CN109519407A - 一种宽量程高精度分子泵压缩比测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽量程高精度分子泵压缩比测试装置及方法，该装置包括：前级泵、分子泵、测试罩、第一～第五真空规、第一～第四阀门、流量计和气源，其中前级泵与第四阀门连接，第四阀门分别于前级泵、第三阀门、第四和第五真空规及分子泵连接；第四和第五真空规连接在分子泵和第四阀门之间的管路处；分子泵的出气口与第四阀门连接，抽气口与测试罩连接，测试罩的测试口与分子泵抽气口连接。利用本发明的测试装置，解决了传统测量范围较小的问题，延伸了压力测量范围并且提高了测量精度。

Description

一种宽量程高精度分子泵压缩比测试装置及方法

技术领域

本发明一般地涉及真空计量领域。更具体地，本发明涉及分子泵压缩比测试装置及方法。

背景技术

分子泵作为获得洁净超高真空的主要工具，在工业生产和科学研究中得到广泛的应用，我国每年对各类分子泵的使用量在数万台左右，尤其是航空航天、高能物理、半导体、微电子、通信、节能环保、医疗卫生、环境健康、核物理等众多领域广泛应用分子泵高端产品。当前韩国和日本已经建立了完善的分子泵质量控制机制，对所有分子泵进行全方位性能参数测试，测试结果达标才能进入市场，对于保障产品质量和可靠性起到了关键作用。美国、德国等国家也已经开展部分分子泵测试工作。中国近些年深入开展了分子泵性能测试技术研究，当前能够测试的参数包括最低工作压力(极限真空度)、抽速、压缩比、振动、噪声、能耗等分子泵主要性能参数，其中压缩比的测量范围为105～109。

下面的这些文章：{①“The appropriate test domes for pumping speedmeasurement[J].Vacuum，1980，30(10)：377-382.”②关于涡轮分子泵性能测试方法的几点意见[J].真空，1980.04.002:14-19.③关于涡轮分子泵性能测试方法的几点意见[J].真空，1980.04.002:14-19}均提出分子泵的测试方法和设备，但由于采用的是传统的阀门进气法，造成：1、阀门可控范围较小，不能实现10～10¹²宽量程范围的测量；2、阀门控制进气波动较大，测试误差变大；3、采用的真空计没有实施校准功能，其测量结果的不确定度一般在20％以上。

发明内容

至少为延伸分子泵压缩比测试范围并提高测试精度，本发明提出一种宽量程、高精度分子泵压缩比测试的装置及方法。

在一个方面中，本发明提供了一种用于分子泵压缩比的测试装置，包括：前级泵、分子泵、测试罩、第一～第五真空规、第一～第四阀门、流量计和气源，其中

前级泵通过管道与第四阀门连接，所述第四阀门分别与所述前级泵、第三阀门、第四和第五真空规及分子泵连接；

所述第四和第五真空规通过管路连接在所述分子泵和第四阀门之间的管路处；

所述分子泵的出气口与所述第四阀门连接，抽气口与所述测试罩连接，所述测试罩的测试口与所述分子泵抽气口连接；

在所述测试罩同一水平截面有若干接口，分别与第一、第二、第三真空规、进气管道连接，所述第一、第二和第三真空规分别与所述测试罩连接，第一阀门一端与所述测试罩连接，另一端通过管道与所述流量计连接，该流量计一端通过管道与所述第一阀门连接，另一端通过管道与第二阀门连接，该第二阀门一端通过管道与所述流量计连接，另一端通过管道与所述气源连接，第三阀门一端通过管道与所述流量计连接，另一端连接在所述分子泵和第四阀门之间的管路处，所述气源通过管道与第二阀门连接。

在一个实施例中，其中第一真空规为10托电容薄膜规，用于测量所述测试罩内的压力，第二和第三真空规分别为磁悬浮转子真空规和BA规，用于测量所述测试罩内的压力，以便将真空度的测量范围延伸至(10^-1～10^-9)帕，其中所述第四和第五真空规分别为100托和1托的电容薄膜规，用于测量所述分子泵出口压力，以便将所述压缩比的测量范围延伸至10～10¹²量级。

在一个实施例中，其中采用磁悬浮转子真空规对BA规进行实时校准。

在一个实施例中，其中所述流量计配置用于提供稳定流量以便实现对BA规进行实时校准。

在另一个方面中，本发明提供了一种利用上述的测试装置对分子泵压缩比进行测试的方法，包括以下步骤：

S1、将待测分子泵连接到所述测试装置，并打开所述装置；

S2、打开所述第一真空规并打开分子泵冷却水；

S3、启动前级泵，打开第四和第五真空规，待第一真空规指示值小于100帕后，启动分子泵对测试分子泵进行抽气，当第一真空规的指示值小于1帕之后，打开第二和第三真空规并且保持稳定一小时以上；

S4、维持对测试罩抽气，使真空度达到预想状态，对第二真空规设置本底；

S5、打开第二阀门，使用气源向流量计供气；

S6、打开第一阀门，待压力稳定后，使用流量计向所述测试罩中提供稳定气体流量，待所述测试罩压力稳定后，读取第二和第三真空规显示的真空度P₂和P₃，则第三真空规的修正系数C＝P₂/P₃；

S7、逐步增大标准气体流量，改变所述测试罩内的真空度，使所述真空度在每个量级分别稳定在3、6、9附近，测试多组值，取其平均值作为第三真空规的修正系数；

S8、关闭流量系统，维持对测试罩抽气，使真空度达到预想状态，使用所述流量计经第四阀门向所述分子泵出气口引入较小的气体流量，观察并记录第一、第三、第四和第五真空规的指示值，取相对应的两组值计算压缩比

其中P₁₀为所述测试罩中的极限真空度，P₁为通气后测试罩中的压力，P₂₀为通气前所述分子泵出气口压力，P₂为通气后所述分子泵出气口压力；以及

S9、逐渐增大进气流量，测量多组值，绘制压缩比曲线。

在一个实施例，其中测试过程中的温度波动不超过±3℃。

在一个实施例中，其中第二真空规是磁悬浮转子真空规，并且第三真空规是BA规，所述磁悬浮转子真空规用于对BA规进行实时校准。

在一个实施例中，其中测量结果的S标准合成不确定度小于10％。

在一个实施例中，在步骤S6中，使测试罩内压力稳定在10^-1～10^-4帕内某点，

从上面本发明的技术方案，本领域技术人员可以理解该测试装置主要由流量计和测试系统组成，采用高精度和宽量程的流量计来提供稳定流量，流量提供的合成不确定度在1％～1.5％，降低了气体流量对测量结果的影响，解决了传统方法中测试误差偏大的问题。同时，本发明的方案延伸了测量的范围，使压缩比的测量范围达到10～10¹²，解决了传统方法中测量范围较小的问题；采用磁悬浮转子真空规和BA规同时测量测试罩内的真空度，既延伸了压力的测量范围，又可以通过磁悬浮转子真空规对BA规进行实时校准，从而提高了测量的精度。在一些实施例中，本发明的测试装置的真空度测量范围可以达到：(10^-1～10^-7)帕，测量不确定度小于10％。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的分子泵压缩比测试装置的示意连接图；

图2是示出根据本发明实施例的利用图1所示的测试装置进行测试的方法流程图；以及

图3是示出根据本发明实施例获得的压缩比曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出一种宽量程、高精度分子泵压缩比测试装置100。如图1中所示，该测试装置可以包括：前级泵RP、分子泵TMP、测试罩VC1、真空规(G1、G2、G3、G5、G6)、4个阀门(V1、V2、V3、V4)、流量计FM、气源(GAS)、真空管道等。在一个实施例中，此处的阀门可以是电磁阀门。

在该测试装置100中，前级泵RP通过管道与阀门V4连接，阀门V4分别与前级泵RP、阀门V3、真空规G5、G6及分子泵TMP连接，真空规G5、G6通过管路连接在分子泵TMP和阀门V4之间的管路处，分子泵TMP的出气口与阀门V4连接，抽气口与测试罩VC1连接，测试罩VC1的测试口与分子泵TMP抽气口连接。在测试罩同一水平截面有若干接口，分别与真空规G1、G2、G3、进气管道连接，真空规G1、G2、G3分别与测试罩连接，阀门V1一端与测试罩连接，另一端通过管道与流量计FM连接，流量计FM一端通过管道与阀门V1连接，另一端通过管道与阀门V2连接，阀门V2一端通过管道与流量计FM连接，另一端通过管道与气源连接，阀门V3一端通过管道与流量计FM连接，另一端连接在分子泵TMP和阀门V4之间的管路处，气源通过管道与阀门V2连接。

在一个实施例中，在测试装置中，真空规G1为10托(“Torr”)电容薄膜规，用于精确测量测试罩内较高的压力。在一个实施例中，真空规G2、G3可以分别是磁悬浮转子真空规和BA规，用于精确测量测试罩内的压力，从而将真空度的精确测量范围延伸至(10^-1～10^-9)帕。在一个实施例中，真空规G4、G5分别为100托和1托的电容薄膜规，用于精确测量分子泵出口的压力。该实施例可以将压缩比的精确测量范围延伸至10～10¹²量级。

在一个实施例中，图1的测试装置为提高测量精度，可以采用磁悬浮转子真空规对BA规进行实时地校准。在真空度(10^-1～10^-4)帕范围内，采用磁悬浮转子真空规测量真空度，同时使用磁悬浮转子真空规作为参考标准实时地校准BA规，从而利用BA规的线性特点得到全量程的平均修正系数，减小在(10^-4～10^-9)帕时采用BA规测量真空度时BA规灵敏度引入的误差。

在一个实施例中，所述的测试装置为提高测量精度以及延伸测量下限，采用高精度宽量程流量计提供稳定流量。在现有技术中，测量压缩比都采用阀门调节直接向分子泵出口供气，使用阀门供气过程中压力波动较大导致测量误差增大，且压力调节范围较小。为解决该问题，本发明采用稳定可调的流量计代替进气阀。同时，实时校准BA规时也通过此流量计调节真空度。

下面描述利用本发明结合图1所述的测试装置对分子泵抽速进行测试的方法200，该方法具体包括以下步骤：

S1：按照图1将待测的分子泵连接在装置上，然后将装置的电源接通；

S2：打开真空计G1；打开分子泵冷却水等；

S3：启动前级泵RP，打开真空规G5、G6，待真空规G1指示值小于100帕后启动分子泵TMP对测试系统抽气。大约抽气十分钟后，在真空规G1的指示值小于1帕之后，打开真空规G2、G3；真空规G2、G3需要稳定一小时以上；

S4：维持真空泵组对测试罩抽气，使真空度达到预想状态，对磁悬浮装置真空规设置本底；

S5：打开阀门V2，使用气源向质量流量计供气。

S6：打开阀门V1，待压力稳定后，使用质量流量计向测试罩中提供一个的稳定气体流量，使测试罩内压力稳定在10^-1～10^-4帕内某点，待测试罩压力稳定后，读取G2和G3显示的真空度P₂和P₃，则BA规的修正系数C＝P₂/P₃。

S7：逐步增大标准气体流量，改变测试罩内的真空度，使真空度在每个量级分别稳定在3、6、9附近，测试多组值，取其平均值作为BA规的修正系数。

S8：关闭流量系统，维持真空泵组对测试罩抽气，使真空度达到预想状态，使用流量计FM经阀门V4向分子泵出气口引入较小的气体流量，观察并记录G1、G3、G5、G6的指示值，取相对应的两组值计算压缩比如下：

其中P₁₀为测试罩中的极限真空度，P₁为通气后测试罩中的压力。P₂₀为通气前分子泵出气口压力，P₂为通气后分子泵出气口压力。

S9：逐渐增大进气流量，测量多组值，并绘制压缩比曲线。

下面给出一个利用图1的装置进行测量的实例步骤：

S21：按照图1将待测分子泵连接在装置上，并将装置的电源接通；

S22：打开真空规G1；打开分子泵冷却水等；

S23：启动前级泵RP，打开真空规G5、G6，五分钟后真空规G1指示值为50帕，启动分子泵TMP对测试系统抽气，抽气十分钟后，在真空规G1的指示值为0.1帕，打开真空规G2、G3；真空规G2、G3需要稳定一小时；

S24：维持真空泵组对测试罩进行抽气，三小时后真空规G3的指示值为7.6×10^-6帕，对磁悬浮装置真空规设置本底；

S25：打开阀门V2，使用气源向质量流量计供气。

S26：打开阀门V1，待压力稳定后，真空规G2的指示值为3.22×10^-4帕，真空规G3的读数为3.00×10^-4帕。

S27：逐步增大标准气体流量，改变测试罩内的真空度，使真空度在每个量级分别稳定在3、6、9附近，测试多组值，取其平均值作为BA规的修正系数。测试数据如下：

S28：关闭流量系统，维持真空泵组对测试罩抽气，使真空度达到预想状态，使用流量计FM经阀门V4向分子泵出气口引入较小的气体流量，观察并记录真空规G1、G3、G5、G6的指示值，取相对应的两组值计算压缩比如下：

其中P₁₀为测试罩中的极限真空度，P₁为通气后测试罩中的压力，P₂₀为通气前分子泵出气口压力，P₂为通气后分子泵出气口压力。

S29：逐渐增大进气流量，测多组值，绘制压缩比曲线。

压缩比测试数据据如下，而压缩比曲线如图3中所示。

虽然本发明所实施的方式如上，但所述内容只是为便于理解本发明而采用的实施例，并非用以限定本发明的范围和应用场景。任何本发明所述技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种用于分子泵压缩比的测试装置，包括：前级泵、分子泵、测试罩、第一～第五真空规、第一～第四阀门、流量计和气源，其中

前级泵通过管道与第四阀门连接，所述第四阀门分别与所述前级泵、第三阀门、第四和第五真空规及分子泵连接；

所述第四和第五真空规通过管路连接在所述分子泵和第四阀门之间的管路处；

所述分子泵的出气口与所述第四阀门连接，抽气口与所述测试罩连接，所述测试罩的测试口与所述分子泵抽气口连接；

在所述测试罩同一水平截面有若干接口，分别与第一、第二、第三真空规、进气管道连接，所述第一、第二和第三真空规分别与所述测试罩连接，第一阀门一端与所述测试罩连接，另一端通过管道与所述流量计连接，该流量计一端通过管道与所述第一阀门连接，另一端通过管道与第二阀门连接，该第二阀门一端通过管道与所述流量计连接，另一端通过管道与所述气源连接，第三阀门一端通过管道与所述流量计连接，另一端连接在所述分子泵和第四阀门之间的管路处，所述气源通过管道与第二阀门连接。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其中第一真空规为10托电容薄膜规，用于测量所述测试罩内的压力，第二和第三真空规分别为磁悬浮转子真空规和BA规，用于测量所述测试罩内的压力，以便将真空度的测量范围延伸至(10^-1～10^-9)帕。

3.根据权利要求2所述的测试装置，其中所述第四和第五真空规分别为100托和1托的电容薄膜规，用于测量所述分子泵出口压力，以便将所述压缩比的测量范围延伸至10～10¹²量级。

4.根据权利要求2所述的测试装置，其中所述磁悬浮转子真空规对BA规进行实时校准。

5.根据权利要求2所述的测试装置，其中所述流量计配置用于提供稳定流量以便实现对BA规进行实时校准。

6.一种使用根据权利要求1-5的任意一项所述的测试装置对分子泵压缩比进行测试的方法，包括：

S1：将待测分子泵连接到所述测试装置，并打开所述装置；

S2：打开所述第一真空规并打开分子泵冷却水；

S3：启动前级泵，打开第四和第五真空规，待第一真空规指示值小于100帕后，启动分子泵对测试分子泵进行抽气，当第一真空规的指示值小于1帕之后，打开第二和第三真空规并且保持稳定一小时以上；

S4：维持对测试罩抽气，使真空度达到预想状态，对第二真空规设置本底；

S5：打开第二阀门，使用气源向流量计供气；

S6：打开第一阀门，待压力稳定后，使用流量计向所述测试罩中提供稳定气体流量，待所述测试罩压力稳定后，读取第二和第三真空规显示的真空度P₂和P₃，则第三真空规的修正系数C＝P₂/P₃；

S7：逐步增大标准气体流量，改变所述测试罩内的真空度，使所述真空度在每个量级分别稳定在3、6、9附近，测试多组值，取其平均值作为第三真空规的修正系数；

S8：关闭流量系统，维持对测试罩抽气，使真空度达到预想状态，使用所述流量计经第四阀门向所述分子泵出气口引入较小的气体流量，观察并记录第一、第三、第四和第五真空规的指示值，取相对应的两组值计算压缩比如下：

其中P₁₀为所述测试罩中的极限真空度，P₁为通气后测试罩中的压力，P₂₀为通气前所述分子泵出气口压力，P₂为通气后所述分子泵出气口压力；以及

S9：逐渐增大进气流量，测量多组值，绘制压缩比曲线。

7.根据权利要求6所述的测试方法，其中测试过程中的温度波动不超过±3℃。

8.根据权利要求6所述的测试方法，其中所述第二真空规是磁悬浮转子真空规，并且第三真空规是BA规，所述磁悬浮转子真空规用于对BA规进行实时校准。

9.根据权利要求6所述的测试方法，其中测量结果的S标准合成不确定度小于10％。

10.根据权利要求6所述的测试方法，其中在步骤S6中，使所述测试罩内压力稳定在10^-1～10^-4帕内某点。