一、熱真空模擬試驗概述

　　熱真空試驗就是將產品置于熱真空試驗設備中，由試驗設備提供模擬的空間環境(真空與溫度組成)，即是使產品在真空條件下，通過熱浸、冷浸形成溫度循環，以此考核產品的空間環境適應性。

二、熱真空環境的模擬

　　以HVT1200型熱真空試驗設備為例，其實現真空環境的功能框圖如圖1所示，其工作原理為：由前級旋片泵將罐體內的氣體氣壓抽至5Pa， 且抽出的氣體直接由輸送管道送出罐體外， 與此同時開啟低溫泵，使其兩吸氣室(蓄冷器) 溫度分別降至T1=77K、T2=15K時，再打開通往5Pa的罐體的高真空閥門，最后再由低溫泵完成罐體內空間高真空(≤1×10^-3 Pa)的任務。溫度變化的實現是靠二級制冷壓縮機、電加熱絲分別對液態媒介進行升、降溫，再通過紫銅管將冷、熱能量傳導給熱沉和試品安裝板，那么熱沉的冷、熱能量通過輻射方式(熱沉的內外表面涂有發射率>0.90，吸收系數≥0.92的航空黑漆)傳遞給試品，安裝板的冷、熱能量則通過傳導方式傳遞給試品，實施對試品的空間環境模擬。

圖1 HVT1200實現真空環境的功能框圖

三、真空度測量

　　熱真空試驗設備所模擬的真空度和溫度是否準確，對試驗的成敗至關重要，為此，要對試驗箱內的真空度和溫度進行測量，本文闡述的是熱真空模擬試驗中的真空度測量。真空度是指低于大氣壓力的氣體稀薄程度，以壓力表示。用以探測低壓空氣稀薄氣體壓力所用的儀器稱為真空計。圖2為HVT1200實現真空度測量的功能框圖。

圖2 HVT1200實現真空度測量的功能框圖

　　鑒于該設備所能達到的真空范圍為1×10⁵Pa～1×10^-5 Pa，它采用電阻規(皮拉尼真空計)作為前級測量，待設備達1×10^-1 Pa后轉由電離規(熱陰極電離真空計)實現設備最終真空測量。

　　(一)設備使用的真空計

　　1.電阻規(皮拉尼真空計)

　　工作原理：利用電阻的熱傳導物理性能———熱絲通過電加熱， 使其溫度高于周圍氣體和管殼溫度，于是在兩者之間產生熱傳導， 當它們達到熱平衡時，一旦壓力變化，借助輸出阻抗值、電壓值等參數，再由模數轉換，讀出此刻真空度。鑒于皮拉尼真空計的測量范圍是1×10⁵ Pa～1×10^-1 Pa，在設備中起過渡測量作用， 真正擔任設備真空測量任務的是測量范圍為1×10^-1 Pa～1×10^-5 Pa的熱陰極電離真空計。

　　2.電離規

　　(1)基本構造：熱陰極電離真空計由測量規管(或規頭)和電器測量電路(真空計控制系統與指示系統)組成，其中測量規管(或規頭)為熱陰極電離真空計的關鍵件，由3個電極組合而成：能夠提供一定數量電子流Ie的燈絲(陰極F)、能夠產生電子加速場并收集電子流的陽極A(電子加速極)和能夠收集離子流Ii的離子收集極C(相對陰極為負電位)。

　　(2)工作原理：當熱陰極電離真空計通電，燈絲加熱提供電流源Ie，電子在電場中飛行時獲得能量，若與氣體分子碰撞，將使氣體分子以一定幾率發生電離，進而產生正離子Ii和次級電子，其電離幾率與電子能量有關。電子在飛行途中產生的正離子數， 正比于氣體密度，在一定溫度下正比于氣體壓力。熱陰極電離真空計就是把非電量的氣體轉化成離子電流， 根據離子電流的大小，通過模數轉換，得出此刻真空度的示值。

　　(3)性能概述：此規的陰極燈絲采用金屬氧化物，使得陰極抗氧化能力增強，進而提高了耐受瞬時大氣沖擊的能力，延長規管壽命。圖3為熱陰極電離規的Ii/Ie與壓力Pa的關系圖。

圖3 Ii/Ie與Pa關系圖

　　可見， 隨著真空度的進一步降低，Ii/Ie將達到一個峰值(對應的氣壓值是Pm)，然后將急劇下降，這種現象稱為雙值現象。其峰值點一般約為5.0Pa，所以最好等設備的氣壓值低于此點時，再開啟電離規，否則不僅影響電離規壽命，真空計還會異常顯示真空值。雖然本規采用抗氧化陰極燈絲，但高溫燈絲長時間工作在較低真空下氧氣分壓相對較高，也是極易氧化的，還會逐步降低陰極發射能力，縮短規管壽命。

　　(二)設備真空度測量

　　1、電阻規的零點、滿度修正

　　由于電阻規本身的零散性加之使用時的環境等因素影響，電阻規在第一次和使用一段時間后，都要對零點、滿度進行修正。

　　(1)零點修正

　　①將電阻規與系統連接好后， 開啟設備的旋片泵，當設備氣壓值低于1.0×10^-1 Pa時，此時電阻單元若顯示1.0×10^-1 Pa，說明零點正確，不需修正，若不顯示此值，如顯2.5E0或1.E-1等，則微調真空計控制儀面板的零點修正旋鈕，使其顯示1.0E-1即可。

　　②高真空狀態下，由于環境溫度及傳感絲表面狀態改變等因素影響， 零點易漂移， 只要能顯示在1.0E-1~5.0E-1內，均屬正常，無需修正。

　　(2)滿度修正

　　①在零點確認正確后， 對設備進行放氣處理，當設備氣壓恢復至大氣壓后， 真空計控制儀顯示1.0E5，表示滿度正確，若顯示6.0E3或HHE5等其他值時，說明滿度不準確， 需微調真空計控制儀面板的滿度電位器，直至其讀數顯示1.0E5即可。

　　②在大氣狀態下，空氣分子密度大，經過高溫環境工作后，其滿度的恢復和穩定時間較長，雖然存在一定漂移，若一般顯示1.0E4~9.0E4內，均屬正常，無需修正。

　　2、電離規的使用

　　(1)當電阻規測量氣壓值小于2.0Pa時(真空計控制儀窗口顯示00000)， 可以打開設備上的高真空閥門，同時開啟電離規。

　　(2)電離規被開啟，燈絲點亮，顯示屏初始顯示電離規發射電流值(以最后一次顯示值為準)。若顯示0.080～0.120數值時，表明真空計發射電流正常；若顯示---，說明系統內真空度處于電離規臨界峰值點，控制儀將使電離規進入超量程自動保護程序，原因是電阻規零點不準確(零點提前過多所致)，需修正零點；若顯示值在0.080～0.120以外，并顯示---，說明規管燈絲斷或發射能力降低，需更換規管。

　　(3)從設備的測試記錄圖也可及時發現規管的使用能力狀況。

　　①在真空狀態下產品的表面會產生各種氣體，這些氣體極易污染熱陰極電離真空計，通過觀察輸出的真空曲線：當出現如圖4所示真空曲線有無數小毛刺時，說明此刻真空計已受氣體輕度污染，那么立刻對離子真空計的陰極進行去氣處理，這就是所謂的真空計自清潔處理，這個處理過程只需3min，且罐體內的真空度不變化，不影響試驗進行。自清潔結束后，其真空度曲線會變得光滑起來，如圖5所示，真空計又恢復正確測量。有時當真空曲線有不規則大毛刺且氣壓值有所上升(見圖6)，但還能保持小于等于6.5×10-3Pa時， 不妨對低溫泵再生一次，會使低溫泵恢復，提高吸氣的功能，真空曲線也將變得光滑。需要說明的是：作低溫泵再生時，設備罐體內的氣壓值將回升，再生時間持續約2h。

　　②隨著真空計使用周期增長，即使多次實施自清潔及低溫泵的再生，也難免有清潔不盡的殘留氣體不斷堆積在真空計的陰極上，當出現真空曲線有無數大毛刺且真空值顯示不穩時，真空計達嚴重污染，直至真空值不顯示，如圖7所示，這時真空計已失效，必須更換新的真空計。

四、熱陰極電離真空計的正確使用

　　1.用絲綢布蘸酒精將ZE100型電離真空計的接口處擦拭干凈。

　　2.將真空計置固定器中擰緊。

　　3.遠離前級泵返油區，防止油蒸汽遇高溫使燈絲裂變，進而改變規管的靈敏度和特性。

　　4.選擇試驗設備的接口離低溫泵吸氣口及油蒸汽較遠，但應在熱沉包圍區內且距熱沉一定距離處，真空計最好采用豎直安裝，水平安裝可能會帶來測量偏差。

　　5.使真空計遠離高能離子和電子，或屏蔽衰減設備內試品產生的高能離子或電子，防止其轟擊規管電極，加速規管電極老化，縮短規管壽命。

　　6.規管測試線應采用金屬網屏蔽的高頻電纜線，同時屏蔽線應單點接地，以防測試信號線受干擾，影響測試準確度。

　　7.用絲綢布蘸酒精將試驗設備的接口清潔。

　　8.由卡箍將接口、航空專用墊圈、真空計安裝器三者緊密相連。緊密程度不宜太緊，給墊圈一個小小行程(因當箱體內開始抽氣時，三者會自動越吸越緊)，使得接口更加緊密，最后插上電控插頭。

　　9.為確保真空測量準確度，在使用過程中密切注意真空計的測試曲線或發射電流，一旦有變化立刻對其進行自清潔。

　　10.避免大氣壓下開啟電離規燈絲，否則將燒毀電離規燈絲，人為造成電離規失效。

　　11.玻璃規管在存放時應用海綿固定。

　　12.真空計屬精密器件，不可隨意拆卸。

　　HVT1200型熱真空試驗設備原先配備的是ZE100型電離真空計，雖然這種真空計使用方便、測量準確度高，但其儲備環境要求高、加之進口產品購貨周期長，往往耽誤設備使用。如今已使用真空計(型號為ZJ-27)替代。只要將其玻璃管尖端部開封，玻璃管尖端部插入固定金屬套管中， 然后由卡箍將金屬套接口、航空墊圈、設備接口三者緊密相連，最后插上電控插頭，就完成了電離規的安裝。

五、結束語

　　目前，國內絕大多數的真空計都是由計算機承擔控制測量的。如HVT1200型熱真空試驗設備，根據真空計的測量范圍，用軟件編制1×10-2Pa作為皮拉尼真空計測量過渡到熱陰極電離真空計測量的分界點，在設備從常壓至高真空過程中，PLC將自行切換兩真空計的工作狀態， 當壓力超出真空計測量范圍時，PLC立刻指揮電控系統切斷該真空計電源，使之不工作。與此同時，遠程監控計算機還全程自動顯示設備中的真空示值，并如實繪制出真空曲線，真空示值和曲線可保存也可打印。