CN103644111A - 大口径外置式低温泵氙气抽速测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大口径外置式低温泵氙气抽速测试装置及方法，在这空舱侧壁上安装有三个真空计与两个外置式低温泵；通过氙气瓶向真空舱内通入氙气，通入氙气的压力通过流量计与压力表测量，且通过减压器与电磁阀控制流量；当氙气通入管道压力过高时，可通过安全阀放气；真空舱上还连接有与作为低温泵前级的罗茨泵机组。进行抽速测试时，依次通过罗茨泵机组与一个或二个外置式低温泵对将真空舱内抽至极限压力；随后向真空仓内通入氙气，根据真空舱内压力恒定时，记录三个真空计测量压强均值，通过运算即可得到单泵或双泵的抽气速度。本发明的优点为：可对单泵或双泵进行氙气抽速测试，且便于操作，成本低，测试精度高。

Description

大口径外置式低温泵氙气抽速测试装置及方法

技术领域

本发明属于真空科学技术领域中的外置式低温泵抽速测量技术领域，具体涉及一种大口径外置式低温泵氙气抽速测试装置，应用于电火箭发动机真空羽流试验。

背景技术

外置式低温泵是采用冷凝吸附技术的一种真空获得设备，低温表面抽气的机理主要是依据物质的饱和蒸汽压随着温度降低而降低的特性，即外置式低温泵冷板的温度越低各类气体分子的饱和蒸汽压越低，凝结温度比外置式低温泵冷板表面温度高的气体分子就会凝结在外置式低温泵冷板表面，达到抽除气体获得真空的目的。

抽速是衡量外置式低温泵抽气性能的重要参数，高质量的抽速测试结果是评估外置式低温泵设计指标和指导工程应用的保障。GB/T19956.1-2005和JB/T7266-94是我国参考ISO1607-1:1993的国际标准制定的容积真空泵测量方法准则，主要适用于口径小于Ф1m的外置式低温泵，其基本测量原理是利用专门设计的测试罩，通过分别测量不进气和一定进气量条件下测试罩特定位置处的稳态真空压力值，得到的是外置式低温泵的最大名义抽速。

然而，外置式低温泵的抽速不仅与被抽气体种类有关，还和真空舱容积及安装位置等参数有关。目前，空间推进技术的一个主要发展趋势是电推进，而电推进离子推力器主要采用氙气（氙气）作为工作介质。为提高电推进羽流试验精度，试验前需要对已安装在真空舱上的外置式低温泵进行氙气抽速测试，以获得外置式低温泵的实际有效抽速。文献[1,2]给出了外置式低温泵和扩散泵对氙气的抽速是其对空气抽速的0.46倍，文献[3]给出了F-400/3500分子泵、F-250/1500两台分子泵对氙气抽速的测试结果，即在泵口真空度处于1×10^-3～1×10^-2Pa范围内，对氙气抽速相当于其对N₂抽速的0.6～0.8倍。国内尚未开展外置式低温泵对氙气抽速的测试研究。

[1]达道安.真空设计手册[M].北京:国防工业出版社,2004；

[2]Sarver-Verhey T R.Extended Testing of Ion Thruster Hollow Cathode[R].AIAA92-3204.1992；

[3]郭宁,邱家稳,江豪成.分子泵对氙气抽速的测试.真空2007,44(2),15-17。

综上所述，现有的外置式低温泵抽速测试标准仅适合口径小于Ф1m的外置式低温泵，不适用于口径大于Ф1m的大口径外置式低温泵，尤其是外置式低温泵对氙气抽速测量国内没有相关测试经验。此外，采用测试罩的外置式低温泵抽速测量方法无法获得低温泵的实际抽气速度。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种大口径外置式低温泵氙气抽速测试装置及方法，主要用于口径大于Ф1m的外置式低温泵的氙气抽速测量，通过稳压气源***提供符合抽速测量标准的气体，采用CS200A型质量流量控制器进行流量控制，同时采用热阴极电离规进行真空压力测量，能够更加精准的测量外置式低温泵对氙气的抽速，解决了电推进发动机羽流试验需求。

本发明大口径外置式低温泵氙气抽速测试装置，包括氙气瓶、减压器、流量计、电磁阀、真空计A、真空计B、真空计C、外置式低温泵A、外置式低温泵B、罗茨泵机组、真空舱、压力表A、压力表B、安全阀。

所述的氙气瓶、减压器、流量计与电磁阀通过供气管路顺次连接；供气管路的出气端与真空舱前部连通，且供气管路的出气端伸入真空舱内部；氙气瓶与减压器间的供气管路上安装有压力表A和安全阀；减压器和流量计间的供气管路上安装有压力表B。

所述罗茨泵机组通过管道与真空舱相连；外置式低温泵A与外置式低温泵B以及真空计A、真空计B、真空计C均安装在真空舱侧壁上。

本发明大口径外置式低温泵氙气抽速测试方法，包括单泵与双泵抽速测试：

单泵抽速测试通过下述方法完成：

步骤1：启动罗茨泵机组将真空舱内压力抽至5Pa；

步骤2：启动外置式低温泵将真空舱内压力抽至极限压力P₀；

步骤3：向真空舱内通入压强为a、流量为b的氙气；a的值通过三个真空计测量取平均获得，b的值通过流量计获得；

步骤4：当三个真空计测量真空舱内压力恒定后，记录三个真空计测量的压强平均值P′，通过下式获得外置式低温泵的抽气速度S：

$S=\frac{Q}{P^{\′}-P_0}$

其中，Q为氙气实际流量，

双泵抽速测试：通过下述方法完成：

步骤1：启动罗茨泵机组将真空舱内压力抽至5Pa；

步骤2：启动外置式低温泵A与外置式低温泵B同时将真空舱内压力抽至极限压力P₀；

步骤3：向真空舱内通入压强为a、流量为b的氙气；a的值由三个真空计测量取平均获得，b的值由流量计获得；

步骤4：当三个真空计测量真空舱内压力均恒定后，记录三个真空计测量的压强平均值P′，通过下式即可获得外置式低温泵A9或外置式低温泵B的抽气速度S：

$S=\frac{Q}{P^{\′}-P_0}$

其中，Q为氙气实际流量，Pa·L/s，

本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明大口径外置式低温泵氙气抽速测试装置，设备简单、成本低，实现了口径Ф1.25m的大口径外置式低温泵对氙气的抽速测量；

2、本发明大口径外置式低温泵氙气抽速测试装置，采用CS200A型质量流量控制器进行流量控制，响应时间快，准确度高，通过修正，能够更加准确的监控流量；

3、本发明大口径外置式低温泵氙气抽速测试装置，采用具有热阴极电离规的真空计进行真空压力测量，通过修正，能够更加精准的测量舱内压力；

4、本发明大口径外置式低温泵氙气抽速测试装置及方法，便于操作，测试精度高；

5、本发明大口径外置式低温泵氙气抽速测试装置及方法，可对单泵或双泵进行氙气抽速测试，便于泵的真实性能分析。

附图说明

图1为本发明大口径外置式低温泵氙气抽速测试装置结构示意图；

图2为本发明为采用单泵进行大口径外置式低温泵氙气抽速测试结果图；

图3为本发明为采用双泵进行大口径外置式低温泵氙气抽速测试结果图。

图中：

1-氙气瓶       2-减压器   3-流量计   4-穿舱法兰       5-电磁阀

6-真空计A      7-真空计B  8-真空计C  9-外置式低温泵A  10-外置式低温泵B

11-罗茨泵机组  12-真空舱  13-压力表A 14-压力表B       15-安全阀

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出的大口径外置式低温泵氙气抽速测试装置，包括氙气瓶1、减压器2、流量计3、穿舱法兰4、电磁阀5、真空计A6、真空计B7、真空计C8、外置式低温泵A9、外置式低温泵B10、罗茨泵机组11、真空舱12、压力表A13、压力表B14、安全阀15，如图1所示。

所述的氙气瓶1、减压器2、流量计3与电磁阀5通过外径为3mm壁厚为0.5mm的供气管路顺次连接。供气管路的进气端与氙气瓶1的出气口连通；供气管路的出气端通过穿舱法兰4与内径为5.2m长为12.6m的卧式圆筒型真空舱12前部侧壁连通，且供气管路的出气端伸入真空舱12内部200～300mm。其中，氙气瓶1、减压器2与流量计3位于真空舱外部；氙气瓶1内存储有纯度为99.999%的氙气，内部压力为3MPa；氙气瓶1内的氙气通过供气管路向真空舱12内输送；减压器2用来调节供气管路内的压力，压力调节范围0～3MPa，可保证供气压力恒定在0.2MPa。流量计3用来控制供气管路内氙气的流量，选用CS200A型质量流量控制器，有效量程0～15mL/min，响应时间t≤1sec，准确度u₁≤0.5%。电磁阀5位于供气管路的出气端，同时位于真空舱12内部；电磁阀5用来控制进入真空舱12的氙气量。

上述氙气瓶1与减压器2间的供气管路上，由氙气瓶1到减压器2方向依次安装有安全阀15和压力表A13；减压器2和流量计3间的供气管路上安装有压力表B14。其中，压力表A13用来测量减压器2入口处的氙气压力；压力表B14用来测量减压器2出口处的氙气压力；安全阀15用于释放供气管路中的氙气，防止供气管路压力过高。

所述罗茨泵机组11通过管道与真空舱12相连；外置式低温泵A9与外置式低温泵B10相邻安装在真空舱12后部同侧侧壁上，两个外置低温泵采用这种相邻、并排安装可使抽速集中，便于快速抽除气体。上述罗茨泵机组11用来为启动外置式低温泵A9与外置低温泵10提供前级准备，可将真空舱12内压力抽至5Pa。外置式低温泵A9与外置低温泵B10的口径均为1250mm，可将真空舱12内压力抽至5×10^-5Pa。

所述真空计A6、真空计B7、真空计C8均采用DL-7型真空计，用于测量真空舱12内的真空度，均具有ZJ12型热阴极电离规，有效量程为6×10^-8～1×10^-1Pa。真空计A6、真空计B7、真空计C8安装在真空舱12上；且真空计A6、真空计B7位于外置式低温泵A9与外置低温泵B10所在真空舱12侧壁的异侧；且真空计6位于真空舱12后部，真空计7位于真空舱12前部；真空计C8安装在外置式低温泵A9与外置式低温泵10的同侧，位于外置式低温泵9和穿舱法兰4之间，处于真空舱12舱体中段。上述三个真空计采用这种分散布局，便于测量真空舱12内平均压力。

基于上述大口径外置式低温泵氙气抽速测试装置，在进行氙气抽速测试前，首先需要对质量流量计与三个真空计进行标定，具体方法如下：

质量流量计的标定：

以N₂作为标定介质，开启电磁阀5，向真空舱12内通入氙气，通过下式对质量流量计表头读数进行标定，得到标定曲线；

q＝σ₁q₀

其中，q为通过流量计3测得氙气实际流量，单位为sccm(mL/min)；σ₁为修正系数，取σ₁=1.431；q₀为流量计3显示流量，单位为ml/min。

真空计的标定；

低压环境中，气体分子被电离所生成的正离子数通常与气体分子密度成正比，真空计利用此原理测量真空度。由于真空计对气体有选择性，不同气体的电离电位不同，导致存在示数误差。由此在进行氙气环境下真空度标定时，需以N2作为标定介质，开启电磁阀5，向真空舱12内通入氙气，通过下式分别对三个真空计表头读数进行标定，得到真空度标定曲线：

$P=\frac{P_2}{{\mathrm{\σ}}_2}$

式中：P为氙气环境下真空舱12内压强实际值，单位为：Pa；σ₂为修正系数，取σ₂=2.73；P₂为真空计测量的真空舱12内压强测量值，单位为：Pa。

随后，通过下述步骤进行抽速测试：

步骤1：启动罗茨泵机组11将真空舱12内压力抽至5Pa；

步骤2：对真空舱12进行抽速测试；

抽速测试包括单泵抽速测试与双泵抽速测试；

单泵抽速测试通过下述步骤完成：

1、启动外置式低温泵A9或外置式低温泵B10；将真空舱12内压力抽至极限压力P₀，即三个真空计测量真空舱12内压强恒定，此时外置式低温泵A9或外置式低温泵B10继续保持开启状态；

2、开启电磁阀5，并通过控制减压器2与流量计3，向真空舱12内通入压强为a、流量为b的氙气；a的值由三个真空计测量取平均获得，b的值由流量计3获得；

3、当三个真空计测量真空舱12内压力均恒定在某一压强下一定时间t（10min）后，记录三个真空计测量的压强平均值P′，通过下式即可获得外置式低温泵A9或外置式低温泵B10的抽气速度S，单位：L/s：

$S=\frac{Q}{P^{\′}-P_0}$

其中，Q为氙气实际流量，Pa·L/s，

双泵抽速测试：

1、启动外置式低温泵A9与外置式低温泵B10，同时将真空舱12内压力抽至极限压力P₀，即三个真空计测量真空舱12内压强恒定，此时外置式低温泵A9或外置式低温泵B10继续保持开启状态；

2、开启电磁阀5，并通过控制减压器2与流量计3，向真空舱12内通入压强为a、流量为b的氙气；a的值由三个真空计测量取平均获得，b的值由流量计3获得；

3、当三个真空计测量真空舱12内压力均恒定在某一压强下一定时间t（10min）后，记录三个真空计测量的压强平均值P′，通过下式即可获得外置式低温泵A9或外置式低温泵B10的抽气速度S：

$S=\frac{Q}{P^{\′}-P_0}$

采用本发明装置进行单泵抽速测试时，当真空舱12内压力达到3.5×10^-5Pa时，启动外置式低温泵A9或外置式低温泵B10，进行单泵抽速测试，测试结果，如图2所示，单泵有效抽速在24700～29200L/s区间波动，平均抽速27100L/s。

采用本发明装置进行双泵抽速测试时，当真空舱12内压力达到1.9×10^-5Pa时，真空舱12内达到极限压力，同时启动外置式低温泵A9、外置式低温泵B10，进行双泵抽速测试，测试结果如图3所示，氙气流量测试范围1～15ml/min，可以看出，随着氙气流量增加，真空舱12内平衡压力逐渐升高，双泵有效抽速在46300～58300L/s区间波动，平均抽速52200L/s。

可见，双泵有效抽速为单泵有效抽速的1.93倍，说明低温泵的数量对抽速具有线性叠加性，双泵抽速的一半即为单泵抽速。

Claims (10)

1.大口径外置式低温泵氙气抽速测试装置，其特征在于：包括氙气瓶、减压器、流量计、电磁阀、真空计A、真空计B、真空计C、外置式低温泵A、外置式低温泵B、罗茨泵机组、真空舱、压力表A、压力表B、安全阀；

所述的氙气瓶、减压器、流量计与电磁阀通过供气管路顺次连接；供气管路的出气端与真空舱前部连通，且供气管路的出气端伸入真空舱内部；氙气瓶与减压器间的供气管路上安装有压力表A和安全阀；减压器和流量计间的供气管路上安装有压力表B；

所述罗茨泵机组通过管道与真空舱相连；外置式低温泵A与外置式低温泵B以及真空计A、真空计B、真空计C均安装在真空舱侧壁上。

2.如权利要求1所述大口径外置式低温泵氙气抽速测试装置，其特征在于：所述电磁阀位于供气管路的出气端，同时位于真空舱内部。

3.如权利要求1所述大口径外置式低温泵氙气抽速测试装置，其特征在于：所述外置式低温泵A与外置式低温泵B相邻且位于真空舱同侧；且真空计A、真空计B与真空计C在真空舱上分散布置。

4.如权利要求1所述大口径外置式低温泵氙气抽速测试装置，其特征在于：所述流量计有效量程0～15mL/min，响应时间t≤1sec，准确度u₁≤0.5%；且真空计A、真空计B与真空计C均具有ZJ12型热阴极电离规，有效量程为6×10^-8～1×10^-1Pa。

5.大口径外置式低温泵氙气抽速测试方法，其特征在于：通过下述步骤实现单泵抽速测试：

步骤1：启动罗茨泵机组将真空舱内压力抽至5Pa；

步骤2：启动外置式低温泵将真空舱内压力抽至极限压力P₀；

步骤3：向真空舱内通入压强为a、流量为b的氙气；a的值通过三个真空计测量取平均获得，b的值通过流量计获得；

步骤4：当三个真空计测量真空舱内压力恒定后，记录三个真空计测量的压强平均值P′，通过下式获得外置式低温泵的抽气速度S：

$S=\frac{Q}{P^{\′}-P_0}$

其中，Q为氙气实际流量，

6.如权利要求5所述大口径外置式低温泵氙气抽速测试方法，其特征在于：所述流量计的标定方法为：以N₂作为标定介质，向真空舱内通入氙气，通过下式对质量流量计表头读数进行标定，得到标定曲线；

q＝σ₁q₀

其中，q为通过流量计测得氙气实际流量；σ₁为修正系数，取σ₁=1.431；q₀为流量计显示流量。

7.如权利要求5所述大口径外置式低温泵氙气抽速测试方法，其特征在于：所述真空计标定方法为：以N₂作为标定介质，向真空舱内通入氙气，通过下式分别对真空计表头读数进行标定，得到真空度标定曲线：

$P=\frac{P_2}{{\mathrm{\σ}}_2}$

式中：P为氙气环境下真空舱内压强实际值；σ₂为修正系数，取σ₂=2.73；P₂为真空计测量的真空舱内压强测量值。

8.大口径外置式低温泵氙气抽速测试方法，其特征在于：通过下述步骤实现双泵抽速测试：

步骤1：启动罗茨泵机组将真空舱内压力抽至5Pa；

步骤2：启动外置式低温泵A与外置式低温泵B同时将真空舱内压力抽至极限压力P₀；

步骤3：向真空舱内通入压强为a、流量为b的氙气；a的值由三个真空计测量取平均获得，b的值由流量计获得；

步骤4：当三个真空计测量真空舱内压力均恒定后，记录三个真空计测量的压强平均值P′，通过下式即可获得外置式低温泵A9或外置式低温泵B的抽气速度S：

$S=\frac{Q}{P^{\′}-P_0}$

其中，Q为氙气实际流量，Pa·L/s，

9.如权利要求8所述大口径外置式低温泵氙气抽速测试方法，其特征在于：所述流量计的标定方法为：以N₂作为标定介质，向真空舱内通入氙气，通过下式对质量流量计表头读数进行标定，得到标定曲线；

q＝σ₁q₀

其中，q为通过流量计测得氙气实际流量；σ₁为修正系数，取σ₁=1.431；q₀为流量计显示流量。

10.如权利要求8所述大口径外置式低温泵氙气抽速测试方法，其特征在于：所述真空计标定方法为：以N₂作为标定介质，向真空舱内通入氙气，通过下式分别对真空计表头读数进行标定，得到真空度标定曲线：

$P=\frac{P_2}{{\mathrm{\σ}}_2}$

式中：P为氙气环境下真空舱内压强实际值；σ₂为修正系数，取σ₂=2.73；P₂为真空计测量的真空舱内压强测量值。

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