大型真空工艺设备

现场系统测试与校准技术研究

航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司（以下简称“航空工业成飞”），创建于1958年，是我国航空武器装备研制生产和出口主要基地、民机零部件重要制造商。航空工业成飞将计量技术列为公司六大技术领域之一，建立了完善的管理体系，通过了CNAS实验室认可，并在大尺寸精密测量和数字化测量设备校准、飞机专用测试设备校准等方面形成了一定的技术优势，为国家航空事业和区域经济发展做出了贡献。

一、背景情况

1.大型真空工艺设备亟须计量校准

特种试验及特种工艺过程中大量应用了真空技术。真空量值是否准确，真空系统功能是否可靠，直接关系到产品质量。真空工艺设备是综合性复杂设备，除了需对真空度进行量值传递，更重要的是在现场进行系统测试、泄漏检查、残余气体成分分析等综合测试，以保证真空工艺设备处于良好的工作状态。

2.现场真空设备校准需求迫切

由于真空状态中的热流逸现象和分子流运动特点，致使大型真空设备真空度测试困难。现有的真空校准严格按校准规范要求在实验室进行，而生产现场的传感器安装位置、环境条件等与实验室存在一定差异，实验室校准不能完全复现被测对象现场使用状态，且经常拆卸也易影响真空设备的密封性，需要现场校准。

3.国内缺乏完善的现场真空校准系统

目前研究重点在实验室内，现场校准手段有限。国内企业对现场真空校准的研究仅仅是对真空计的校准，尚未进行比较完善的系统测试技术研究，也没有较完善的现场真空校准系统，不能为大型真空工艺设备提供准确可靠的现场计量保障，特别是大型真空工艺设备的系统测试。 

二、技术措施

针对大型真空工艺设备的系统测试，以及真空度在现场校准中存在的技术难题开展研究，分析大型真空工艺设备的不同使用特点，设计制造真空现场校准装置，制定大型真空设备现场系统测试方法与校准规范，开展现场真空系统测试及校准工作，做到真空参数量值准确传递，确保各类真空工艺设备正常运行。

1.研制校准装置（见图1）

研制大型真空工艺设备的校准装置，设计为三个单元，分别为系统测试单元、真空校准单元、在线校准单元。考虑到现场测试和校准的需求，再将装置的三个单元拆分为移动式高真空装置、移动式低真空和漏率装置、便携式在线装置、移动式漏率测试装置、移动式电气控制和数据采集柜五大部分，并可为不同测试和校准对象随意组合为不同的测试和校准装置。

在研制过程中通过模块化设计、图形化编程以及真空系统补偿抽气动态平衡方法，研发出校准装置，并采用球型校准室结构实现了真空计的在线校准。针对漏率和气体成分测试，独创性地设计了四极质谱计采样管。

2.开发测试软件

根据工作原理，编写各单元测试软件，主要包括系统测试软件、气体成分分析软件、真空校准软件、在线校准软件。软件由六个软件子系统组成：真空计校准系统软件、漏孔校准系统软件、在线校准系统软件、真空度测试系统软件、漏率测试系统软件、气体成分分析系统软件。

图1 大型真空工艺设备现场系统测试与校准装置

结合生产现场使用的多台大型真空工艺设备，针对不同的真空工艺的特定要求，制定系统综合测试方法，使用系统测试单元进行大型真空工艺设备的真空度测试、气体成分分析和检漏。采用相对比较法的工作原理开展真空计与标准漏孔的校准，编制企业级校准规范，对出现影响校准结果的参量进行分析和修正，规范了真空计与标准漏孔的校准方法。在力学专业真空参数上首次实现满足对大型复杂专用设备进行整体溯源要求。

大型真空工艺设备上监视与测量用压力真空指示仪，是用于配合压力/真空传感器组成测量系统，测量压力真空信号，并将其输出的模拟直流电流信号或直流电压信号通过转换元件转换为压力真空规值显示。目前在国内没有指导开展压力真空指示仪开展检定/校准的方法，项目组利用该领域的技术研究优势，参与编制《数字压力指示仪》行业检定规程，统一了数字压力指示仪的校准方式。

4.评估分析测量不确定度

项目组采用了欧洲认可合作组织推荐的不确定度评定思路，优化了JJF1059.1《测量不确定度评定与表示》中的传统分析过程，结合真空计和漏孔校准的实际工作，对测得参数开展不确定度评定，建立了测量结果黑箱评价模型，分析了计量标准、校准装置、被校仪器及环境条件四个方面对测量结果的影响，采用A类、B类不确定度评定方法进行评定，获得客观有效的测量不确定度结果。

三、具体成效

1.实施效果

研制的真空校准装置已用于大型真空工艺设备的真空度测试、检漏测试、气体成分分析，以及真空计、漏孔、数字指示仪的校准。编制的校准规范已经发布实施，编制的企标校准方法通过实施证明了该方法符合测试需求，具有科学性和可操作性。

2.应用情况

该成果已应用于热处理炉等真空工艺设备的检漏、气体成分分析、炉体极限真空度等测试工作，并实现真空工艺设备中真空计、压力真空指示仪的在线校准。

所编发的《数字压力指示仪检定规程》行业规范，有效指导和规范了中国测试技术研究院、重庆四联测控技术有限公司、航空工业凯天、成飞电子等单位压力真空指示仪的校准，保证了压力真空参数量值溯源的统一性。项目的技术成果还推广应用于航空工业计量所，还将应用于中航发集团、中核建等单位真空设备的计量保障，有效支撑了工业生产发展需求。

目前该项目研制的真空校准装置，已建立区域最高计量标准，可对四川区域开展量值传递工作。项目发布的数字压力指示仪行业规范已用于民航系统计量校准。同时课题在研究中应用了TRIZ等系统的创新理论方法，这些应用经验可以在以后的科研项目中进行推广。

3.获奖情况

基于该项目研究形成的成果“民机大型框梁结构件真空热处理质量保障”获得2017年度第二届全国企业创新方法大赛四川赛区一等奖，“航空大型真空热处理炉测量装置创新”获得2017年度第二届全国企业创新方法大赛全国总决赛三等奖（见图2）。该项目获得2019年度中国航空工业集团公司科技成果二等奖。

图2 项目组参加全国企业创新方法大赛并获奖

零部件几何参数检验技术手册旨在对航空发动机生产过程质量检验方法、测量约束条件、测量评价方法、测量设备、人员等要素进行系统、科学地规划，以保证检验工作的可信、有序与高效。科学、合理地制定检验规划是提升检验效率与水平的基础与保障。

通过项目实施，实现了航空发动机零部件制造过程中几何特征检测参数与检测方法、检测标准及检测设备之间有机匹配，关联互动，有效评估检测设备计量保证能力、明晰加工技术文件中检测要求和检测约束条件、杜绝检测方法和结果因人而异，有效扩大检测过程规范文件覆盖范围，有利促进了企业总体技术创新、产品升级、工艺过程控制和产品质量提升。

四、感受体会

与国外先进标杆单位相比，目前国内压力、真空检测、校准技术研究仍然不够深入和系统，知识沉淀不足，航空工业成飞将持续跟踪先进压力、真空检测技术，继续开展测量技术、测量过程控制和设备校准技术研究，形成较为完备的压力、真空检测和校准技术能力，为航空行业及社会企业提供高质量的计量技术服务。