王美聰 孫宏存 張松權(quán)(.廣州大學(xué)，廣東 廣州 50006；. 沈陽(yáng)化工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 04；. 杭州盤(pán)古自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司，浙江 杭州 000)

0 引言

真空科學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，目前已經(jīng)滲透到冶金、土木建筑、機(jī)械、包裝、環(huán)保、醫(yī)療器械、石油、化工、食品、電子、原子能、半導(dǎo)體、航空航天、紡織以及造紙等工業(yè)部門(mén)和科學(xué)研究工作中。例如：真空可以用在冶金工業(yè)中，包括真空蒸餾、礦石及其半產(chǎn)品的真空分離，金屬化合物真空還原、鋼液爐外真空脫氣和精煉、金屬真空熔鑄、真空燒結(jié)，真空熱處理、真空釬焊及真空固態(tài)接合等多種工藝方法。

近年來(lái)，易燃易爆危險(xiǎn)流體移動(dòng)儲(chǔ)運(yùn)裝備低溫絕熱壓力容器的安全性與壓力容器夾層的真空度密切相關(guān)，傳統(tǒng)的熱堆規(guī)組件具有明顯缺陷，有重大的安全隱患，且測(cè)量數(shù)據(jù)不能遠(yuǎn)傳或者數(shù)據(jù)保存，以上給真空測(cè)量與真空檢漏技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。真空監(jiān)測(cè)儀表(真空計(jì))用于真空測(cè)量及真空撿漏。目前常用的真空監(jiān)測(cè)儀表趨向于小型化、一體化、集成化、系統(tǒng)化和智能化。國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠家包括成都國(guó)光電氣股份有限公司、杭州盤(pán)古自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司、成都睿寶電子科技有限公司、成都中科唯實(shí)儀器有限公司、上海精密儀器儀表有限公司、北京中科科儀股份有限公司、寧波愛(ài)發(fā)科真空技術(shù)有限公司、成都藍(lán)泰士真空技術(shù)有限公司、上海宜福泰科等。在真空監(jiān)測(cè)儀表研究領(lǐng)域，目前國(guó)外處于明顯優(yōu)勢(shì)地位，其產(chǎn)品占據(jù)全球大部分市場(chǎng)。其中美國(guó)泰利德哈斯汀公司(Teledyne Hastings Instruments)的HPM系列儀表以及DV系列熱堆規(guī)是目前市場(chǎng)上占有率最高的產(chǎn)品，此外還有德國(guó)泰朗真空計(jì)、德國(guó)普發(fā)真空計(jì)、德國(guó)Leybold萊寶真空計(jì)、瑞士Inficon真空計(jì)等。真空監(jiān)測(cè)儀表涉及真空、半導(dǎo)體、材料、機(jī)械、電子、通信等多個(gè)學(xué)科，是典型的高技術(shù)密集型產(chǎn)品，其故障類型、級(jí)別和原因交叉耦合，真空監(jiān)測(cè)儀表的故障診斷存在故障點(diǎn)發(fā)現(xiàn)困難和故障點(diǎn)診斷困難的難題，這對(duì)可靠性強(qiáng)化的故障溯源分析提出極大挑戰(zhàn)。因此，為了強(qiáng)化真空監(jiān)測(cè)儀表的可靠性，對(duì)現(xiàn)有真空監(jiān)測(cè)儀表的故障進(jìn)行分類和梳理，有利于迅速定位故障的層級(jí)和故障機(jī)理，對(duì)真空監(jiān)測(cè)儀表的故障發(fā)現(xiàn)及技術(shù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)作用。

根據(jù)GB 3163—1982《真空技術(shù)名詞術(shù)語(yǔ)》中規(guī)定，真空可以按照氣壓強(qiáng)度分為以下幾類：低真空1×105～1×102Pa，中真空1×102～1×10-1Pa，高真空1×10-1～1×10-5Pa，超高真空1×10-5～1×10-9Pa，極高真空1×10-9Pa以下。按照真空儀表測(cè)量原理所利用的不同物理機(jī)制，真空儀表可分為利用機(jī)械力學(xué)性能、利用氣體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)和利用帶電粒子效應(yīng)三大類。目前常用的真空儀表有彈性式真空表、熱偶真空計(jì)、電阻真空計(jì)、電離真空計(jì)等相對(duì)真空儀表。通常高真空測(cè)量主要應(yīng)用的是電離真空計(jì)。按照產(chǎn)生離子方法的不同，分為熱陰極電離真空計(jì)和冷陰極電離真空計(jì)。以熱陰極電離真空計(jì)為例，由熱陰極電離規(guī)管和測(cè)量?jī)x器組成。測(cè)量?jī)x器由規(guī)管工作電源，發(fā)射電流穩(wěn)壓裝置和離子流測(cè)量放大器等部分組成，熱陰極電離規(guī)管與被測(cè)真空系統(tǒng)相通。熱陰極電離規(guī)管是一個(gè)三極管，管內(nèi)有陰極、柵極和收集極。收集極電位，相對(duì)于陰極為負(fù)電位；柵極電位，相對(duì)于陰極為正電位。當(dāng)電離規(guī)管通電加熱后，陰極發(fā)射出電子。此電子在到達(dá)柵極過(guò)程中，同氣體分子碰撞發(fā)生電離，產(chǎn)生正離子和電子。當(dāng)發(fā)射電流一定時(shí)，正離子的數(shù)目與被測(cè)氣體壓強(qiáng)成正比。正離子被收集極收集后，經(jīng)測(cè)量電路放大就可由指示電表讀出被測(cè)系統(tǒng)真空度。

本文調(diào)研了真空儀表的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及成熟應(yīng)用領(lǐng)域、測(cè)量工作原理及相關(guān)理論背景、國(guó)內(nèi)真空儀表廠商的故障儀表，結(jié)合真空監(jiān)測(cè)儀表的可靠性經(jīng)驗(yàn)，以建立真空監(jiān)測(cè)儀表的可靠性強(qiáng)化為目標(biāo)，分析真空監(jiān)測(cè)儀表使用中所面臨的環(huán)境條件，對(duì)真空監(jiān)測(cè)儀表進(jìn)行故障梳理，探討真空監(jiān)測(cè)儀表可靠性強(qiáng)化評(píng)價(jià)的重點(diǎn)考慮因素，為提出真空監(jiān)測(cè)儀表可靠性強(qiáng)化評(píng)價(jià)方案奠定基礎(chǔ)，為我國(guó)的真空監(jiān)測(cè)儀表高端制造作出貢獻(xiàn)。

1 真空監(jiān)測(cè)儀表故障類型及故障梳理的意義

調(diào)研國(guó)內(nèi)幾家主要真空監(jiān)測(cè)儀表企業(yè)2018—2019年生產(chǎn)的儀表，其故障主要有信號(hào)板故障、表頭故障、電源故障、主機(jī)板故障及部分無(wú)法查明故障。作為真空儀表的核心器件的真空規(guī)管多出現(xiàn)真空度低、芯柱炸、漏氣、燈絲不亮、玻殼炸裂、燈絲斷、芯柱氧化、封尖斷等故障。目前的真空儀表廠家可以有效給出真空計(jì)故障種類，但是仍存在無(wú)法精準(zhǔn)的定位到故障點(diǎn)的情況，缺少對(duì)部件故障原因的底層分析和測(cè)試，無(wú)法達(dá)到追根溯源的效果，因此找到故障點(diǎn)對(duì)于提高產(chǎn)品的可靠性具有重要的作用?，F(xiàn)有一些研究通過(guò)對(duì)故障樹(shù)的定性分析能夠快速的定位故障位置，采取相應(yīng)措施保障設(shè)備正常運(yùn)行。宋志宇利用故障樹(shù)對(duì)電源模塊無(wú)輸出及輸出異常進(jìn)行了分析，結(jié)果表明利用故障樹(shù)的方法可以找到故障事件的所有最小割集，每一個(gè)底事件的發(fā)生都會(huì)以一定概率造成頂事件的發(fā)生[1]。對(duì)于真空監(jiān)測(cè)儀表出現(xiàn)的電源故障問(wèn)題也可考慮利用故障樹(shù)分析的方法，而故障樹(shù)分析法的關(guān)鍵是梳理清底層故障類型。目前儀表的故障分類形式主要有下列幾種，如圖1所示，可分為故障存在的程度、故障發(fā)生發(fā)展的進(jìn)程、故障嚴(yán)重程度、故障發(fā)生的原因、故障相關(guān)性及故障發(fā)生的事情等6個(gè)方面。

在分析其故障原因時(shí)應(yīng)追溯故障根源，由于不同儀表的故障原因不盡相同，本文對(duì)于儀表故障原因主要按照?qǐng)D1中的內(nèi)因和外因，其故障原因可以梳理如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，當(dāng)真空監(jiān)測(cè)儀表的故障原因按照內(nèi)因和外因來(lái)分類時(shí)，內(nèi)因包括軟件、硬件、組合工藝、突發(fā)性故障等，內(nèi)因主要指的是產(chǎn)品的各個(gè)部件質(zhì)量及設(shè)計(jì)工藝方面，外因包括環(huán)境因素和人為因素兩個(gè)方面。儀表的失效過(guò)程是復(fù)雜的，很難明確說(shuō)明一塊儀表的失效到底是內(nèi)因起主導(dǎo)作用還是外因起主導(dǎo)作用，但是內(nèi)因決定品質(zhì)，外因通過(guò)內(nèi)因起作用，因此對(duì)真空監(jiān)測(cè)儀表故障類型進(jìn)行梳理分析具有重要的意義。

本文以3種測(cè)量高真空的真空儀表為例，梳理其典型故障[2]。隨著真空監(jiān)測(cè)儀表設(shè)計(jì)及生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，很多故障得到了很好的規(guī)避和解決。隨著儀表設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的精細(xì)化，對(duì)于損壞的儀表進(jìn)行故障判斷成本越發(fā)高昂，而對(duì)其進(jìn)行故障梳理，則有利于對(duì)真空監(jiān)測(cè)儀表進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，不斷完善產(chǎn)品的性能，用較低成本發(fā)現(xiàn)儀表的故障點(diǎn)。

圖1 儀表故障分類

圖2 故障原因分析

2 真空監(jiān)測(cè)儀表故障梳理

2.1 熱偶式真空計(jì)故障梳理

熱偶式真空計(jì)易出現(xiàn)下列問(wèn)題：(1)真空計(jì)的電源打開(kāi)后指示燈不亮的問(wèn)題，多是線路接觸不良所致，可通過(guò)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行接口加固改進(jìn)及質(zhì)檢環(huán)節(jié)增加線路接口復(fù)檢進(jìn)行產(chǎn)品的可靠性強(qiáng)化；(2)電源打開(kāi)后加熱電流和測(cè)量無(wú)指示的問(wèn)題，可能是指示電表、規(guī)管燈絲、電阻器等出問(wèn)題導(dǎo)致的電路斷路問(wèn)題，在采購(gòu)、生產(chǎn)及質(zhì)檢階段應(yīng)該對(duì)可能導(dǎo)致的斷路因素進(jìn)行嚴(yán)格管控，更高層次是在設(shè)計(jì)層面提升儀表的精準(zhǔn)度和可靠性；(3)對(duì)于有熱電偶電流指示而無(wú)測(cè)量讀數(shù)、或測(cè)量讀數(shù)較小的問(wèn)題，可通過(guò)對(duì)規(guī)管的熱電偶進(jìn)行質(zhì)量強(qiáng)化、改良規(guī)管各部分接觸情況等增加其可靠性；(4)對(duì)于無(wú)熱偶電流指示而有測(cè)量讀數(shù)則是出現(xiàn)了指示表斷路的情況，需要更換電阻并校準(zhǔn)電流；(5)對(duì)于加熱電流失控故障，又可以分為兩種情況，一種是加熱電流過(guò)大不能調(diào)小，一種是加熱電流過(guò)小無(wú)法調(diào)大或無(wú)法調(diào)節(jié)，這部分故障主要與晶體管、電容器等有關(guān)；(6)若出現(xiàn)加熱電流不穩(wěn)定的情況，則可檢查接頭接觸情況及穩(wěn)壓電源是否失效等；(7)對(duì)于出現(xiàn)量程工作不正常的現(xiàn)象時(shí)，是量程開(kāi)關(guān)或某一量程熱偶測(cè)量電路的元件損壞所致，可通過(guò)更換有關(guān)元件的方法解決。目前對(duì)熱偶式真空計(jì)的故障梳理中，暫時(shí)無(wú)法統(tǒng)計(jì)故障發(fā)生的時(shí)間，樣本量的不足導(dǎo)致無(wú)法獲得每類故障的權(quán)重，當(dāng)然熱偶式真空計(jì)的故障不限于此，本文只列舉了部分故障內(nèi)容。

2.2 定溫式電阻真空計(jì)故障梳理

定溫式電阻真空計(jì)同樣存在電子器件的故障問(wèn)題，此外還有規(guī)管處于大氣狀態(tài)時(shí)指示電表超過(guò)滿度或較大固定偏轉(zhuǎn)、指示電表反偏超過(guò)零位或有較大幅度擺動(dòng)、量程換擋銜接不好、多只規(guī)管測(cè)量結(jié)果不一樣、零點(diǎn)漂移過(guò)大等問(wèn)題。目前常見(jiàn)故障涉及到的零件有電源插座及燈座各接口、指示電表、直流穩(wěn)壓電源、量程轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、電子管、倍壓整流管、規(guī)管電阻絲或規(guī)管、規(guī)管插座、直流補(bǔ)償電壓電源、滿度電位器、低頻振蕩電路的電子管、干擾、電阻絲污染、低頻電路、規(guī)管補(bǔ)償電位器等，對(duì)電阻真空計(jì)進(jìn)行可靠性強(qiáng)化時(shí)，著重考慮這些器件的產(chǎn)品質(zhì)量、安裝、維護(hù)等事宜。

2.3 電離真空計(jì)故障梳理

電離真空計(jì)作為主要和常用的真空計(jì)的一種，其故障體系較為詳細(xì)，其中包含了部分同熱偶式真空計(jì)、電阻真空計(jì)相同的故障種類，此外還有一些電離真空計(jì)所有的故障，總結(jié)如下：(1)電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)后，指示燈不亮或較暗；(2)規(guī)管燈絲電源接通后燈絲不亮；(3)規(guī)管燈絲很暗，無(wú)發(fā)射電流或調(diào)不到額定值；(4)規(guī)管燈絲超過(guò)正常亮度且無(wú)發(fā)射電流；(5)調(diào)發(fā)射電流時(shí)規(guī)管燈絲亮度有變化但無(wú)發(fā)射指示；(6)發(fā)射電流指示超過(guò)滿度又無(wú)法調(diào)節(jié)；(7)發(fā)射電流不穩(wěn)定；(8)除氣時(shí)加速極不紅；(9)離子流測(cè)量放大器無(wú)法調(diào)零，指示電表指針超過(guò)滿度或反偏；(10)在“校準(zhǔn)”或“滿度”檔調(diào)不到滿度；(11)測(cè)量時(shí)指針無(wú)指示；(12)測(cè)量時(shí)電表指針?lè)雌?13)零點(diǎn)漂移顯著；(14)高量程檔的柵流影響加大。

上述問(wèn)題發(fā)生的可能原因種類復(fù)雜，下面以冷陰極電離真空計(jì)為例進(jìn)行可能的原因分析及解決方法。冷陰極電離真空計(jì)的常見(jiàn)故障具體表現(xiàn)為通電后無(wú)高壓或高壓很低、測(cè)量指示燈無(wú)指示、指示電表的偏轉(zhuǎn)過(guò)大、測(cè)量電表指示明顯不正確、不穩(wěn)定等。導(dǎo)致上述故障的可能原因分別給予了分析和列出，變壓器的損壞、老化或擊穿，規(guī)管故障等，可以通過(guò)更換整流管、限流電阻、電表、檢修高壓穩(wěn)壓電源等方式以解決對(duì)應(yīng)的問(wèn)題。圖3列舉了電離真空計(jì)之一的冷陰極電離真空計(jì)的故障、可能原因分析及解決方案的思維導(dǎo)圖。

總之，依據(jù)對(duì)現(xiàn)有收集到真空儀表的分析和美國(guó)WIKA Instrument公司的公開(kāi)資料，真空儀表在使用過(guò)程中可能導(dǎo)致故障出現(xiàn)的外界因素可分為以下8類，這些因素可以作為真空儀表進(jìn)行可靠性強(qiáng)化時(shí)的重點(diǎn)考慮因素[3]。

(1)振動(dòng)。真空儀表運(yùn)行時(shí)大都處于振動(dòng)狀態(tài)，而長(zhǎng)時(shí)間過(guò)度的振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致真空儀表內(nèi)部部件出現(xiàn)問(wèn)題，從而失效。

(2)脈動(dòng)。真空系統(tǒng)中氣體介質(zhì)的快速升降會(huì)使真空儀表指針產(chǎn)生不規(guī)律運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致內(nèi)部部件損壞。

(3)極端溫度。極端的溫度會(huì)導(dǎo)致真空儀表金屬連接處松動(dòng)，最終導(dǎo)致形變開(kāi)裂。

圖3 冷陰極電離真空計(jì)故障、可能原因及解決方案

(4)壓力劇變/超壓。頻繁地壓力變化和超壓力工作會(huì)使真空儀表指針彎曲，破壞敏感元件完整性。

(5)腐蝕。在某些含高腐蝕性介質(zhì)的工藝中，這些介質(zhì)會(huì)損壞真空儀表中的敏感材料，從而導(dǎo)致失效。

(6)堵塞。含有懸浮顆粒、粘性或可結(jié)晶的介質(zhì)會(huì)阻塞真空系統(tǒng)，導(dǎo)致真空儀表讀數(shù)不準(zhǔn)確。

(7)蒸汽。一些反應(yīng)介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生蒸汽，這些蒸汽往往也會(huì)造成真空儀表的內(nèi)部敏感元件。

(8)處理不當(dāng)。即使正確安裝的儀表，如果長(zhǎng)時(shí)間操作或使用不當(dāng)，也會(huì)出現(xiàn)故障。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)3種典型的真空監(jiān)測(cè)儀表進(jìn)行了故障梳理，分析可能原因及可采取的解決方案。真空監(jiān)測(cè)儀表的故障在收集的過(guò)程中，使用時(shí)間與故障種類之間關(guān)聯(lián)度的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的難度較大，這在一定程度上弱化了可靠性強(qiáng)化的進(jìn)行，因?yàn)闊o(wú)法區(qū)分是由于器件本身存在設(shè)計(jì)缺陷所導(dǎo)致，還是器件生產(chǎn)質(zhì)量不過(guò)關(guān)所致，亦或是使用過(guò)程中的環(huán)境因素或人為的失誤導(dǎo)致部件損壞從而使真空儀表失效。真空監(jiān)測(cè)儀表故障梳理有利于確定真空監(jiān)測(cè)儀表的可靠性強(qiáng)化的研究重點(diǎn)，對(duì)提高儀表的可靠性作出貢獻(xiàn)。