接触不良，而造成的读数偏差，可以超过20%以上。对于国产的皮拉尼真空计的真空度测量误差来说，中国国内的标准是30%以内，我公司的标准是10%以内。如果单纯的万用表的读数的误差就超过20%的话，就远远超过公司的10%的标准了。因此改善万用表测量时的接触不良，就是亟需解决的问题[2]。

图1 校正作业时，调节可变电阻的专用外壳

（2）同时，通过多次的试验，发现我们在按校正流程进行皮拉尼真空计的校正作业时，每次对校正设备的腔体的压力进行调整后，如果马上进行可调电阻的电压值调整，那么真空计的校正后的显示值，与标准真空计的显示值，就会存在25%左右的读数差异。是不是由于对腔体的压力进行调整以后，腔体内的气体分子，需要通过一定的时间，才能达到稳定呢？我们参考了相关的文献，了解到真空度测量的主要条件就是要在平衡态下测量，气体分子在校准设备的腔体内分布的均匀性，直接影响到真空度测量结果的准确性。所以，在对校正设备的腔体压力进行调整以后，马上进行可调电阻的电压值调整时，是在腔体内的气体分子没有达到平衡状态时进行的，这样操作，是会对最终的读数产生差异的。

1.1.2 读数差异的解决方案

（1）根据上述分析的原因，解决现有的万用表表棒的接触不良的问题，是减少皮拉尼真空计读数差异的最主要方法。目前的测量是用万用表的表棒，每次去接触可调电阻的两端，如果有一种夹具，直接牢固地固定在可调电阻的2端，那么，就可以解决这个问题了。但是，在整个皮拉尼真空计的校正过程中，需要对5个可调电阻进行调整电压的作业，一台校正设备上，一次性可以校正20台皮拉尼真空计，如果每个可调电阻都用固定夹具进行固定的话，那么，整个校正设备上会多出几百条线，在校正作业时，操作人员会很容易搞错那台真空计接那条线路的。通过对真空计的电子线路构造进行进一步的分析，我们发现，在校正作业是，需要调整电压值的5个可变电阻，都有一个共同的COM接地口。与真空计线路板的设计人员进行沟通，了解到可以通过真空计的输入输出端口，取得上述5个可变电阻的电压值。因此，决定放弃用万用表的表棒来测量各个可变电阻的电压值，而用真空计的输入输出端口来取得电压值。输入输出端口的连接，比万用表的表棒接触要牢靠得多，可以最大限度地减少接触不良而造成的误差。

表1 被测真空计与标准计的读数误差

图2 标准计与被测真空计的测量误差折线图

（2）腔体内的气体分子没有达到平衡状态就进行校正的问题，我们进行了多次的测试，都是在对腔体内充入氮气以后，关闭阀门，分别按稳定30秒、60秒、90秒、120秒、150秒，再进行可变电阻的电压值调整。最后将各校正好的真空计数据与标准真空计的读数进行比对，对比结果如表1所示，发现稳定30秒后的数据读数有相对较大的偏差，而稳定60秒以后的皮拉尼真空计的读数与标准真空计的读数误差，就能控制到10%以内。通过多次的测试试验，我们也找到了适合公司这台校正设备的氮气充入后，腔体内气体的稳定时间。

1.1.3 读数差异的解决结果

根据上述的解决方案，我们将皮拉尼真空计的校正流程进行了调整，调整前后的对比如表2。

1.2 提高校正数据的实时性、真实性和可靠性的问题

1.2.1 提高校正数据的实时性、真实性和可靠性的分析

（1）提高校正数据的实时性、真实性和可靠性，也是提高皮拉尼真空计质量的品质的一个方面。目前的校正设备，配备了2套真空计作为标准真空计。从大气105Pa-10-1Pa，使用的是薄膜真空计，10-1Pa-10-5Pa，使用的是电离真空计。由于真空计的构造，薄膜真空计跟所测的气体种类无关来说，而电离真空计跟所测的气体种类有关。如果要提高标准真空计的测量精度的话，最好是选用的标准真空计要与所测的气体种类无关。这样的话，也需要将电离真空计更换成薄膜真空计。

（2）目前，被校正的皮拉尼真空计的测试数据，都是每次一个数据，由校正作业人员手工记入的电脑里。在实际的记录过程中，有数据记录错误的情况，这种数据记录错误，也会对产品的数据记录，造成影响。因此，避免人为的错误，还是使用能够根据测量的结果，自动进行记录的系统比较好。

1.2.2 提高校正数据的实时性、真实性和可靠性的解决方案

（1）从提高标准真空计的测量精度来考虑，还是选用标准真空计要与所测的气体种类无关的。这样的话，就需要将电离真空计更换成薄膜真空计。从大气105Pa-10-1Pa，使用的是薄膜真空计，10-1Pa-10-5Pa，也选用了薄膜真空计。

（2）为了能够即时记录测量的数据，减少人工操作出现的误输入，从市场上找到一款设备，在每次调整可变电阻的电压值时，相应的电压值就可以通过设备自动记录，并保存到电脑里面。我们找到的这款设备是安捷伦的Keysight34970A数据采集器20-60通道记录仪。设备如下图。我们的校正设备是一次性可以校正20台皮拉尼真空计，该设备至少有20个通道，完全符合我们的要求。同时，这个数据采集器也是通过真空计的输入输出端口进行数据读取的[3]。

这样一台皮拉尼真空计按校正流程做完校正以后，这台真空计在腔体压力变化的各个阶段的电压值读数，也就出来了，然后输入电脑，通过在EXCEL表格内设置公式，可以讲理论的电压值读数与测得的读数进行对比，那么这台真空计的读数误差是否在范围之内，马上可以通过电脑的EXCEL表格来看到。

1.2.3 提高校正数据的实时性、真实性和可靠性的解决结果

通过将标准真空计中的电离真空计改为薄膜真空计，使被测真空计的读数不收测量气体的影响；同时导入自动记录测量数据的系统，减少了人为失误，提高了校正数据的实时性、真实性和可靠性，也进一步保证了皮拉尼真空计的出厂品质。

表2 校正流程调整前后对比表

图3 安捷伦的Keysight34970A数据采集器20-60通道记录仪