RU1780404C - Прибор для вакуумных испытаний - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к контрольно-измерительным приборам для вакуумных измерений и позволяет расширить функциональные возможности путем обеспечения наряду с контролем факта течи определение места течи и измерения давления. Прибор содержит датчик, выполненный в виде вакуумной камеры 1. В последней размещены параллельно друг другу два пироэлектрических преобразователя (ПЭП) 4 и расположенный между ними нагреватель 3. Камера 1 размещена в соленоиде 2, соединенном с источником 9 пульсирующего тока. Источник 8 постоянного тока соединен с нагревателем 3. ПЭП 4 соединены через дифференциальный усилитель 7 встречно и образуют вместе с нагревателем 3 мост Уитстона. К выходу усилителя 7 подключены синхронный детектор 10, блок 11 сигнализации течеискания и показывающий прибор 12. Блок 11 управляется источником 9 пульсирующего тока. Прибор 12 может быть также подключен к блоку 11 или детектору 10. При работе прибора утечка попадает в камеру 1, вызывает пульсацию идущего от нагревателя 3 теплового потока и соответственно в ПЭП 4 возникает пульсация момента спонтанной поляризации, в результате чего с их электродов снимается переменный ток. Последний в режиме течеизмерения усиливается дифференциальным усилителем 7 и поступает на детектор 10. В режиме течеискания переменный ток с ПЭП 4 усиливается дифференциальным усилителем 7 и поступает на блок 11. В зависимости от ампулитуды этого тока источник 9 вырабатывает прерывистый звуковой сигнал, поступающий на звуковую сигнализацию блока 11. При работе в режиме измерения давления происходит разбаланс моста Уитстона и дифференциальный усилитель 7 выдает сигнал на прибор 12. 3 з.п. ф лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет выполнять весь цикл вакуумных испытаний: течеизмерение, течеискание, измерение давления при контроле герметичности оборудования.

Известен течеискатель на принципе теплопроводности для испытаний вакуумированных систем, содержащий датчик, состоящий из плоского нагревателя с подсоединенным к нему источником постоянного тока, теплочувствительный элемент, выполненный в виде пироэлектрического преобразователя, который имеет форму пластинки, укрепленной через слой теплоизоляции на стенке датчика и установленный с зазором к нагревателю, измеритель, выполненный в виде усилителя постоянного тока, к выходу которого через входные RC-цепочки подключен дифференциальный усилитель с входными электрическими постоянными времени, разность между которыми больше, и одна из которых меньше времени одноразового обдувания испытуемой системы пробным газом.

Недостатком такого течеискателя является невозможность использования его для течеизмерения и контроля общего давления.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является прибор для вакуумных испытаний течеизмеритель, основанный на эффекте измерения теплопроводности кислорода в магнитном поле, содержащий датчик, состоящий из помещенной в соленоид измерительной камеры с плоским теплочувствительным элементом, выполненным в виде пироэлектрического преобразователя (ПЭП), установленный с зазором к нагревателю и расположенный на поверхности плоского теплоотводящего элемента, размещенного на стенке измерительной камеры, виброустойчивый в магнитном поле нагреватель в виде расположенной параллельно ПЭП пластинки с обмоткой подогрева, источник тока, подключенный к нагревателю, источнику пульсирующего тока, подключенный к соленоиду, подключенный к ПЭП усилитель, настроенный на частоту пульсирующего тока.

Недостаток такого прибора для вакуумных испытаний течеизмерителя заключается в его узкой специализации, в невозможности его использования для определения мест течей и измерения давления, что усложняет весь процесс контроля за вакуумной плотностью.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей известного устройства путем обеспечения наряду с контролем факта течи определение места течи и измерение давления.

Поставленная цель достигается тем, что прибор для вакуумных испытаний, содержащий датчик, выполненный в виде вакуумной камеры, размещенной в соленоиде, плоский нагреватель, установленный в камере, первый пироэлектрический преобразователь, установленный в камере параллельно нагревателю, источник пульсирующего тока, соединенный с соленоидом, усилитель течеизмерения, настроенный на частоту источника пульсирующего тока, источник постоянного тока, соединенный с нагревателем, и показывающий прибор, снабжен дифференциальным усилителем постоянного тока, первый вход которого соединен с первым пироэлектрическим преобразователем, блоком сигнализации течеискания, и вторым пироэлектрическим преобразователем, установленным в камере параллельно нагревателю симметрично первому пироэлектрическому преобразователю относительно нагревателя, второй пироэлектрический преобразователь соединен с вторым входом дифференциального усилителя, оба пироэлектрических преобразователя соединены с дифференциальным усилителем встречно, нагреватель образует плечо моста Уитстона, одна диагональ которого соединена с источником постоянного тока, измерительная диагональ соединена с третьим входом дифференциального усилителя и является измерителем давления, а показывающий прибор выполнен с коммутирующим устройством с возможностью его попеременного подключения к выходам дифференциального усилителя и настроенным на разные частоты выходам усилителя течеизмерения, блока сигнализации течеискания.

При этом коммутирующее устройство выполнено в виде регулятора частоты среза дифференциального усилителя. Усилитель течеизмерения включает синхродетектор, соединенный с источником пульсирующего тока. Каждый из пироэлектрических преобразователей имеет экранирующий цилиндр.

Дифференциальный усилитель выполнен на принципе МДМ. Источник пульсирующего тока выполнен в виде генератора с управляемым напряжением.

На чертеже изображена схема прибора для вакуумных испытаний, основанного на тепловом и магнитотепловом принципе действия.

Прибор для вакуумных испытаний содержит датчик, выполненный в виде вакуумной камеры 1, размещенной в соленоиде 2. В камере 1 расположен выполненный в виде плоского термосопротивления нагреватель 3. Нагреватель 3 расположен симметрично между двумя демпфированными и включенными встречно пироэлектрическими преобразователями (ПЭП) 4, помещенными заподлицо в экранирующие цилиндры 5, которые укреплены на параллельно соединенных кронштейнах 6, расположенных с зазором к стенкам вакуумной камеры 1. Нагреватель 3 образует плечо моста Уитстона, соединен с дифференциальным усилителем 7 и является измерителем давления. Источник 8 постоянного тока соединен с нагревателем 3. Соленоид 2 соединен с источником 9 пульсирующего тока. Оба пироэлектрических преобразователя 4 соединены с входами усилителя 7, выполненного с регулируемой частотой среза. Выход последнего, настроенный на первую частоту, соединен с синхронным детектором 10, управляемым источником 9 пульсирующего тока и являющимся оконечной частью тракта усилителя течеизмерения. Второй выход усилителя 7, настроенный на вторую частоту, соединен с блоком 11 сигнализации течеискания. Блок 11 имеет акустическую (звуковую) и оптическую (световую) сигнализацию наличия течи, выполненную соответственно в виде громкоговорителя и светодиода. Показывающий прибор 12 с помощью коммутирующего устройства, выполненного в виде регулятора частоты среза дифференциального усилителя 7, имеет возможность попеременного подключения к выходам или усилителя 7 в режиме измерения давления, или к синхродетектору 10 в режиме течеизмерения, или к блоку 11 сигнализации в режиме течеискания. ПЭП 4 выполнены из танталата лития (LiTaO₃), толщиной 50 мкм, общей площадью каждого кристалла ≈16 мм².

Демпфирование ПЭП 4 осуществляется закреплением кристалла торцевой частью в двух точках через подложку, выполненную из индия (In), при котором компенсируется паразитный пьезоэффект, так как деформация напряжения сжатия кристалла направлена поперек вектора спонтанной поляризации. Такая конструкция ПЭП 4 на 1,5-2 порядка снижает пьезоэффект, присущий всем полярным диэлектрикам, возникающий при резком изменении давления в системе или ее вибрации, связанной с работой форвакуумных насосов и других механических устройств.

Пиропреобразователи включены встречно, т.е. их векторы спонтанной поляризации

имеют разный знак. При таком "активном" включении, т.е. через дифференциальный усилитель 7, полезный сигнал увеличивается в два раза (полезный сигнал парафазен и поэтому суммируется). Электрические наводки, наводки от сети и наводки от пульсирующего магнитного поля на электроды и соединительные провода взаимно компенсируются, так как они синфазны.

ПЭП 4 помещены концентрично в экранирующие цилиндры 5 с целью защиты от резких толчков давления, возникающих при откачке датчика. Они также осуществляют крепление ПЭП 4 на кронштейнах 6.

Для более полного использования молекулярного теплового потока, попадающего на ПЭП 4 в различных режимах работы и диапазонов давлений прибора, а также уменьшения температурных флуктуаций их поверхности, ПЭП 4 выполнены в виде тепловых концентраторов. При этом поверхность кристалла ПЭП 4 больше площади его электродов и собственная емкость ПЭП 4 не шунтирует полезный сигнал.

Нагреватель 3 выполнен в виде слюдяной пластинки, на которую намотана обмотка подогрева, являющаяся термосопротивлением, включенным в плечо моста Уитстона. К одной диагонали моста подключен источник 8 постоянного тока, питающий термосопротивление, а к измерительной диагонали подключен дифференциальный усилитель 7 постоянного тока, к выходу которого подключается показывающий (стрелочный) прибор 12. Таким образом, нагреватель 3, включенный в мост постоянного тока, с подключенным к нему измерителем является устройством контроля за состоянием вакуума манометром общего давления, выполненным на принципе манометра Пирани. Шаг намотки нагревателя 3 ≈0,7 мм, выполнен с тем условием, чтобы была обеспечена виброустойчивость нагревателя 3 в магнитном поле. Расположение нагревателя 3 между ПЭП 4 по оси вакуумной камеры 1 и его площадь ≈2 см² выбраны с условием оптимального использования его теплового потока и теплообмена с газом, находящимся при низком форвакуумном давлении.

Дифференциальный усилитель 7 постоянного тока с регулируемой частотой среза выполнен на принципе модуляция сигнала усиление демодуляция (МДМ принцип). Усиление полезного сигнала идет на частоте модуляции, равной ≈ 1,5 кГц. Усилитель 7 является прецизионным усилителем постоянного тока, имеет малый дрейф нуля (меньше 0,5 мкВ/^oC), большое входное сопротивление ≈ 50 мОм, малые собственные шумы. Входные каскады выполнены на микросхемах К140УД13. Коэффициент усиления может ступенчато меняться от 1 до 1000. В зависимости от режима работы прибора частота среза усилителя 7 меняется от ≈3 Гц режим измерения общего давления, ≈10 Гц режим течеизмерения и ≈20 Гц в режиме течеискания.

Источник 9 пульсирующего тока выполнен в виде управляемого напряжением генератора, на который в режиме течеизмерения подается фиксированное значение напряжения, в результате чего питание соленоида 2 осуществляется импульсами тока частоты ≈1 Гц. Эта же частота является опорным напряжением, управляющим работой синхронного детектора 10. В режиме течеискания управляющим напряжением для источника 9 пульсирующего тока служит приходящий из датчика импульс наличия течи, амплитуда которого определяет периодичность срабатывания акустической и оптической сигнализации течеискателя.

Корпус вакуумной камеры 1 представляет собой дюралевый стакан внутренним диаметром ≈ 50 мм и длиной ≈ 80 мм, одним торцом который подсоединяется через штуцер к испытуемой вакуумной системе. На другом торце, являющимся фланцем, закреплены система из параллельно расположенных кронштейнов 6 и ПЭП 4 с расположенным между ними нагревателем 3, образующим тепловой узел датчика. Благодаря такому соединению система: вакуумная камера 1 фланец с кронштейнами 6 получается разъемной, что позволяет иметь удобный доступ к тепловому узлу датчика. Такое расположение теплового узла в вакуумной камере 1 датчика защищает ПЭП 4 и нагреватель 3 от тепловых дрейфов окружающей среды, неравномерного нагрева стенок камеры 1, вызванным выделением тепла при работе соленоида 2. Зазор между кронштейнами 6 и стенками измерительной камеры 1 при форвакуумных давлениях ниже 1 Тор, выполняет функцию термостатирования теплового узла. Т.е. чем ниже давление в датчике, тем теплоизоляция тепловых элементов лучше.

Нагреватель 3 выполнен в виде слюдяной пластинки с обмоткой подогрева из платиновой проволоки ⌀ ≈ 30 мкм, сопротивлением ≈50 Ом в холодном состоянии и расположен между ПЭП 4 на расстоянии 10 мм от поверхности кристаллов. Нагреватель 3 закреплен между кронштейнами 6 с помощью шпилек.

Соленоид 2 намотан медным проводом ⌀ ≈0,5 мм. Число витков ≈ 600. Имеет экранировку от внешних полей. Амплитудное значение пульсирующего тока соленоида ≈40 мА, его частота ≈ 1 Гц, при этом амплитудное значение магнитного поля, создаваемого соленоидом 2 в датчике, ≈ 8-10 Э.

К испытуемой вакуумной системе датчик подключается в таком месте, чтобы обеспечить быстрое перемешивание газа между системой и датчиком.

Электрические выводы, идущие от теплового узла датчика, выполнены бифилярно. Датчик соединен экранированным электрическим кабелем длиной ≈ 4 м с вторичным электронным блоком. Вес датчика ≈ 1 кг. Вес вторичного электронного блока ≈ 5 кг, его размеры 350 х 220 х 150 мм.

Прибор для вакуумных испытаний работает следующим образом.

В режиме течеизмерения (определение суммарной негерметичности по скорости натекания атмосферного кислорода), возникающие в пульсирующем магнитном поле частотой ≈ 1 Гц пульсации теплопроводности кислородсодержащей газовой смеси, вызывают пульсации идущего от нагревателя 3 к ПЭП 4 теплового потока и, как следствие этого, возникают пульсации их средней температуры. Так как ПЭП 4 являются полярными диэлектриками, то в них возникают пульсации момента спонтанной поляризации

, в результате чего с их электродов снимается переменный ток частоты 1 Гц. После его усиления дифференциальным усилителем 7 постоянного тока переменный сигнал, ограниченный верхней частотой ≈10 Гц, поступает на синхронный детектор 10 течеизмерителя. При этом синхронный детектор 10, выполненный на транзисторных ключах, управляется опорным напряжением от источника 9 пульсирующего тока, выполненного в виде управляемого напряжением генератора, на который подается строго фиксированное значение постоянного напряжения. Генератор вырабатывает импульсы тока частоты ≈ 1 Гц, питающие соленоид 2 и управляющие работой синхронного детектора 10. После выпрямления синхронным детектором и его фильтрации сигнал наличия кислорода в виде постоянного тока измеряется показывающим прибором 12. Пороговая чувствительность к скорости натекания атмосферного кислорода (проградуированного по воздуху) составила 0,1-0,2 МТор воздуха в 1 ч, при рабочем давлении в датчике 10^-2-5˙10^-1 Тор.

При работе в режиме определения места течи течеискания возникающее при попадании в датчик пробного газа изменение теплопроводности газовой смеси вызывает изменение идущего от нагревателя 3 теплового потока и, как следствие этого, импульсное изменение температуры ПЭП 4. Аналогично описанному выше процессу возникает импульс тока, снимаемый с электродов ПЭП 4, который по соединительным проводам поступает на усилитель 7 и после усиления импульсный сигнал, ограниченный частотой ≈20 Гц, поступает на блок 11 сигнализации течеискания. В зависимости от амплитуды импульса, приходящего из датчика, источник 9 пульсирующего тока вырабатывает прерывистый сигнал звуковой частоты, являющийся сигналом наличия течи. Чем больше амплитуда импульса, тем выше частота прерывистого сигнала. При этом начинает работать оптическая и акустическая сигнализация. Количественной мерой величины обнаруженной течи (в делениях шкалы) являются показания стрелочного прибора 12, подключаемого к блоку 11 сигнализации. Пороговая чувствительность в режиме течеискания, измеренная по скорости натекания воздуха, составляет ≈ 0,1 МТор/ч при обдувании гелием (Не) и рабочих давлениях ≈ 10^-3-10^-1 Тор. Пороговая чувствительность к изменению концентрации гелия составляет примерно несколько ППМ.

При работе в режиме измерения общего давления используется принцип манометра Пирани, т.е. температурная зависимость сопротивления обмотки нагревателя 3 от давления остаточного газа в вакуумной камере 1. Так как нагреватель 3 включен в плечо моста Уитстона, питаемого источником 8 постоянного тока, то разбаланс моста, возникающий в результате изменения давления от 10^-3 до 5˙10^-1 Тор, усиливается усилителем 7 с частотой среза ≈3 Гц и регистрируется показывающим прибором 12. Чувствительность такого манометра к изменению общего давления примерно аналогична чувствительности термопарного вакуумметра ВИТ-1.

Применение прибора в качестве вакуумного тестера позволяет им одним заменить три вида измерительных приборов, что существенно упрощает весь процесс контроля за вакуумной плотностью.

Claims (6)

1. ПРИБОР ДЛЯ ВАКУУМНЫХ ИСПЫТАНИЙ, содержащий датчик, выполненный в виде вакуумной камеры, размещенной в соленоиде, плоского нагревателя, установленного в камере, первого пироэлектрического преобразователя, установленного в камере параллельно нагревателю, источник пульсирующего тока, соединенный с соленоидом, усилитель течеизмерения, настроенный на частоту источника пульсирующего тока, источник постоянного тока, соединенный с нагревателем, и показывающий прибор, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения наряду с контролем факта течи определение места течи и измерения давления, он снабжен дифференциальным усилителем постоянного тока, первый вход которого соединен с первым пироэлектрическим преобразователем, блоком сигнализации течеискания и вторым пироэлектрическим преобразователем, установленным в камере параллельно нагревателю симметрично первому пироэлектрическому преобразователю относительно нагревателя, второй пироэлектрический преобразователь соединен с вторым входом дифференциального усилителя, оба пироэлектрических преобразователя соединены с дифференциальным усилителем встречно и каждый из них теплоизолирован относительно корпуса камеры, нагреватель образует плечо моста Уитстона, одна диагональ которого соединена с источником постоянного тока, измерительная диагональ соединена с третьим входом дифференциального усилителя и является измерителем давления, дифференциальный усилитель выполнен с коммутирующим устройством на выходе с возможностью попеременного подключения к его выходу усилителя течеизмерения, блока сигнализации течеискания и показывающего прибора.

2. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что коммутирующее устройство выполнено в виде регулятора частоты среза.

3. Прибор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что усилитель течеизмерения включает синхронный детектор, соединенный с источником пульсирующего тока.

4. Прибор по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что каждый из пироэлектрических преобразователей имеет экранирующий цилиндр.

5. Прибор по пп. 1 и 4, отличающийся тем, что дифференциальный усилитель выполнен на принципе МДМ.

6. Прибор по пп. 1 и 5, отличающийся тем, что источник пульсирующего тока выполнен в виде генератора с управляемым напряжением.