Прибор для вакуумных испытаний
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может найти применение при контроле вакуумной плотности герметизируемых систем. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем обеспечения наряду с контролем факта течи возможности определения места течи и измерения давления. Прибор содержит датчик 1, состоящий из двух помещенных в соленоиды 3 измерительных вакуумных камер 2. К соленоидам 3 подключен источник 12 переменного тока модулирующей частоты. Датчик 1 снабжен регулятором 5 скорости перемешивания газа и двумя коммутирующими клапанами 11 на входах камер 2. В камерах 2 расположены идентичные термосопротивления 4, которые включены в двойной мост 7 переменного тока, содержащий два переменных сопротивления 8 и 9. К питающей диагонали двойного моста 7 подсоединен источник 10 переменного тока, а каждая из его измерительных диагоналей подключена к избирательному усилителю 13, настроенному на частоту питания моста 7. К выходу избирательного усилителя 13 последовательно подключены детектор 14 давления и импульсный усилитель 15, первый выход которого, настроенный на первую частоту, подключен к детектору 17 течеискания. Показывающий прибор 18, в зависимости от режима работы, подключен или к выходу детектора 14 давления, или к выходу детектора 16 течеизмерения, или к выходу детектора 17 течеискания. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет выполнять весь цикл вакуумных испытаний: течеизмерение, течеискание, измерение давления при контроле герметичности оборудования. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем обеспечения наряду с контролем факта течи возможности определения места течи и измерения давления. На чертеже представлена принципиальная схема прибора для вакуумных испытаний, который содержит датчик 1, состоящий из двух помещенных в соленоиды 3 измерительных вакуумных камер 2. К соленоидам 3 подключен источник переменного тока модулирующей частоты 12. Датчик 1 снабжен регулятором 5 скорости перемешивания газа и двумя коммутирующими клапанами 11, посредством которых вакуумные камеры 2 соединены между собой параллельно или последовательно. В вакуумных камерах 2 расположены термочувствительные элементы, выполненные в виде идентичных термосопротивлений 4, которые включены в двойной мост переменного тока двойной мост 7 Уитстона. Двойной мост 7 содержит "дополнительный" мост 6 и два переменных сопротивления 8 и 9, служащих для балансировки. К питающей диагонали двойного моста 7 подсоединен источник 10 переменного тока, а каждая из его измерительных диагоналей подключена к избирательному усилителю 13, настроенного на частоту питания двойного моста. К выходу избирательного усилителя 13 последовательно подключены детектор 14 давления и импульсный усилитель 15, первый выход которого, настроенный на первую частоту, подключен к детектору 16 течеизмерения, а второй выход, настроенный на вторую частоту, подключен к детектору 17 течеискания. Показывающий прибор 18 в различных режимах работы имеет возможность попеременного подключения или к выходу детектора давления 14, или к выходу детектора течеизмерения 16, или к выходу детектора течеискания 17. Использование двойного моста Уитстона шестиполюсника позволяет измерять общее давление одновременно с выполнением операций течеизмерения и течеискания, так как двойной мост представляет собой "одинарный" мост, в плечо которого включен как бы "дополнительный" мост с термосопротивлениями, и полезный сигнал измерения давления, снимаемый с общей диагонали двойного моста, не оказывает мешающего влияния на сигналы течеизмерения и течеискания, снимаемые с измерительной диагонали "дополнительного" моста. Это обеспечивает непрерывность процесса измерения при проведении всего цикла вакуумных испытаний. Применение термосопротивлений из платиновых (Pt) лент и их симметризация с точностью лучше 1% позволяет, с одной стороны, расширить диапазон рабочих давлений прибора в режимах течеизмерения и течеискания в область высокого форвакуума (единицы МТорр) за счет увеличения поверхности тепловых элементов и, следовательно, уменьшения отрицательного влияния температурного скачка, связанного с уменьшением градиента температуры в разреженном газе, с другой стороны, их более точная симметризация улучшает пороговую чувствительность за счет компенсации уравновешенной мостовой (дифференциальной) схемой датчика нестабильностей питания, являющейся для измерительного моста синфазной помехой. Стабильность питания моста является одним из основных факторов, определяющих пороговую чувствительность прибора в целом, поэтому источник переменного тока, питающий двойной мост Уитстона, выполнен в виде генератора со стабилизацией амплитуды выходного напряжения. Регулятор скорости перемешивания газа в режиме течеискания служит для создания определенного гидравлического сопротивления пробному газу, при котором время перемешивания между камерами примерно равно времени одноразового обдувания места течи, составляющего 1-3 с. С его помощью можно подобрать режим перемешивания, при котором прибор работает в оптимальном режиме, имеет максимальную чувствительность при минимальной нестабильности. Применение такого регулятора, наряду с увеличением чувствительности в режиме течеискания, уменьшает нестабильность газового потока, проходящего через датчик в прокачном режиме, за счет сглаживающего эффекта и способствует тем самым улучшению стабильности показаний прибора в целом. Применение второго соленоида увеличивает чувствительность прибора в режиме течеизмерения за счет поочередного создания магнитного поля в камерах, при котором оба термосопротивления работают попеременно и поэтому полезный сигнал наличия кислорода возрастает в два раза. Им также обеспечивается и тепловая симметризация вакуумных камер в режимах течеискания и течеизмерения, так как в результате одинакового выделения тепла при работе соленоидов вакуумные камеры нагреваются идентично и поэтому мешающий разбаланс "дополнительного" моста, связанный тепловой асимметрией камер, будет минимальным. Введение в схему датчика коммутирующих клапанов обеспечивает многофункциональность прибора. Параллельный режим соединения камер используется для течеизмерения, последовательный для течеискания. При измерении давления режим соединения камер может быть любым. Прибор для вакуумных испытаний выполнен в виде двухкамерного датчика, соединенного 5-проводным экранированным кабелем требуемой длины с электронным измерительным блоком. Вакуумные камеры представляют собой латунные патроны 
22 мм, длиной 170 мм с технологическими отверстиями, необходимыми для установки в них термосопротивлений, которые помещены с зазором в вакуумированные тефлоном латунные стаканы, соединенные между собой медными трубками 8 мм. Зазор между патронами и стаканами выполняет функцию термостатирования тепловых элементов от мешающего воздействия дрейфов температуры и влияния окружающей среды. Вакуумные камеры помещены в идентичные соленоиды с равным количеством витков (W1 W2 1000), диаметром намоточного провода 1 2 0,5 мм и соответственно равным омическим сопротивлением R1 R2 100 Ом, обусловливающим одинаковое выделение тепла при их работе. Магнитное поле, создаваемое соленоидами, составляет приблизительно 5-10 э. С источником переменного тока модулирующей частоты соленоиды соединены через встречно-параллельно включенные диоды, обеспечивающие питание каждого из них током одинаковой амплитуды, но разной полярности, сдвинутой по фазе на 180o. Управление коммутирующих клапанов и регулятора скорости перемешивания газа выведено на переднюю панель корпуса датчика, обеспечивая тем самым удобный к ним доступ. К испытываемой вакуумной системе датчик подключается через два штуцера, причем его входом является штуцер, соединенный с коммутирующими клапанами, а выход в рабочем режиме соединен через дросселирующий дополнительный клапан с откачиваемой трассой. Такая конструкция вакуумной части датчика позволяет работать как в режиме диффузии, так и в режиме прокачки, при этом вакуумная схема датчика является байпасной по отношению к прокачиваемой трассе. Термосопротивления 4 изготовлены из коррозионностойкого материала и выполнены в виде платиновых лент длиной приблизительно 120 мм, натянутых коаксиально, т. е. по осям патронов. Их омическое сопротивление в холодном состоянии составляет 11-13 Ом и подобраны с точностью не хуже +0,1 Ом. В рабочем режиме подогреваемые током приблизительно 100 мА от источника переменного тока термосопротивления имеют температуру приблизительно 100-110oC. Тепловая симметризация камер и соответственно плеч измерительного моста, помимо их конструктивной идентичности, обусловливается прежде всего точностью подбора омического сопротивления тепловых элементов, а также их геометрическими размерами, коаксиальностью, однородностью материала и т.д. Описанная выше конструкция датчика обеспечивает виброустойчивость тепловых элементов (термосопротивлений) в магнитном поле. Источник переменного тока 10, служащий для питания двойного моста Уитстона и подогрева термосопротивлений, выполнен в виде генератора и усилителя мощности со стабилизацией амплитуды выходного напряжения. Стабильность амплитуды приблизительно 0,05% обеспечивается введением в генератор петли отрицательной обратной связи и регулирующего элемента, выполненного на полевом транзисторе. Его частота, равная 1021 Гц, выбрана с условием уменьшения влияния высших гармоник сетевого напряжения на стабильность прибора. Источник 12 переменного тока модулирующей частоты, питающий соленоиды 3, выполнен в виде инфранизкочастотного мультивибратора и усилителя мощности. Его частота 1 Гц выбрана с тем условием, что ее период примерно равен времени одноразового обдувания места течи пробным газом, составляющему 1-3 с. При этом условии спектр импульсного сигнала наличия течи и переменный сигнал наличия кислорода попадают в полосу пропускания импульсного усилителя. Избирательный усилитель 13, настроенный на частоту питания двойного моста, выполнен в виде активного RC-фильтра с суммарным коэффициентом усиления приблизительно 3
103 и имеет его ступенчатую регулировку. Динамический диапазон усилителя составляет приблизительно 80 дБ. Его резонансная частота определяется источником 10 переменного тока и составляет 1021 Гц. Так как амплитуда переменного сигнала в режиме измерения давления существенно превышает полезный сигнал в режимах течеизмерения и течеискания, то подключение измерительной диагонали двойного моста 7 Уитстона в режиме измерения давления осуществляется в середине тракта усиления усилителя. Детектор 14 давления выполнен в виде синхронного детектора (СД) на полупроводниковых ключах, управляемых источником 10 переменного тока. Им осуществляется детектирование полезного сигнала разбаланса двойного моста 7 в режиме измерения давления и выделение полезных сигналов в режимах течеизмерения и течеискания. Причем в последнем случае им также осуществляется детектирование сигнала мешающего разбаланса "дополнительного" моста 6, связанного с тепловой асимметрией тепловых элементов и вакуумных камер. Импульсный усилитель 15 служит для усиления переменного сигнала наличия кислорода частоты 1 Гц и импульса наличия течи. Его полоса пропускания определяется временем одноразового обдувания места течи пробным газом, т.е. спектром приходящего импульса наличия течи, и составляет приблизительно 0,2-10 Гц. Коэффициент усиления усилителя может ступенчато меняться от 1 до 103. Усилитель выполнен на принципе модуляция-усиление-демодуляция (МДМ-принцип) и реализован на микросхемах У140УД13. Нижняя граничная частота определяется входной дифференцирующей CR-цепочкой, верхняя выходной интегрирующей RC-цепочкой. Первый выход усилителя, настроенный на частоту 1 Гц, представляет собой резонансный фильтр, второй выход является полосовым фильтром, имеющим такую же полосу пропускания, как и весь усилитель. Детектор течеизмерения 16 выполнен в виде фазового детектора (ФД), управляемого источником 12 переменного тока модулирующей частоты. Его выходное выпрямленное напряжение пропорционально разности фаз приходящего из датчика переменного сигнала наличия кислорода и опорного сигнала частоты 1 Гц. Детектор выполнен на поляризованном реле РП-4 с постоянной времени интегрирования (время накопления сигнала), составляющей приблизительно 30 с. Детектор 17 течеискания выполнен в виде пикового детектора (ПД), является емкостной ячейкой памяти и служит для фиксации амплитуды одиночного импульса наличия течи. Выполнен на операционных усилителях и полевых транзисторах. Время фиксации импульса может меняться от 3 до 15 с. Детектор имеет также оптическую и акустическую сигнализацию, питаемую источником 10 переменного тока, сигналом срабатывания которой является импульс наличия течи. В качестве показывающего прибора 18 используется стрелочный микроамперметр М-906 с током полного отклонения стрелки, равным 100 мкА, является нагрузкой СД, ФД, ПД в соответствующем режиме. Прибор для вакуумных испытаний работает следующим образом. Регулятор 5 скорости перемешивания находится в фиксированном положении, подобранном экспериментально для каждого датчика. В режиме измерения давления используется принцип манометра Пирани, т.е. температурная зависимость сопротивления тепловых элементов от давления окружающего газа. При этом один из коммутирующих клапанов 11 может быть закрыт или оба клапана открыты, т.е. камеры 2 могут быть соединены как последовательно, так и параллельно. Так как оба термосопротивления являются плечом двойного моста Уитстона, то разбаланс моста, возникающий в результате изменения давления от 10-3 до 10 Торр, усиливается избирательным усилителем 13, выделяется детектором 14 давления и в виде постоянного тока регистрируется показывающим прибором 18. Нижняя и верхняя границы рабочего диапазона такого манометра давления устанавливаются переменным сопротивлением 9, включенным в мост, а чувствительность в этих границах определяется коэффициентом усиления избирательного усилителя 13 и примерно аналогична чувствительности термопарного вакуумметра ВИТ-1 (на грубой шкале), превышая ее на более чувствительных шкалах. В режиме течеизмерения (определение суммарной негерметичности по скорости натекания атмосферного кислорода) используется эффект изменения теплопроводности кислорода в магнитном поле. При этом коммутирующие клапаны 11 открыты и вакуумные камеры соединены параллельно. Вызываемые магнитным полем частоты 1 Гц пульсации теплопроводности кислородсодержащей газовой смеси приводят к попеременным пульсациям активного сопротивления теплочувствительных элементов "дополнительного" моста 6 термосопротивлений. Возникающие при этом в измерительной диагонали пульсации напряжения частоты 1021 Гц усиливаются избирательным усилителем 13 и выделяются в виде напряжения частоты 1 Гц детектором 14. После его усиления импульсным усилителем 15 переменный сигнал с первого выхода, настроенного на частоту 1 Гц, попадает на детектор 16 течеизмерения. Выпрямленный и отфильтрованный детектором сигнал наличия кислорода в виде постоянного тока регистрируется показывающим прибором 18. Разбаланс "дополнительного" моста 6, связанный с имеющейся тепловой асимметрией термосопротивлений и камер, компенсируется переменным сопротивлением 8. Пороговая чувствительность к скорости натекания атмосферного кислорода (проградуированного по воздуху) составила приблизительно 0,1 мТорр в час. В режиме определения места течи (течеискания) используется различие коэффициентов теплопроводности пробного и остаточных газов вакуумной системы в отсутствие магнитного поля. Пробными газами могут быть He, H2, Ar др. При этом один из коммутируемых клапанов 11 датчика открыт, другой закрыт и таким образом вакуумные камеры 2 соединены последовательно. Попавший в отверстие течи пробный газ, распространяясь по вакуумной системе за счет диффузии или прокачки, поступает в датчик 1. За счет неравновесного процесса, возникающего в результате поочередного (последовательного) прохождения (попадания) пробного газа в вакуумные камеры 2, появляется скачкообразное изменение теплообмена термосопротивлений 4 со стенками камер 2, в результате чего появляется скачкообразный (импульсный) разбаланс "дополнительного" моста. Последующее выравнивание концентраций пробного газа между камерами 2 приводит к восстановлению баланса моста 6. Импульсный разбаланс моста 6 усиливается избирательным усилителем 13, выделяется детектором давления 14 и поступает на вход импульсного усилителя 15. После его усиления импульсный сигнал со второго выхода импульсного усилителя 15, настроенного на полосу пропускания приблизительно 0,2-10 Гц, попадает на детектор 17. Зафиксированный детектором 17 сигнал наличия течи в виде одиночного импульса регистрируется показывающим прибором 18, при этом его амплитуда пропорциональна величине обнаружения течи. Таким образом, количественной мерой величины обнаруженной течи (в делениях шкалы) являются показания стрелочного прибора. Импульс сигнала течи является управляющим для работы оптической и акустической сигнализации, при этом загорается светодиод и в громкоговорителе появляется зуммер частоты 1021 Гц. Медленный разбаланс "дополнительного" моста, связанный с тепловой асимметрией, компенсируется переменным сопротивлением 8. Пороговая чувствительность в режиме течеискания, измеренная по скорости натекания воздуха, составила 10-2-10-1 мТорр в час, что примерно соответствует 0,1-1 п.п.м. (1 п.п.м. 10-6 объемных частей) чувствительность к изменению концентрации пробного газа. Такой коррозионностойкий универсальный прибор может быть успешно использован в качестве вакуумного мультиметра, заменяющего три вида вакуумных приборов, и найти самое широкое применение при всех видах контроля вакуумной плотности, в особенности оборудования, технологические процессы в котором идут при форвакуумном давлении агрессивных газов.
Формула изобретения
1. Прибор для вакуумных испытаний, содержащий датчик, выполненный в виде двух измерительных камер, соленоида, в котором размещена одна из камер, и расположенных в камерах теплочувствительных элементов в виде термосопротивлений, измерительный мост с источником переменного тока, в плечи которого симметрично включены термосопротивления, источник переменного тока модулирующей частоты, подключенный к соленоиду, включенный в диагональ моста избирательный усилитель, детектор течеизмерения и имеющий возможность соединения с ним показывающий прибор, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения наряду с контролем факта течи возможности определения места течи и измерения давления, мост переменного тока выполнен в виде двойного моста Уитстона с двумя переменными сопротивлениями, каждая из измерительных диагоналей соединена с входом избирательного усилителя, а прибор снабжен двумя коммутирующими клапанами, установленными на входах камер, последовательно соединенными с выходом избирательного усилителя детектором давления и импульсным усилителем и детектором течеискания, входы детекторов течеизмерения и течеискания соединены с выходами испульсного усилителя, настроенными на разные частоты, а показывающий прибор имеет также возможность попеременного соединения с выходами детекторов давления и течеискания. 2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что термосопротивления выполнены из платиновых лент и подобраны с точностью не хуже 1% 3. Прибор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что источник переменного измерительного моста выполнен в виде генератора со стабилизацией амплитуды. 4. Прибор по пп.1 3, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, он снабжен регулятором скорости перемешивания газа, соединенным с камерами. 5. Прибор по п.4, отличающийся тем, что регулятор скорости перемешивания газа выполнен в виде двух идентичных клапанов, установленных на выходах камер. 6. Прибор по пп.1 5, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, он снабжен дополнительным соленоидом, в котором размещена другая камера и который соединен с источником переменного тока модулирующей частоты.РИСУНКИ
Рисунок 1MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Номер и год публикации бюллетеня: 10-2002
Извещение опубликовано: 10.04.2002
