扩散泵抽速自动测试系统的开发与研究

摘要

扩散真空泵抽速的测试原理、装置和操作方法在国家标准中GB/T19955有详细、严格的说明。标准中叙述的测试流程，是基于测试人员手动操作基础之上，以至于国内现在还没有可以实现对扩散泵性能进行自动测试的系统。
　　本文开发了一套实验室使用的扩散真空泵抽速自动测试系统，可以自动测试扩散泵的极限压力和抽速曲线。区别于手动操作的关键技术是:成功实现利用自主开发的高精度光纤液位传感器获得滴管内的液位高度，代替肉眼读数;尝试使用步进电机驱动针阀实现气体流量和测试罩内压力的自动调节，取代人工调节。
　　该系统在关键机械结构和测试原理上依照国家标准的规定，使得测试结果具有很好的公信度。控制系统硬件由上位机PC和下位PLC组成双级控制系统，实现对测试过程的自动监控，应用故障树方法对整套系统进行了可靠性分析，给出改进意见。提出了扩散泵性能自动测试的控制流程，使用Visual Basic语言在Windows环境下开发了可视化的上位机监控软件;实现了测试流程的手动和自动控制、数据的自动计算、测试结果的报表显示和打印;应用Access数据库对测试人员、产品信息和测试数据进行有效地管理。
　　在本课题中，使用现有的光电开关不能实现内径1.5mm和3mm滴管内“透明细液注”液位的准确定位。本文创新性地研制了一种基于光折射原理的光纤液位传感器，文章介绍了该传感器的工作原理和组成;建立了入射光线倾斜透射圆形玻璃管内介质的光路数学模型;通过实例仿真研究，分析了传感器的最佳使用条件，并通过实验验证了设计的可行性。
　　本文将不确定度分析理论应用到扩散泵抽速测试结果分析中。基于扩散泵抽速的测试原理和测试系统组成，量化了系统各组成部分和测试环节对测试结果不确定度的贡献;以微分法为基础，分析并建立了扩散泵抽速不确定度数学模型;最后通过实例，比较了采用手动操作和自动操作的测试结果精度，证明了该扩散泵性能自动测试系统建立的合理性和实用性。该系统的不确定度分析方法与计算结果也为其他类型真空泵性能测试系统的精度分析提供了理论依据。
　　该套自动测试系统已经在东北大学第七届《真空技术》培训班中给来自全国各地的真空企业学员做了演示实验，收到很好的效果。另外，鉴于课题中突出的创新性特点，成功申请国家发明专利两项:蒸汽流真窄泵性能自动测量系统及测量方法(申请号:200910012545.3)和一种使用光纤式光电液位开关测量液位的方法及其装置(申请号:200910011361.5)。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究目的及意义

1．2 国内外扩散泵及其性能检测技术发展情况

1．3 自动测试系统发展及现状

1．4 一般自动测试系统的组成

1．5 本课题主要工作

第2章 扩散泵抽速自动测试原理研究

2．1 基本概念

2．2 定压法测扩散泵抽速原理

2．3 扩散泵抽速的历史演变

2．3．1 JB922-75规定的抽气速率计算公式

2．3．2 GB6307．1-86规定的抽气速率计算公式

2．4 扩散泵抽速自动测试原理

2．4．1 扩散泵抽速自动测试原理叙述

2．4．2 基于自动测试的抽速公式推导

2．5 本章小结

第3章 测试系统机械结构研究

3．1 机械部分总体结构

3．2 测试罩设计

3．3 滴管设计

3．4 系统功能拓展

3．5 本章小结

第4章 控制系统硬件设计及可靠性分析

4．1 控制系统组成原理

4．2 控制系统硬件组成

4．2．1 西门子S7-200概述

4．2．2 S7-200 PLC选型与配置

4．2．3 微调阀控制电路

4．2．3 滴管液位自动采集实现

4．2．3 布局布线

4．3 系统抗干扰分析

4．4 基于故障树的控制系统可靠性分析

4．4．1 故障树的构建

4．4．2 故障树的定性分析

4．5 本章小结

第5章 上位机控制软件开发

5．1 软件系统需求分析

5．2 上位机软件系统总体设计

5．2．1 软件平台的选择

5．2．2 软件总体结构

5．3 上位机软件程序设计

5．3．1 系统操作界面

5．3．2 抽速测试界面

5．3．3 测试结果分析界面

5．3．4 数据库管理界面

5．4 本章小结

第6章 基于光折射原理的光纤液位传感器

6．1 结构组成与工作原理

6．2 光路系统数学模型的建立

6．2．1 假设

6．2．2 光路数学模型

6．2．3 模型约束条件

6．3 Matlab实例仿真研究

6．3．1 灵敏度和入射角之间的关系

6．3．2 灵敏度和指示计内径及液体折射率的关系

6．4 实验与结论

6．5 本章小结

第7章 PC与PLC自由口模式通讯实现

7．1 S7-200与PC的通讯方式

7．2 上位PC机与S7-200 PLC在自由通讯口模式下的通信

7．3 下位机PLC通讯程序设计与实现

7．3．1 下位机PLC通讯设置基本说明

7．3．2 下位机PLC通讯主要程序模块介绍

7．3．3 PLC自由端口通讯协议在实际项目中实现需注意的问题

7．4 上位机PC通讯程序设计与实现

7．4．1 上位机通讯实现基础知识

7．4．2 上位机Visual Basic 6．0通讯程序设计

7．5 本章小结

第8章 扩散泵抽速测试不确定度分析

8．1 不确定度分析原理

8．1．1 数学模型的建立

8．1．2 不确定度的A类和B类评定及合成

8．2．3 合成标准不确定度

8．2．4 扩展不确定度的评定

8．2 扩散泵抽速测试不确定度分析

8．2．1 不确定度数学模型的建立

8．2．2 单因素不确定度分析

8．2．3 具体测压点不确定度计算

8．2．4 抽速自动测试不确定度分析

8．3 本章小结

第9章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文及专利