蒸汽流真空泵性能自动测量系统及测量方法

摘要

蒸汽流真空泵性能自动测量系统及测量方法，属于真空测试技术领域。本发明能够严格按照国家和国际标准中规定的测试原理和方法，自动完成蒸汽流真空泵参数测试。本发明包括测试罩、气体流量测试单元及前级管路气体流量调节单元等；气体流量测试单元包括滴管，在滴管上部的进气口处设置有滴管电磁阀，在滴管的外侧设置有上、下液位开关；测试罩气体流量调节单元、前级管路气体流量调节单元均由步进电机、针式微调阀和高真空电磁阀组成，针式微调阀的驱动旋钮与步进电机相连，针式微调阀的出气口与高真空电磁阀相连；液位开关、滴管电磁阀等与计算机控制单元相连。测量方法包括蒸汽流真空泵极限压力的测量、体积流率的测量和临界前级压力的测量。

说明书

技术领域：

本发明属于真空测试技术领域，特别涉及一种蒸汽流真空泵性能自动测量系统及测量方法。

背景技术：

蒸汽流真空泵，包括油扩散泵、油喷射泵和油增压泵，是一类应用广泛的真空抽气设备。其被大量应用于机械、电子、冶金、核能、空间模拟等工业领域和科学技术研究中，在现代科技发展和国民经济建设中起到重要作用。蒸汽流真空泵的极限压力、抽气速率和临界前级压力三项性能指标，能够全面、具体地反映这种泵的抽气性能；因此，专门制定有相关的国家和国际标准(蒸汽流真空泵性能测量方法第1部分：体积流率(抽速)的测量GB/T 19955.1-2005/ISO 1608-1：1993和蒸汽流真空泵性能测量方法第2部分：临界前级压力的测量GB/T 19955.2-2005/ISO 1608-2：1989)，规定了蒸汽流真空泵的性能测量方法。

另一方面，受工作原理和结构形式的制约，每一台蒸汽流真空泵的实际抽气性能参数通常与其标称的额定性能指标偏差很大，性能的稳定性和一致性较差。表现为：同种型号但由不同厂家生产的不同制造批次乃至同批次中的各台蒸汽流真空泵，其实际性能参数都可能有很大差异。因此，有必要对每一台或每一批次的蒸汽流真空泵产品进行出厂前的实际测试，给出其实际性能参数(特别是抽速曲线)，这将对用户正确、合理地使用该产品十分有益。

但是，相对于蒸汽流真空泵的生产企业数量和生产产品总量来说，国内蒸汽流真空泵在产品性能检测方面还相对落后。除少数几个国家计量认证机构指定的真空设备质量检验单位能够正常开展蒸汽流真空泵的产品性能检测之外，目前很多企业尚没有自己的蒸汽流真空泵性能测量系统，对蒸汽流真空泵产品在出厂前的性能参数缺乏实际检测。其主要原因是：国内现有的相关检测系统都采用全手动操作方式，对操作人员有较高的专业知识和实验技能要求，需要经过专门培训才能完成蒸汽流真空泵的产品性能检测工作；而且，测量数据精度受许多人为因素的影响，这些都为生产厂家自己独立开展蒸汽流真空泵性能测量增加了难度。

发明内容：

针对这一现状，本发明提供一种能够严格按照国家和国际标准(蒸汽流真空泵性能测量方法第1部分：体积流率(抽速)的测量GB/T 19955.1-2005/ISO 1608-1：1993和蒸汽流真空泵性能测量方法第2部分：临界前级压力的测量GB/T 19955.2-2005/ISO1608-2：1989)中规定的测试原理和方法，自动完成蒸汽流真空泵极限压力、体积流率(抽速)和临界前级压力三项性能参数的测试的蒸汽流真空泵性能自动测量系统及测量方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种蒸汽流真空泵性能自动测量系统，包括测试罩、被测蒸汽流真空泵、前级管路、前级机械泵、气体流量测试单元、测试罩气体流量调节单元和前级管路气体流量调节单元；所述的气体流量测试单元通过真空接管与测试罩气体流量调节单元相连，测试罩气体流量调节单元与测试罩的进气嘴相连，被测蒸汽流真空泵与前级管路、前级机械泵依次相连，前级管路气体流量调节单元直接与前级管路相连；所述的气体流量测试单元包括油槽与测量油及滴管，在滴管上部的进气口处设置有滴管电磁阀，在滴管的外侧设置有液位开关；所述的液位开关包括上液位开关和下液位开关，上液位开关和下液位开关分别固定在滴管外侧的设定高度处；所述的测试罩气体流量调节单元和前级管路气体流量调节单元均由步进电机、针式微调阀和高真空电磁阀组成，针式微调阀的驱动旋钮与步进电机相连，针式微调阀的出气口与高真空电磁阀相连；所述的液位开关、滴管电磁阀、步进电机和高真空电磁阀均与计算机控制单元相连，直接与计算机控制单元通讯并为其控制。

所述的蒸汽流真空泵性能自动测量系统的测量方法，该方法包括蒸汽流真空泵极限压力的测量、体积流率的测量和临界前级压力的测量。

所述的极限压力的测量的具体过程如下：

自被测蒸汽流真空泵加热开始，在连续工作规定的时间后，开始读取测试罩真空规管的压力值；上位PC机每隔一定的时间间隔自动记录一次压力数据，并存入计算机控制单元内；连续记录一小时，取各次记录的平均值作为被测蒸汽流真空泵的最后极限压力。

所述的体积流率的测量的具体过程如下：

在被测蒸汽流真空泵的工作状态满足相关国家标准的规定要求情况下，由计算机控制单元向测试罩气体流量调节单元的高真空电磁阀发送开启指令；对应设定的入口压力，计算机控制单元通过测试罩气体流量调节单元的步进电机调节其针式微调阀的开度，使测试罩内的实际平衡压力与该入口压力的设定压力之间的接近程度达到许可值，完成本次气体流量和平衡压力的调节作业；然后，由计算机控制单元向滴管电磁阀发送关闭指令，滴管内油柱液位开始上升，当液位上升至下液位开关所在高度^处时，下液位开关向计算机控制单元输出一个信号，计算机控制单元开始记时；当液位上升至上液位开关所在高度h₂处时，上液位开关向计算机控制单元输出一个信号，计算机控制单元结束记时，并记录油柱液位从下液位开关上升至上液位开关所需要的时间间隔t；计算机控制单元根据下式计算出对应该入口压力的体积流率S：

$S=\frac{Q}{p}=\frac{\mathrm{Kh}}{\mathrm{pt}}.$

式中，S-被测蒸汽流真空泵抽气速率，Q-流过泵口的气体流量；p-测试罩内规定位置的平衡压力；h-上、下液位开关之间的高度，h＝h₂-h₁，h₁-下液位开关距离起始油面的高度，h₂-上液位开关距离起始油面的高度，t-滴管内油柱液位上升h段所需时间，K-滴管函数；

计算机控制单元将该入口压力的体积流率自动存储在上位PC机中，由计算机控制单元发送指令，使滴管电磁阀重新处于开启状态，滴管内油柱回落到起始油面，完成该入口压力的体积流率测量，关闭测试罩气体流量调节单元的高真空电磁阀；然后，调节到下一入口压力，重复上述过程，直至完成所有入口压力的体积流率测量。

所述的临界前级压力的测量包括空载临界前级压力的测量和满载临界前级压力的测量，其具体过程如下：

空载临界前级压力的测量：在被测蒸汽流真空泵的工作状态满足相关国家标准的规定要求情况下，由计算机控制单元发送指令，开启前级管路气体流量调节单元的高真空电磁阀，通过前级管路气体流量调节单元的步进电机驱动其针式微调阀，缓慢升高前级管路中的气体压力；直到测试罩内的气体压力上升10％或突然急剧上升的瞬间，此时对应的前级管路真空规管的压力读数值，即为空载临界前级压力，测试完成后关闭前级管路气体流量调节单元的高真空电磁阀。

满载临界前级压力的测量：在被测蒸汽流真空泵的工作状态满足相关国家标准的规定要求情况下，由计算机控制单元发送指令，开启测试罩气体流量调节单元的高真空电磁阀，通过测试罩气体流量调节单元的步进电机驱动其针式微调阀，调节测试罩内的气体压力，使其稳定在被测蒸汽流真空泵的最大工作压力附近；然后由计算机控制单元发送指令，开启前级管路气体流量调节单元的高真空电磁阀，通过前级管路气体流量调节单元的步进电机驱动其针式微调阀，缓慢升高前级管路中的气体压力；直到测试罩内的气体压力上升10％或突然急剧上升的瞬间，此时对应的前级管路真空规管的压力读数值，即为满载临界前级压力，测试完成后关闭测试罩气体流量调节单元的高真空电磁阀和前级管路气体流量调节单元的高真空电磁阀。

本发明的有益效果：

本发明的测量系统的构成完全符合国家相关标准的规定，测量方法严格执行国家标准，具有权威性；系统的作业参数能够准确测量和控制，保证测试数据误差可以控制和计算，从而保证测量精度的可靠性与稳定性。本发明由计算机控制单元自动编排测试流程和处理测试数据，对测试操作人员的专业知识基础和实验技能水平的要求大大降低，有利于普通企业独立完成测量工作；而且测试过程取消了大量复杂、难度大的手动作业，不仅降低了劳动强度，也使产生测量误差的人为因素大为减少，从而大大提高了测量结果的精度。

本发明在测试罩气体流量调节过程及前级管路气体流量调节过程中，以步进电机驱动针式微调阀代替手动旋转微调阀；根据自动测量的压力读数，由计算机判断流量调节的方向和大小，代替人为观测判断。在气体流量测试过程中，以光电液位开关测定滴管中的油柱液面到达该液位开关所在高度的时刻，并向计算机发出指令，实现自动并记录油柱液面从下液位开关上升至上液位开关所需要的时间，以代替肉眼观测滴管中移动的油柱液面高度和手控秒表计时的人工作业。在滴管上部的进气口处以滴管电磁阀替代手动的滴管进气阀；在针式微调阀的出气口处加装高真空电磁阀，以保证其关闭时的气密性。

附图说明：

图1是本发明的测量系统的结构示意图；

其中，1.油槽与测量油；2.下液位开关；3.滴管；4.上液位开关；5.滴管电磁阀；6.真空接管；7.第一步进电机；8.第一针式微调阀；9.第一高真空电磁阀；10.进气嘴；11.测试罩；12.测试罩真空规管；13.被测蒸汽流真空泵；14.前级管路真空规管；15.第二高真空电磁阀；16.第二针式微调阀；17.第二步进电机；18.前级管路；19.前级机械泵；20.计算机控制单元。

其中，油槽与测量油1、下液位开关2、滴管3、上液位开关4和滴管电磁阀5构成气体流量测试单元；第一步进电机7、第一针式微调阀8和第一高真空电磁阀9构成测试罩气体流量调节单元；第二高真空电磁阀15、第二针式微调阀16和第二步进电机17构成前级管路气体流量调节单元。

具体实施方式：

如图1所示，一种蒸汽流真空泵性能自动测量系统，包括测试罩11、被测蒸汽流真空泵13、前级管路18、前级机械泵19、气体流量测试单元、测试罩气体流量调节单元和前级管路气体流量调节单元；被测蒸汽流真空泵13与前级管路18、前级机械泵19依次相连。

测试罩11的内径和被测蒸汽流真空泵13的入口直径相同，二者通过法兰连接。在测试罩11上连接有测试罩真空规管12，计算机控制单元20通过测试罩真空规管12读取测试罩11内的实际平衡压力值。

所述的气体流量测试单元包括油槽与测量油1及滴管3，在滴管3上部的进气口处设置有滴管电磁阀5，在滴管3的外侧设置有液位开关；滴管3的下部浸入油槽的测量油中；所述的液位开关包括上液位开关4和下液位开关2，上液位开关4和下液位开关2分别固定在滴管3外侧的设定高度处。

所述的测试罩气体流量调节单元由第一步进电机7、第一针式微调阀8和第一高真空电磁阀9组成，第一针式微调阀8的驱动旋钮与第一步进电机7相连，第一针式微调阀8的进气口通过真空接管6与滴管3相通，第一针式微调阀8的出气口与第一高真空电磁阀9的输入端相连，第一高真空电磁阀9的输出端与测试罩11的进气嘴10相连。

所述的前级管路气体流量调节单元由第二步进电机17、第二针式微调阀16和第二高真空电磁阀15组成；第二针式微调阀16的驱动旋钮与第二步进电机17相连，第二针式微调阀16的出气口与第二高真空电磁阀15的输入端相连，第二高真空电磁阀15的输出端直接与前级管路18相连；在前级管路18上连接有前级管路真空规管14。所述的前级管路18和前级机械泵19要根据国标的规定选取。

所述的上液位开关4、下液位开关2、滴管电磁阀5、第一步进电机7、第二步进电机17、第一高真空电磁阀9和第二高真空电磁阀15均与计算机控制单元20相连，直接与计算机控制单元20通讯并为其控制。所述的计算机控制单元20由上位PC机和下位单片机的双级控制系统构成。本实施例选用的步进电机的型号为42HS03，其驱动器型号为M415-64/M515。驱动器上的光隔电源端、脉冲信号端、方向信号端和电机使能端分别与单片机相连，并且可以通过上位PC机修改电机的步进参数，达到调节气流量的要求。

本发明的测试原理、测试方法和测试条件，在国家标准GB/T 19955.1-2005《蒸汽流真空泵性能测量方法第1部分：体积流率(抽速)的测量》和GB/T 19955.2-2005《蒸汽流真空泵性能测量方法第2部分：临界前级压力的测量》中也有具体的说明。

本发明的测量系统中的进气嘴10、测试罩11、真空规管、被测蒸汽流真空泵13、前级机械泵19和前级管路18等整体硬件构成和结构参数的确定，完全按照国家标准GB/T19955.1-2005《蒸汽流真空泵性能测量方法第1部分：体积流率(抽速)的测量》和GB/T 19955.2-2005《蒸汽流真空泵性能测量方法第2部分：临界前级压力的测量》中的规定执行。

本发明的测量系统中的气体流量测试单元采用了国家标准GB/T 19955.1-2005《蒸汽流真空泵性能测量方法第1部分：体积流率(抽速)的测量》中推荐的滴管式流量计测量和计算气体流量的原理与结构。

测试罩气体流量调节单元的功能如下：

在测量被测蒸汽流真空泵对应不同入口压力的体积流率过程中，调节充入测试罩的气体流量和测试罩的平衡压力。其中，在测量被测蒸汽流真空泵的极限压力和空载临界前级压力的过程中，第一高真空电磁阀关闭；在测量被测蒸汽流真空泵的体积流率和满载临界前级压力的过程中，第一高真空电磁阀开启。

在测量被测蒸汽流真空泵体积流率的过程中，测试罩气体流量调节单元完成测试罩气体流量和平衡压力调节作业的工作方法是：对应每一个设定的入口压力，计算机控制单元通过测试罩真空规管读取测试罩内的实际平衡压力值，并与该入口压力的设定压力值相比较；如果实际平衡压力值高于设定的压力值，计算机控制单元向第一步进电机发送调小指令，第一步进电机驱动第一针式微调阀减小阀门开度，使通过第一针式微调阀充入测试罩内的气体流量减小，从而使测试罩内的实际平衡压力值降低；反之，如果实际平衡压力值低于设定的压力值，计算机控制单元向第一步进电机发送调大指令，第一步进电机驱动第一针式微调阀加大阀门开度，使通过第一针式微调阀充入测试罩内的气体流量增大，从而使测试罩内的实际平衡压力值升高。如此反复进行，直至测试罩内的实际平衡压力值与该入口压力的设定压力值之间的接近程度达到许可值，完成本次气体流量和平衡压力的调节作业。接下来，测试工作进入该入口压力的体积流率测量步骤。在完成该入口压力的体积流率测量后，测试工作将进入下一入口压力的体积流率测量步骤；因此，测试罩气体流量调节单元将继续完成下一入口压力的测试罩气体流量和平衡压力的调节作业。

前级管路气体流量调节单元的功能如下：

在测量被测蒸汽流真空泵的空载临界前级压力和满载临界前级压力过程中，调节充入前级管路的气体流量和平衡压力。其中，第二高真空电磁阀的作用与第一高真空电磁阀在测试罩气体流量调节单元中的作用完全相同；第二高真空电磁阀在测量临界前级压力的过程中开启，其它阶段关闭。

在测量被测蒸汽流真空泵临界前级压力过程中，前级管路气体流量调节单元完成前级管路气体流量和平衡压力调节作业的工作方法是：计算机控制单元首先发送指令开启第一高真空电磁阀，并通过第一步进电机调节第一针式微调阀的气体流量和测试罩内的平衡压力；当测试罩内的平衡压力和气体流量稳定在测试点条件下时，由计算机控制单元发送指令，开启第二高真空电磁阀，向第二步进电机发送调大指令，第二步进电机缓慢驱动第二针式微调阀加大阀门开度，使通过第二针式微调阀充入前级管路的气体流量逐渐增大，从而使前级管路内的实际平衡压力升高；当计算机控制单元通过测试罩真空规管观测到，测试罩内的平衡压力出现升高并达到规定的比例程度时，计算机控制单元记录前级管路真空规管的读数，即为被测蒸汽流真空泵在该测试点下的满载临界前级压力。

计算机控制单元的作用是对整个测量系统和测量过程实现自动控制。其功能包括：采集测试罩真空规管和前级管路真空规管的压力读数；接收上液位开关、下液位开关发送的信号；监控被测蒸汽流真空泵的相关工作参数(如：加热功率)；控制被测蒸汽流真空泵和前级机械泵的运行；按照预定测试流程自动依次执行测试步骤；记录、存储测试数据并依据公式计算测试结果；生成并输出测试报告等。

所述的计算机控制单元20针对本测量系统中执行元件的控制功能如下：

(1)控制滴管电磁阀5，在每次利用滴管3开始测试气体流量时自动关闭，待该次测试结束时自动开启；

(2)控制高真空电磁阀，当所处的(测试罩或前级管路)气体流量调节单元需要有气体流过时，该高真空电磁阀开启；当所处的(测试罩或前级管路)气体流量调节单元不需要有气体流过时，该高真空电磁阀关闭；

(3)控制测试罩气体流量调节单元中的第一步进电机7，驱动第一针式微调阀8，根据测试罩11内的气体压力测量值，改变第一针式微调阀8的开度和充入测试罩11内的气体流量，进而调节测试罩11内的气体压力，使其接近所设定的气体压力值；

(4)控制前级管路气体流量调节单元中的第二步进电机17，驱动第二针式微调阀16，从而调节充入前级管路18中的气体流量和前级管路18内的气体压力，直至完成临界前级压力的测量作业。

本发明的蒸汽流真空泵性能自动测量系统的测量方法，按以下步骤进行：

准备阶段：在开始测量之前，使第一针式微调阀8和第二针式微调阀16处于旋紧(最大闭合)状态；第一高真空电磁阀9和第二高真空电磁阀15关闭；选择合适型号的滴管3，并使气体流量测试单元准备就绪；滴管电磁阀5开启；被测蒸汽流真空泵13和前级机械泵19(如果需要)通冷却水。

抽气阶段：开启前级机械泵19，对被测蒸汽流真空泵13和测试罩11进行预抽真空；当测试罩真空规管12显示的压力小于被测蒸汽流真空泵13的启动压力后，开启被测蒸汽流真空泵13，同时前级机械泵19保持继续工作。

泵的极限压力测量阶段：自被测蒸汽流真空泵13加热开始，在连续工作规定的时间后，开始读取测试罩真空规管12的压力值；上位PC机每隔一定的时间间隔自动记录一次压力数据，并存入计算机控制单元内；连续记录一小时，取各次记录的平均值作为被测蒸汽流真空泵13的最后极限压力。所述的极限压力的测量方法和过程，完全按照相关国家标准的规定执行。在测试过程中，测试罩气体流量调节单元和前级管路气体流量调节单元中的高真空电磁阀均处于关闭状态。

泵的体积流率(抽速)的测量阶段：待被测蒸汽流真空泵13达到极限压力后，可以开始体积流率(抽速)的测量。在上位PC机上设定入口压力，从最低入口压力开始依次测量，确定对各个入口压力都选定相同的液位高度差h＝h₂-h₁。由计算机控制单元20发送指令，开启第一高真空电磁阀9，通过第一步进电机7缓慢调节第一针式微调阀8，使测试罩真空规管12的压力读数达到该入口压力设定的压力值；计算机控制单元20发送指令，关闭滴管电磁阀5，滴管3内的油柱液位开始上升；当液位上升至下液位开关2所在高度h₁处时，下液位开关2向计算机控制单元20输出一个信号，计算机控制单元20开始记时；当液位上升至上液位开关4所在高度h₂处时，上液位开关4也向计算机控制单元20输出一个信号，计算机控制单元20记时结束，并记录时间间隔t；依据所测得的液位净上升高度h＝h₂-h₁和液位上升所需的时间间隔t，计算机控制单元20可以通过相关公式自动计算出对应该入口压力的体积流率(抽速)，并将该测试结果自动存储在上位PC机中；由计算机控制单元20发送指令，使滴管电磁阀5重新处于开启状态，滴管3内油柱回落到起始油面，完成该入口压力的体积流率(抽速)测量，关闭第一高真空电磁阀9。然后，调节到下一入口压力，重复上述过程，直至完成所有入口压力的体积流率(抽速)测量。

泵的临界前级压力测量阶段：待测试罩11内达到或接近极限压力后，方可进行空载和满载临界前级压力的测量。空载临界前级压力的测量方法是：开启第二高真空电磁阀15，通过第二步进电机17驱动第二针式微调阀16，缓慢升高前级管路18中的气体压力；直到测试罩11内的气体压力上升10％或突然急剧上升的瞬间，此时对应的前级管路真空规管14的压力读数值，即为空载临界前级压力，测试完成后关闭第二高真空电磁阀15。满载临界前级压力的测量方法是：首先由计算机控制单元20发送指令，开启第一高真空电磁阀9，通过第一步进电机7驱动第一针式微调阀8，调节测试罩11内的气体压力，使其稳定在被测蒸汽流真空泵13的最大工作压力附近；然后由计算机控制单元20发送指令，开启第二高真空电磁阀15，通过第二步进电机17驱动第二针式微调阀16，缓慢升高前级管路18中的气体压力；直到测试罩11内的气体压力上升10％或突然急剧上升的瞬间，此时对应的前级管路真空规管14的压力读数值，即为满载临界前级压力；测试完成后关闭第一高真空电磁阀9和第二高真空电磁阀15。

停车阶段：结束测试作业后，使被测蒸汽流真空泵13断电；气体流量测试单元、测试罩气体流量调节单元和前级管路气体流量调节单元恢复初始状态；保持冷却水和前级机械泵19继续运行；至被测蒸汽流真空泵13温度达到安全范围后，停冷却水和前级机械泵19；整机断电关机。

在整个测量过程中，蒸汽流真空泵极限压力的测量与体积流率的测量、临界前级压力的测量的操作顺序可以互换。