皮拉尼真空計校正工藝的改進

張斌

愛發科（中國）投資有限公司 上海 201199

皮拉尼真空計是利用惠斯通電橋 Wheatstone bridge 的補償原理，以低溫的氣體分子在做無規則的運動時，碰撞到高溫的固體以后，會吸收掉一部分高溫固體的熱量。通過計算被氣體分子吸收掉的熱量，來計算氣體壓力的真空計。因此，皮拉尼真空計所檢測的氣體真空度，與被測氣體無關。而且，皮拉尼真空計的檢測方法，不是通過直接測量，而是通過數據的換算得到結果的一種方法。

目前，我們公司的皮拉尼真空計的校正設備，使用的是比較法。由于皮拉尼真空計上的可調電阻相對于的電壓值與設計電壓值，分別對應校正后的真空計的讀數與校正設備上配備的標準真空計的讀數，通過對電壓值進行比較，以兩者讀數的差異大小，來判斷校正后的真空計是否合格的方法。這也是皮拉尼真空計校正作業中，最通用最標準的做法[1]。

我們公司的皮拉尼真空計，以前都是海外生產，在中國國內銷售的。隨著公司在中國國內生產國產化的皮拉尼真空計，要保證國產化的品質與進口的皮拉尼真空計是一樣的，最關鍵的還是出廠前的校正作業。如果校正作業過關了，那么國產皮拉尼真空計的讀數精度和測量誤差，就與進口的皮拉尼真空計的在同一個水平了。公司完成了皮拉尼真空計的國產化研發，同時也對現有的校正設備，進行了改良，把當初設計時只適用于維修時的校正設備，現在能用于批量生產時的校正作業。但是，從試制的皮拉尼真空計的校正數據來看，校正后的皮拉尼真空計的讀數與標準真空計的讀數，還是存在很大的偏差。因此，需要解決皮拉尼真空計的讀數與校正設備真空腔體上配置的標準真空計的讀數之間差異的問題，來保證了校正數據的實時性、真實性和可靠性。

1 校正工藝的改進過程

1.1 解決讀數差異的問題

1.1.1 讀數差異的分析

（1）從目前的校正流程著手，來尋找問題在哪里。目前皮拉尼真空計的校正流程如下：將皮拉尼真空計在空氣環境內放置24小時，進行老化——在空氣環境下，使用萬用表，調整電橋電壓到固定值——將皮拉尼真空計固定到校正設備上，通過排氣系統排氣，使校正設備的腔體真空度達到5.0×10-3Pa以下——零點調整，如圖1，將 A電阻的電壓值調整到最大——將氮氣（N2）輸入腔體，將腔體壓力調為1.0×101Pa，調節B電阻的電壓值——將腔體壓力調為1.0×103Pa，調節C電阻的電壓值——將腔體壓力調為1.0×104Pa，調節D電阻的電壓值——將腔體壓力調為1.0×105Pa，調節E電阻的電壓值——通過排氣系統排氣，使校正設備的腔體真空度達到5.0×10-3Pa以下，再次進行零點調整，將A電阻的電壓值調整到最大，這樣，校正的工作就完成了。

為了避免調節電阻時出現失誤，我們采用的是制作專門的調節電阻用外殼，如圖1。

從這個校正的流程來看，在調節校正設備的腔體壓力時，對于待校正的皮拉尼真空計，都是通過調節各個電阻值，使得萬用表的讀數符合校正流程書規定的數值。通過多次操作，發現用來測量讀數的萬用表的2根表棒，如果跟被測點的接觸不是很可靠的話，萬用表的讀數就會出現偏差。校正設備的腔體上，一次性可以接20個皮拉尼真空計，通過幾次實驗發現，由于萬用表表棒的接觸不良，而造成的讀數偏差，可以超過20%以上。對于國產的皮拉尼真空計的真空度測量誤差來說，中國國內的標準是30%以內，我公司的標準是10%以內。如果單純的萬用表的讀數的誤差就超過20%的話，就遠遠超過公司的10%的標準了。因此改善萬用表測量時的接觸不良，就是亟需解決的問題[2]。

圖1 校正作業時，調節可變電阻的專用外殼

（2）同時，通過多次的試驗，發現我們在按校正流程進行皮拉尼真空計的校正作業時，每次對校正設備的腔體的壓力進行調整后，如果馬上進行可調電阻的電壓值調整，那么真空計的校正后的顯示值，與標準真空計的顯示值，就會存在25%左右的讀數差異。是不是由于對腔體的壓力進行調整以后，腔體內的氣體分子，需要通過一定的時間，才能達到穩定呢？我們參考了相關的文獻，了解到真空度測量的主要條件就是要在平衡態下測量，氣體分子在校準設備的腔體內分布的均勻性，直接影響到真空度測量結果的準確性。所以，在對校正設備的腔體壓力進行調整以后，馬上進行可調電阻的電壓值調整時，是在腔體內的氣體分子沒有達到平衡狀態時進行的，這樣操作，是會對最終的讀數產生差異的。

1.1.2 讀數差異的解決方案

（1）根據上述分析的原因，解決現有的萬用表表棒的接觸不良的問題，是減少皮拉尼真空計讀數差異的最主要方法。目前的測量是用萬用表的表棒，每次去接觸可調電阻的兩端，如果有一種夾具，直接牢固地固定在可調電阻的2端，那么，就可以解決這個問題了。但是，在整個皮拉尼真空計的校正過程中，需要對5個可調電阻進行調整電壓的作業，一臺校正設備上，一次性可以校正20臺皮拉尼真空計，如果每個可調電阻都用固定夾具進行固定的話，那么，整個校正設備上會多出幾百條線，在校正作業時，操作人員會很容易搞錯那臺真空計接那條線路的。通過對真空計的電子線路構造進行進一步的分析，我們發現，在校正作業是，需要調整電壓值的5個可變電阻，都有一個共同的COM接地口。與真空計線路板的設計人員進行溝通，了解到可以通過真空計的輸入輸出端口，取得上述5個可變電阻的電壓值。因此，決定放棄用萬用表的表棒來測量各個可變電阻的電壓值，而用真空計的輸入輸出端口來取得電壓值。輸入輸出端口的連接，比萬用表的表棒接觸要牢靠得多，可以最大限度地減少接觸不良而造成的誤差。

表1 被測真空計與標準計的讀數誤差

圖2 標準計與被測真空計的測量誤差折線圖

（2）腔體內的氣體分子沒有達到平衡狀態就進行校正的問題，我們進行了多次的測試，都是在對腔體內充入氮氣以后，關閉閥門，分別按穩定30秒、60秒、90秒、120秒、150秒，再進行可變電阻的電壓值調整。最后將各校正好的真空計數據與標準真空計的讀數進行比對，對比結果如表1所示，發現穩定30秒后的數據讀數有相對較大的偏差，而穩定60秒以后的皮拉尼真空計的讀數與標準真空計的讀數誤差，就能控制到10%以內。通過多次的測試試驗，我們也找到了適合公司這臺校正設備的氮氣充入后，腔體內氣體的穩定時間。

1.1.3 讀數差異的解決結果

根據上述的解決方案，我們將皮拉尼真空計的校正流程進行了調整，調整前后的對比如表2。

1.2 提高校正數據的實時性、真實性和可靠性的問題

1.2.1 提高校正數據的實時性、真實性和可靠性的分析

（1）提高校正數據的實時性、真實性和可靠性，也是提高皮拉尼真空計質量的品質的一個方面。目前的校正設備，配備了2套真空計作為標準真空計。從大氣105Pa-10-1Pa，使用的是薄膜真空計，10-1Pa-10-5Pa，使用的是電離真空計。由于真空計的構造，薄膜真空計跟所測的氣體種類無關來說，而電離真空計跟所測的氣體種類有關。如果要提高標準真空計的測量精度的話，最好是選用的標準真空計要與所測的氣體種類無關。這樣的話，也需要將電離真空計更換成薄膜真空計。

（2）目前，被校正的皮拉尼真空計的測試數據，都是每次一個數據，由校正作業人員手工記入的電腦里。在實際的記錄過程中，有數據記錄錯誤的情況，這種數據記錄錯誤，也會對產品的數據記錄，造成影響。因此，避免人為的錯誤，還是使用能夠根據測量的結果，自動進行記錄的系統比較好。

1.2.2 提高校正數據的實時性、真實性和可靠性的解決方案

（1）從提高標準真空計的測量精度來考慮，還是選用標準真空計要與所測的氣體種類無關的。這樣的話，就需要將電離真空計更換成薄膜真空計。從大氣105Pa-10-1Pa，使用的是薄膜真空計，10-1Pa-10-5Pa，也選用了薄膜真空計。

（2）為了能夠即時記錄測量的數據，減少人工操作出現的誤輸入，從市場上找到一款設備，在每次調整可變電阻的電壓值時，相應的電壓值就可以通過設備自動記錄，并保存到電腦里面。我們找到的這款設備是安捷倫的Keysight34970A數據采集器20-60通道記錄儀。設備如下圖。我們的校正設備是一次性可以校正20臺皮拉尼真空計，該設備至少有20個通道，完全符合我們的要求。同時，這個數據采集器也是通過真空計的輸入輸出端口進行數據讀取的[3]。

這樣一臺皮拉尼真空計按校正流程做完校正以后，這臺真空計在腔體壓力變化的各個階段的電壓值讀數，也就出來了，然后輸入電腦，通過在EXCEL表格內設置公式，可以講理論的電壓值讀數與測得的讀數進行對比，那么這臺真空計的讀數誤差是否在范圍之內，馬上可以通過電腦的EXCEL表格來看到。

1.2.3 提高校正數據的實時性、真實性和可靠性的解決結果

通過將標準真空計中的電離真空計改為薄膜真空計，使被測真空計的讀數不收測量氣體的影響；同時導入自動記錄測量數據的系統，減少了人為失誤，提高了校正數據的實時性、真實性和可靠性，也進一步保證了皮拉尼真空計的出廠品質。

表2 校正流程調整前后對比表

圖3 安捷倫的Keysight34970A數據采集器20-60通道記錄儀

2 結語

本次對皮拉尼真空計的校正工藝的改進，主要是解決了以下的問題：

對于測量儀器與被測點的接觸不良，通過將測量儀器與COM接地點用夾具固定牢靠，并且將可變電阻另一端的測量點也用夾具固定的方式，減少了接觸不良而造成的讀數誤差。

每次調整校正設備的腔體壓力以后，立即進行校正和過一段時間進行校正，會出現較大誤差。通過試驗，發行在調整腔體壓力以后，穩定1分鐘的話，就可以避免較大的讀數誤差的出現。由此修改了校正的操作流程。

通過將作為標準真空計的電離真空計改為薄膜真空計，同時導入了數據自動記入系統，提高校正數據的實時性、真實性和可靠性。

通過這次校正工藝的改進工作，讓本人認識到，任何作業都存在可以改進的地方，一方面自己一定要有目標，另一方面也要有科學嚴謹的工作態度，這樣就一定能夠把工作做好。