RU2680159C1 - Method for determining volumes of closed cavities - Google Patents
Method for determining volumes of closed cavities Download PDFInfo
- Publication number
- RU2680159C1 RU2680159C1 RU2018103223A RU2018103223A RU2680159C1 RU 2680159 C1 RU2680159 C1 RU 2680159C1 RU 2018103223 A RU2018103223 A RU 2018103223A RU 2018103223 A RU2018103223 A RU 2018103223A RU 2680159 C1 RU2680159 C1 RU 2680159C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pressure
- gas
- volume
- calibrated
- volumes
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 65
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 50
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 24
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 18
- 238000003795 desorption Methods 0.000 claims description 8
- 238000000611 regression analysis Methods 0.000 claims description 6
- 238000013213 extrapolation Methods 0.000 claims description 5
- 238000002791 soaking Methods 0.000 claims description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 4
- 238000010219 correlation analysis Methods 0.000 claims description 4
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 claims description 2
- 102000010410 Nogo Proteins Human genes 0.000 claims 1
- 108010077641 Nogo Proteins Proteins 0.000 claims 1
- 239000010802 sludge Substances 0.000 claims 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 abstract description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 239000011148 porous material Substances 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 138
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 14
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 9
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000012067 mathematical method Methods 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 239000012229 microporous material Substances 0.000 description 2
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 238000002336 sorption--desorption measurement Methods 0.000 description 2
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000809 Alumel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000009133 cooperative interaction Effects 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 1
- 238000010943 off-gassing Methods 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F17/00—Methods or apparatus for determining the capacity of containers or cavities, or the volume of solid bodies
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L23/00—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L27/00—Testing or calibrating of apparatus for measuring fluid pressure
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения объемов замкнутых герметизированных полостей в различных сложных системах, используемых в вакуумной технике, в том числе в установках с размещением внутри их объемов пористых материалов и/или элементов конструкций из них.The invention relates to measuring equipment and can be used to measure volumes of closed sealed cavities in various complex systems used in vacuum technology, including installations with placement of porous materials and / or structural elements from them inside their volumes.
Известен способ определения объемов емкостей, при котором перед прямым и обратным перепусками газа давление в емкости, из которой газ перепускают, устанавливают выше давления перепуска, а емкость, в которую перепускают - ниже давления перепуска с последующими одинаковыми выдержками по времени при этих давлениях. При этом температура газа емкости, из которой газ перепускают, понижается относительно средней температуры газа в системе, а в емкости, в которую газ перетекает -повышается. Авторское свидетельство №939945, МПК G01F 17/00, 30.06.1982.A known method for determining the volume of containers, in which before direct and reverse bypasses of gas, the pressure in the tank from which the gas is bypassed is set above the bypass pressure, and the tank into which is bypassed is set below the bypass pressure with subsequent identical time delays at these pressures. In this case, the temperature of the gas in the tank from which the gas is bypassed decreases relative to the average temperature of the gas in the system, and in the tank into which the gas flows, it rises. Copyright certificate No. 939945, IPC G01F 17/00, 06/30/1982.
Считается, что данное обстоятельство при одинаковом времени, затрачиваемом на определение объема емкости, позволяет повысить точность измерений. Однако выдержка по времени при его неверно заданных (подобранных) значениях, может негативным образом отразиться на результатах, поскольку времена необходимые для наступления равновесия газа при объединении емкостей, т.е. когда давления в них равны, зависят 1) от соотношения объемов, задействованных (участвующих) в измерениях, а кроме того, 2) от пропускной способности каналов, через которые газ перетекает, 3) проводимости запорно-регулирующего органа (клапана), разделяющего емкости при перепуске и 4) от времени его открытия. Это в свою очередь может вносить неопределенность в результат измерения вследствие появления различий в условиях протекания теплообмена.It is believed that this circumstance, with the same time spent on determining the volume of the tank, can improve the accuracy of measurements. However, the time delay at its incorrectly set (selected) values can negatively affect the results, since the times necessary for the gas to come to equilibrium when the containers are combined, i.e. when the pressures in them are equal, they depend 1) on the ratio of the volumes involved (participating) in the measurements, and in addition, 2) on the throughput of the channels through which the gas flows, 3) the conductivity of the shut-off regulating body (valve), which separates the capacities at bypass and 4) from the time of its opening. This, in turn, can introduce uncertainty into the measurement result due to differences in the conditions of heat exchange.
Аналогичные недостатки могут проявляться и в случае использования способа определения объемов емкостей, при котором в калиброванном объеме создают избыточное давление по отношению к измеряемой емкости, регистрируемое приборами измерения давления, после чего с помощью клапана осуществляют перепуск газа из калиброванной емкости в измеряемую с последующей регистрацией давления в емкостях, затем в измерительной емкости создают избыточное давление по отношению к калиброванной и осуществляют обратный перепуск газа из измеряемой емкости при этом давление в измеряемой емкости и перепад давлений между емкостями перед обратным перепуском поддерживают равными давлению в калиброванной емкости и перепаду давлений между емкостями перед прямым перепуском, а определение искомой величины осуществляют по известной формуле (1):Similar disadvantages can occur in the case of using the method of determining the volume of containers, in which an overpressure is created in the calibrated volume with respect to the measured capacitance, recorded by pressure measuring instruments, after which the gas is transferred from the calibrated container to the measured one with the help of a valve, followed by pressure registration tanks, then in the measuring tank create excess pressure in relation to the calibrated and carry out the reverse bypass of gas from the measured tank the pressure in the measured tank and the pressure drop between the tanks before the bypass are maintained equal to the pressure in the calibrated tank and the pressure drop between the tanks before the direct bypass, and the determination of the desired value is carried out according to the well-known formula (1):
где Vизм, Vk - объемы измеряемой и калиброванной емкостей, Pk, Ризм -давление в калиброванной и измеряемой емкостях перед прямым перепуском, Р - установившееся давление в системе после прямого перепуска, - давление в калиброванной и измеряемой емкостях перед обратным перепуском, - установившееся давление в системе после обратного перепуска. Авторское свидетельство №714156, МПК G01F 17/00, 05.02.1980. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.where V MOD, V k - volumes measured and calibrated containers, P k, P is the pressure in the edited calibrated and measured capacitance to a direct bypass, P - steady pressure in the system after the direct bypass, - pressure in calibrated and measured containers before return bypass, - steady-state pressure in the system after the return bypass. Copyright certificate No. 714156, IPC G01F 17/00, 02/05/1980. This technical solution was made as a prototype.
Кроме того, данный способ является недостаточно точным в виду погрешности, вносимой из-за отсутствия учета возможного проявления теплового эффекта, связанного с изменением температуры при перепусках, когда истечение газа не является квазистатическим изотермическим процессом. Возникновение возможных нарушений термодинамического баланса между емкостями в процессе экспансии газа, обусловленных установлением различных режимов течения, при различных уровнях давлений без обеспечения необходимого контроля за температурными изменениями в рассматриваемой системе вызывает появление систематических ошибок при определении искомого объема, для устранения которых требуется введение соответствующих корреляционных поправок.In addition, this method is not accurate enough in view of the error introduced due to the lack of consideration of the possible manifestation of the thermal effect associated with temperature changes during bypasses, when the gas outflow is not a quasistatic isothermal process. The occurrence of possible disturbances in the thermodynamic balance between containers during gas expansion caused by the establishment of different flow regimes at different pressure levels without providing the necessary control over temperature changes in the system under consideration causes systematic errors in determining the desired volume, the elimination of which requires the introduction of appropriate correlation corrections.
Более того, в обоих случаях не учитываются побочные явления, связанные с адсорбционно-десорбционными процессами, проявление которых наиболее выражено в системах при сравнительно низких давлениях (в условиях высокого вакуума), особенно при определении объема микропористых материалов в технологических емкостях (авторское свидетельство №1818540, МПК G01F 17/00, 30.05.1993).Moreover, in both cases side effects associated with adsorption-desorption processes are not taken into account, the manifestation of which is most pronounced in systems at relatively low pressures (under high vacuum), especially when determining the volume of microporous materials in technological containers (copyright certificate No. 1818540, IPC G01F 17/00, 05/30/1993).
Определенные трудности, связанные с появлением сравнительно больших погрешностей, возникают при определении объемов, входящих в состав сложных полиблочных вакуумных систем, состоящих из n-го количества объемов. Особенно проблемными в практическом аспекте являются измерения, проводимые со свободными объемами у конструкций с относительно малыми вместимостями, примыкающими к объемам, которые могут быть больше по величине на несколько порядков. Более того, у отдельных конструкций из числа данных объемов в силу их специфичности (формы и характерных размеров) сообщение с другими объемами, нередко размещаемых в рабочем техническом пространстве системы на сравнительно большом удалении друг от друга, может обеспечиваться лишь через элементы малой проводимости, например, посредством узких каналов переменного сечения, что сильно затрудняет получение адекватных результатов измерений, из-за сравнительно большой продолжительности, требуемой для достижения условий максимальной однородности (изотропности) распределения газа в объемах. В дополнение к этому, при появлении температурных различий между объемами, соединяемых узкими трубопроводами, в процессе перепусков в условиях молекулярного режима возникает явление тепловой эффузии (термомолекулярного течения) [Г. Левин. Основы вакуумной техники, пер. с англ. - М.: Энергия, 1969. - С. 15], при котором давления газа в данных объемах перераспределяются пропорционально корню квадратному из температуры. При этом изменение температуры газа может возникнуть непосредственно в процессе измерений, например, за счет адиабатического расширения реального газа в теплоизолированных вакуумных системах, ведущего к понижению температуры на стороне разрежения.Certain difficulties associated with the appearance of relatively large errors arise in determining the volumes included in complex multiblock vacuum systems consisting of the nth number of volumes. Particularly problematic in the practical aspect are measurements carried out with free volumes for structures with relatively small capacities adjacent to volumes that can be several orders of magnitude larger. Moreover, in individual structures from among these volumes, due to their specificity (shape and characteristic dimensions), communication with other volumes, often placed in the working technical space of the system at a relatively large distance from each other, can be provided only through elements of low conductivity, for example, through narrow channels of variable cross-section, which greatly complicates obtaining adequate measurement results, due to the relatively long duration required to achieve maximum conditions of clarity (isotropic) gas distribution volumes. In addition to this, with the appearance of temperature differences between the volumes connected by narrow pipelines, during the bypasses under the conditions of the molecular regime, the phenomenon of thermal effusion (thermomolecular flow) occurs [G. Levin. Fundamentals of vacuum technology, trans. from English - M .: Energia, 1969. - P. 15], in which the gas pressures in these volumes are redistributed in proportion to the square root of the temperature. In this case, a change in gas temperature can occur directly in the measurement process, for example, due to adiabatic expansion of real gas in thermally insulated vacuum systems, leading to a decrease in temperature on the rarefaction side.
Следует также отметить, что следствием увеличения хронометража перепуска может являться повышение концентрации накапливаемых побочных газов от газовыделения и натекания в объемах, идентифицирование и соответствующий учет которых без специальных средств и методических приемов затрудняет решение данной задачи.It should also be noted that the increase in bypass timing can result in an increase in the concentration of accumulated by-products from gas evolution and leakage in volumes, the identification and corresponding accounting of which without special tools and methodological techniques makes it difficult to solve this problem.
Невысокая точность результатов косвенных измерений, также может быть обусловлена либо недостаточностью сведений, либо недостоверностью данных об отдельных характеристиках тепло- и массообмена, от которых зависит режим течения газа в рассматриваемой системе. Кроме ранее упомянутых температуры газа и окружающих его стенок к ним относятся:The low accuracy of the results of indirect measurements can also be due to either insufficient information or inaccurate data on individual characteristics of heat and mass transfer, on which the gas flow regime in the system under consideration depends. In addition to the previously mentioned temperature of the gas and the walls surrounding it, they include:
1) перепад давлений на концах отдельных участков и в целом самой системы, 2) абсолютное давление, 3) вязкость (внутреннее трение газа), 4) взаимодействие молекул газа с твердой поверхностью.1) the pressure differential at the ends of individual sections and the system as a whole, 2) absolute pressure, 3) viscosity (internal friction of the gas), 4) the interaction of gas molecules with a solid surface.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и достоверности при определении объемов замкнутых полостей, особенно сравнительно малых вместимостей произвольной формы, входящих в состав сложных вакуумных систем и установок.The technical result of the invention is to increase the accuracy and reliability in determining the volume of closed cavities, especially relatively small containers of arbitrary shape, which are part of complex vacuum systems and installations.
Технический результат достигается тем, что в способе определения объемов замкнутых полостей, являющихся герметизированными жесткими конструкциями, заключающемся в перепускании газа из калиброванной емкости в измерительную и измерении давления в этих емкостях с последующим осуществлением обратного перепуска газа из измерительной емкости в калиброванную, при котором давление в измерительной емкости перед обратным перепуском поддерживают равным давлению в калиброванной емкости перед прямым перепуском, вакуумируют объединенный объем, состоящий из последовательно подсоединенных измерительного объема, одного или более вспомогательных объемов и калиброванного объема, разделяемых посредством регулирущих клапанов, в калиброванном объеме создают давление контрольного газа сравнительно высокого давления заданной величины, измеряемого преобразователем давления абсолютного действия с диапазоном измерений в области сравнительно высокого давления, исходя из условия, что после перепуска газа в объединенном объеме должно установится равновесное давление, соответствующее условиям молекулярного режима течения (Kn>0,33 - число Кнудсена), созданную порцию газа выдерживают в калиброванном объеме с заданной экспозицией, а параллельно с выдержкой вспомогательный и измерительный объемы подвергают вакуумированию, глубина вакуума в которых определяется заданным уровнем разрежения, регистрируемого широкодиапазонным манометрическим преобразователем, одновременно с проведением измерений давления осуществляют регистрацию температуры газа в данных объемах, до истечения выдерживаемого экспозиционного отрезка вакуумирование вспомогательного и измерительного объемов одновременно прекращают и в заданный момент осуществляют прямой перепуск порции газа из калиброванного объема в вышеуказанные объемы, контроль над давлением и температурой после перепуска осуществляют до установления линейного нарастания выходного сигнала, поступающего с манометрического преобразователя абсолютного действия с диапазоном измерения в области сравнительно низкого давления, затем производят совместное вакуумирование объединенного объема до значения, не превышающего заданного уровня разрежения, по его достижении откачку калиброванного объема перекрывают на время, равного по продолжительности интервалу выдержки в данном объеме порции с давлением контрольного газа заданной ранее величины и повторяют операции, которые непосредственно связаны с перепуском газа, но уже накопленного в результате процессов десорбции и натекания, проводимых в том же временном интервале, далее повторно осуществляют все вышеуказанные операции, используя при создании порций уже измерительный объем, при подготовке газовой порции к обратному перепуску в последнем обеспечивают установление давления контрольного газа, равного по величине давлению, подготовленного в калиброванном объеме для прямого перепуска, с проведением вакуумирования вспомогательного и калиброванного объемов в интервалах между перепусками до достижения уровня фоновых концентраций, не превышающего ранее заданного значения, при этом, если при выбранном уровне давления контрольного газа в создаваемых порциях в калиброванном и измерительном объемах достигаемое давление после прямого и обратного перепусков не будет соответствовать уровню разрежения, характерному для возникновения молекулярных условий и/или оно не превысит минимального достоверного уровня выходного сигнала манометрического преобразователя абсолютного действия с диапазоном измерения в области сравнительно низкого давления, то путем соответствующего подбора или расчета давление контрольного газа в порциях коррелируют до необходимого уровня с повторением всех вышеобозначенных операций, по полученным результатам строят график концентрационной зависимости от времени, методом наименьших квадратов производят аппроксимацию участков графика, характеризуемых «фоновым» и «полезным» сигналами, находят соответствующие приращения или разницу давлений газа, отнесенные путем экстраполяции на момент времени начала прямого и обратного перепусков порций, а определение искомой величины осуществляют по следующей формуле:The technical result is achieved by the fact that in the method for determining the volume of closed cavities, which are sealed by rigid structures, which consists in transferring gas from a calibrated tank to a measuring tank and measuring pressure in these tanks, followed by a reverse gas bypass from the measuring tank to a calibrated one, at which the pressure in the measuring tanks before reverse bypass are maintained equal to the pressure in the calibrated tank before direct bypass, vacuum the combined volume m, consisting of a series-connected measuring volume, one or more auxiliary volumes and a calibrated volume, separated by control valves, in a calibrated volume create a pressure of a comparative gas of relatively high pressure of a given value, measured by an absolute pressure transducer with a measurement range in the region of relatively high pressure, proceeding from the condition that, after gas bypass, an equilibrium pressure corresponding to under the conditions of the molecular flow regime (Kn> 0.33 is the Knudsen number), the created portion of gas is kept in a calibrated volume with a given exposure, and in parallel with the exposure, the auxiliary and measuring volumes are subjected to evacuation, the vacuum depth in which is determined by the specified level of rarefaction recorded by a wide-range gauge the transducer, at the same time as conducting pressure measurements, record the temperature of the gas in these volumes, until the expiration of the exposure period evacuation of the auxiliary and measuring volumes is simultaneously stopped and, at a given moment, a portion of the gas is directly transferred from the calibrated volume to the above volumes, the pressure and temperature are controlled after the bypass until a linear increase in the output signal from the absolute pressure gauge with a measurement range in the relatively low pressure, then produce joint evacuation of the combined volume to a value not exceeding at a predetermined vacuum level, upon reaching it, the evacuation of the calibrated volume is blocked for a time equal to the duration of the soaking interval in the given volume of the portion with the control gas pressure of the previously set value and the operations are repeated that are directly related to the gas bypass, but already accumulated as a result of desorption processes and leaks carried out in the same time interval, then re-carry out all the above operations, using the measuring volume when creating the portions, in preparation gas portions to the return bypass in the last one provide the establishment of the control gas pressure equal to the pressure prepared in the calibrated volume for direct bypass, with the auxiliary and calibrated volumes being evacuated in the intervals between bypasses until the background concentration level does not exceed the previously set value, at this, if at a selected level of pressure of the control gas in the created portions in the calibrated and measuring volumes, the achieved pressure after direct and reverse bypasses will not correspond to the rarefaction level characteristic of the occurrence of molecular conditions and / or it will not exceed the minimum reliable level of the output signal of the absolute pressure gauge with the measuring range in the region of relatively low pressure, then by appropriate selection or calculation of the control gas pressure in portions correlate to the required level with the repetition of all the above operations, according to the results build a graph of concentration As a function of time, the least squares are used to approximate the sections of the graph characterized by "background" and "useful" signals, find the corresponding increments or difference in gas pressures attributed by extrapolation to the time of the beginning of the forward and reverse bypass portions, and determine the desired value by following formula:
где ΔР1, ΔP1 ' - значения приращения сигналов манометрического преобразователя абсолютного действия с диапазоном измерений в области сравнительно низкого давления после экспансии контрольного и фонового побочного газа, соответственно, из калиброванного во вспомогательный объем, включая так же и измерительный, полученных методами корреляционно-регрессионного анализа, отнесенных на начало прямого перепуска порций, Па; ΔР2, ΔР2 ' - значения приращения сигналов манометрического преобразователя абсолютного действия с диапазоном измерений в области сравнительно низкого давления после экспансии контрольного и фонового побочного газа, соответственно, из измерительного во вспомогательный объем, включая так же и калиброванный, полученных методами корреляционно-регрессионного анализа, отнесенных на начало обратного перепуска порций, Па; Vк - вместимость калиброванного объема, м3, Vизм - вместимость измерительного объема, м3; T1 - температура газа и стенок калиброванного объема перед прямым перепуском, K, Т2 - температура газа и стенок измерительного объема перед обратным перепуском, K.where ΔР 1 , ΔP 1 ' are the increment values of the signals of the absolute pressure gauge with a measurement range in the region of relatively low pressure after the expansion of the control and background side gas, respectively, from the calibrated to the auxiliary volume, including the measured one, obtained by correlation and regression methods analysis attributed to the beginning of direct portion bypass, Pa; ΔР 2 , ΔР 2 ' are the increment values of the signals of the absolute pressure gauge with a measurement range in the region of relatively low pressure after the expansion of the control and background side gas, respectively, from the measurement to the auxiliary volume, including the calibrated one, obtained by correlation and regression analysis attributed to the beginning of the reverse bypass of portions, Pa; V to - the capacity of the calibrated volume, m 3 , V ISM - the capacity of the measuring volume, m 3 ; T 1 - temperature of the gas and the walls of the calibrated volume before the direct bypass, K, T 2 - temperature of the gas and the walls of the measuring volume before the direct bypass, K.
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации способа определения объемов замкнутых полостей, где: 1 - измерительный объем; 2 - высоковакуумный регулирующий клапан; 3 - манометрический преобразователь абсолютного действия с диапазоном измерения в области сравнительно низкого давления; 4 - вспомогательный (технологический) объем; 5 - манометрический преобразователь абсолютного действия с диапазоном измерения в области сравнительно высокого давления; 6 - высоковакуумный регулирующий клапан; 7 - калиброванный объем; 8 - дозатор газа (натекатель); 9 - высоковакуумный регулирующий клапан; 10 - широкодиапазонный манометрический преобразователь; 11 - турбомолекулярный высоковакуумный насос; 12 - регулирующий клапан; 13 - регулирующий клапан; 14 - датчик низкого вакуума; 15 - форвакуумный насос.In FIG. 1 shows a diagram of a device for implementing the method for determining the volume of closed cavities, where: 1 - measuring volume; 2 - high vacuum control valve; 3 - absolute pressure gauge with a measuring range in the field of relatively low pressure; 4 - auxiliary (technological) volume; 5 - absolute pressure gauge with a measuring range in the field of relatively high pressure; 6 - high vacuum control valve; 7 - calibrated volume; 8 - gas dispenser (leak); 9 - high vacuum control valve; 10 - wide-range pressure gauge; 11 - turbomolecular high vacuum pump; 12 - control valve; 13 - control valve; 14 - low vacuum sensor; 15 - foreline pump.
На фиг. 2 представлены теоретические кривые изменения давления контрольного газа при увеличении его объема во времени с учетом заданных интегральных потоков от газовыделения и натекания во вспомогательных объемах - на графике кривые а) и с) с потоками 1,0⋅10-7 Па⋅м3/с и 5,0⋅10-9 Па⋅м3/с, соответственно, и измерительном объеме - кривые b) и d) с интегральными потоками 1,0⋅10-7 Па⋅м3/с и 1,0⋅10-9 Па⋅м3/с с временем выдержки в 1 мин при заданном значении проводимости канала между объемами 2,304⋅10-6 м3/с (соответствует проводимости трубки для молекулярных условий с внутренним диаметром 1,5 мм и линейным размером 26,7 мм, при комнатной температуре (Т=293 K) для контрольного газа-неона (массовое число М/е=20)).In FIG. Figure 2 shows the theoretical curves of the pressure change of the control gas with an increase in its volume over time, taking into account the specified integral flows from gas evolution and leakage in auxiliary volumes — curves a) and c) with flows of 1.0⋅10 -7 Pa⋅m 3 / s on the graph and 5.0⋅10 -9 Pa⋅m 3 / s, respectively, and the measuring volume - curves b) and d) with integral flows 1.0⋅10 -7 Pa⋅m 3 / s and 1.0⋅10 - 9 Pa⋅m 3 / s with a holding time of 1 minute at a given value of conductivity of the channel between the volumes 2,304⋅10 -6 m 3 / s (corresponding to conduction tube molecular conditional minutes with an inner diameter of 1.5 mm and a linear dimension of 26.7 mm at room temperature (T = 293 K) for the control-neon gas (mass number M / z = 20)).
На фиг. 3 представлена суперпозиция из типовых графиков динамик изменения давления, характеризующего основные процессы в системе, связанные с прямым и обратным перепусками контрольного газа, зарегистрированных с помощью преобразователя давления абсолютного действия (кривая е) и ионизационного датчика полного давления (кривая f) при определении величины измерительного объема в вакуумной системе установки УФКГ.In FIG. Figure 3 shows a superposition of typical graphs of the pressure change dynamics characterizing the main processes in the system associated with direct and reverse bypasses of the control gas recorded using an absolute pressure transducer (curve e) and an ionization full pressure sensor (curve f) when determining the value of the measuring volume in the vacuum system of the UVKG installation.
На фиг. 4 представлена иллюстрация типового графика изменения значений полного давления, характеризующего основные процессы в системе, связанные с прямым и обратным перепусками газа с временем выдержки 5 мин, при проведении процедуры определения объема измерительной емкости на установке УФКГ с графическим представлением результатов аппроксимации и экстраполяции функции давления P=F(t) в начальный момент отсчета времени (t=0), полученной математическими методами с использованием линейной модели (P=F(t)=a⋅X+B).In FIG. Figure 4 presents an illustration of a typical graph of the change in the total pressure values characterizing the main processes in the system associated with direct and reverse gas bypasses with a holding time of 5 min during the procedure for determining the volume of the measuring capacitance at the UFKG unit with a graphical representation of the results of approximation and extrapolation of the pressure function P = F (t) at the initial time (t = 0), obtained by mathematical methods using a linear model (P = F (t) = a⋅X + B).
Отличительной особенностью предлагаемого способа по сравнению с прототипом является то, что при расчетах используются именно приращения давления, определяемые с помощью методов регрессионного анализа, и последующей экстраполяции получаемых функциональных зависимостей за пределы заданного интервала времени, границей которого является начало прямого и обратного перепусков порций, т.е. когда газ еще не начал распространяться по объединенному объему. При этом перепады давления между емкостями, при равенстве давлений контрольного газа в калиброванной и измерительной емкостях, перед прямым и обратным перепусками могут отличаться (быть не равными) между собой. Использование вышеуказанного приращения на момент перепуска ведет к повышению достоверности получаемых результатов ввиду того, что в предлагаемом способе учитывается фактор наличия температурных полей газа в объемах при измерениях. Так как возможные различия в температурах газа в объемах до и после перепуска вносят в результаты измерений дополнительные погрешности, значение определяемого приращения давления, отнесенного на начальный момент перепуска (прямого/обратного), способствует повышению точности искомого результата, поскольку объемы, участвующие в процессе измерений, на данный отрезок времени для корректной реализации способа должны находиться в условиях термодинамического баланса, то есть при равенстве их температур, определяемых температурой нетермостатированной окружающей среды.A distinctive feature of the proposed method in comparison with the prototype is that it is the pressure increments determined using the methods of regression analysis and the subsequent extrapolation of the obtained functional dependencies beyond the specified time interval, the boundary of which is the beginning of the forward and reverse bypass portions, t. e. when the gas has not yet begun to spread through the combined volume. In this case, the pressure drops between the tanks, when the pressure of the control gas in the calibrated and measuring tanks is equal, before the direct and reverse bypasses can differ (be not equal) with each other. The use of the above increment at the time of bypass leads to an increase in the reliability of the results due to the fact that the proposed method takes into account the factor of the presence of temperature fields of gas in volumes during measurements. Since possible differences in gas temperatures in volumes before and after the bypass introduce additional errors into the measurement results, the value of the determined pressure increment, referred to the initial moment of bypass (forward / reverse), improves the accuracy of the desired result, since the volumes involved in the measurement process for a given period of time for the correct implementation of the method should be in conditions of thermodynamic balance, that is, with the equality of their temperatures, determined by the temperature of the non-thermal atirovannoy environment.
Достоверность получаемых результатов также обеспечивается и за счет того, что в условиях аддидивности процессов, протекающих во времени, значения приростов давления свободны от дополнительных погрешностей, обусловленных влиянием со стороны потоков десорбции и натекания в калиброванном и измерительном объемах, поскольку являются воспроизводимыми процессами, взаимокомпенсируемыми при расчетах. Вместе с тем методически учтено влияние и со стороны неисключаемых искажений фоновых характеристик из-за возможного проявления сорбционных явлений, особенно если в системе размещены микропористые материалы.The reliability of the obtained results is also ensured due to the fact that under the additivity of processes occurring over time, the pressure increment values are free from additional errors due to the influence of desorption and leakage flows in calibrated and measuring volumes, since they are reproducible processes that are mutually compensated in the calculations . At the same time, the influence of non-excluded distortions of the background characteristics due to the possible manifestation of sorption phenomena, especially if microporous materials are placed in the system, is methodically taken into account.
В дополнение к вышесказанному, повышению точности способствует учет влияния газовых побочных компонентов за счет трибологического эффекта, проявляемого локально на участках поверхностей пары трения «клапан-седло», при котором с трущихся поверхностей наблюдается трибостимулированная десорбция сорбированных ранее молекул, образующихся при перепуске в момент открытия клапана, а также высвобождаемых из связанного состояния газов с поверхности сильфонного ввода клапана при сжатии (растяжении) сильфона.In addition to the foregoing, the accuracy is enhanced by taking into account the influence of gas side components due to the tribological effect exerted locally on the surface areas of the valve-saddle friction pair, in which tribostimulated desorption of previously adsorbed molecules formed during bypass at the moment of valve opening is observed from rubbing surfaces , as well as gases released from the bound state from the surface of the bellows input of the valve during compression (tension) of the bellows.
Более того, изменена принципиальная схема установки для определения объемов замкнутых полостей: вместо двух объемов в системе имеет место наличие вспомогательных (технологических) емкостей, имеющихся практически во всех вакуумных системах, при этом не оказывающих никакого негативного влияния на точность измерений при соблюдении определенных условий. Следует отметить, что в молекулярных условиях отношение давлений не зависит от числа соединяемых емкостей. Более того, если между измерительным и калиброванным объемами, находящимися в одинаковых температурных условиях установить дополнительные емкости, имеющие другую температуру, то это никак не повлияет на давления в измерительном и калиброванном объемах [Розанов Л.Н. Вакуумная техника. Учебник для вузов по специальности «Вакуумная техника». - М.: Высшая школа, 1990. - С. 56] с учетом того, что датчик давления при этом должен находиться вне зоны вспомогательных объемов. Однако наличие дополнительной газовой среды (нагрузки) во вспомогательных объемах накладывает определенные дополнительные ограничения на выполнение процедур предлагаемого способа (см. далее).Moreover, the circuit diagram of the installation for determining the volumes of closed cavities has been changed: instead of two volumes, the system has auxiliary (technological) containers available in almost all vacuum systems, while not exerting any negative effect on the accuracy of measurements under certain conditions. It should be noted that under molecular conditions the pressure ratio does not depend on the number of connected containers. Moreover, if additional containers having a different temperature are installed between the measured and calibrated volumes that are in the same temperature conditions, this will not affect the pressure in the measured and calibrated volumes [Rozanov L.N. Vacuum technology. Textbook for high schools in the specialty "Vacuum technology". - M .: Higher school, 1990. - S. 56], taking into account the fact that the pressure sensor should be outside the zone of auxiliary volumes. However, the presence of additional gas medium (load) in auxiliary volumes imposes certain additional restrictions on the implementation of the procedures of the proposed method (see below).
Предлагаемый способ определения объемов позволяет повысить точность и достоверность результатов измерений, особенно при реализации способа на непрогреваемых вакуумных системах сложной конструкции.The proposed method for determining volumes allows to increase the accuracy and reliability of the measurement results, especially when implementing the method on unheated vacuum systems of complex design.
Для осуществления предлагаемого способа, чтобы избежать внесения дополнительной неучтенной погрешности, измерения необходимо проводить либо при относительно медленно измененяемых условиях окружающей среды, либо при постоянстве их параметров, в частности, температуры (в пределах комнатных показателей) и атмосферном давлении. Значения температур контрольного газа близких по значениям к условиям комнатных температур при прямом и обратном перепусках могут отличаться, но в каждом из этих случаев температура газа перед каждым таким перепуском должна быть равна температуре окружающих его стенок, а также стенок объемов и трубопроводов по пути его следования, включая температуры манометрических преобразователей давления абсолютного действия. Кроме того, температурные параметры системы при соответствующих перепусках (сбросах) накопленных порций из одноименных объемов с газовой средой, появление которой вызвано наличием потоков от десорбции и натекания, также должны в точности соотноситься со значением температуры контрольного газа при прямом и обратном перепусках, соответственно.To implement the proposed method, in order to avoid introducing additional unaccounted for errors, measurements must be carried out either under relatively slowly changing environmental conditions, or with constant parameters, in particular, temperature (within room indicators) and atmospheric pressure. The temperatures of the control gas, which are close in value to the conditions of room temperatures for direct and reverse bypasses, may differ, but in each of these cases the temperature of the gas before each such bypass should be equal to the temperature of the walls surrounding it, as well as the walls of the volumes and pipelines along its route, including temperature gauge absolute pressure transmitters. In addition, the temperature parameters of the system with the corresponding bypasses (discharges) of the accumulated portions from the same volumes with the gaseous medium, the appearance of which is caused by the presence of flows from desorption and leakage, must also be exactly correlated with the temperature of the control gas for direct and reverse bypasses, respectively.
При молекулярном режиме равновесное давление газовой среды в объемах, устанавливаемое после перепуска с учетом газовыделений и натекания, за счет поступления воздушных компонентов через течи, определяется температурой окружающих стенок, поскольку межмолекулярные столкновения отсутствуют, т.е. существует термодинамическое равновесие газа и окружающей среды. При оперативном (быстром) открытии запорно-регулирующего клапана процесс расширения газа быстротечен, и теплообмен газа с окружающей средой практически отсутствует, т.е. Q=0, при этом в неизменяемом объединенном объеме газ не совершает ни какой работы (А=0). В соответствии с первым законом термодинамики (Q=ΔU+A), при Q=0 и А=0 изменения внутренней энергии газа в такой системе нет, а применительно к идеальному газу в такой системе нет и изменения температуры. Для реального газа при адиабатическом расширении в вакуум (как ранее отмечалось) температура газа изменяется в сторону его охлаждения, поэтому изменяется и равновесное давление в системе. В этой связи, в качестве контрольного газа при реализации предлагаемого способа рекомендуется применять одноатомные - благородные (инертные) газы (Не, Ne, Ar), которые максимально близки к состоянию идеального газа. Но поскольку, как ранее уже было отмечено, температуры стенок вышеуказанных камер перед прямым и обратным перепусками могут отличаться (например, в виду сравнительно долгой продолжительности цикла измерения и дрейфа температурных параметров окружающей среды при этом), и, кроме того, изменения температуры газа могут последовать непосредственно в процессе перепусков под действием перепада давлений при течении газа через узкий канал (эффект Джоуля-Томсона), в предлагаемом способе данные несоответствия учитываются и, более того, частично исключаются на основе приводимых аналитических выкладок и следующих рассуждений.In the molecular regime, the equilibrium pressure of the gaseous medium in the volumes established after the bypass taking into account gas evolution and leakage due to the inflow of air components through the leaks is determined by the temperature of the surrounding walls, since there are no intermolecular collisions, i.e. There is a thermodynamic balance of gas and the environment. With the rapid (quick) opening of the shut-off and control valve, the gas expansion process is quick and gas exchange with the environment is practically absent, i.e. Q = 0, while in the unchanged combined volume the gas does not perform any work (A = 0). In accordance with the first law of thermodynamics (Q = ΔU + A), for Q = 0 and A = 0 there is no change in the internal energy of the gas in such a system, and with respect to an ideal gas in such a system there is no change in temperature. For a real gas during adiabatic expansion into vacuum (as previously noted), the gas temperature changes in the direction of its cooling; therefore, the equilibrium pressure in the system also changes. In this regard, as a control gas in the implementation of the proposed method, it is recommended to use monatomic - noble (inert) gases (He, Ne, Ar), which are as close as possible to the state of an ideal gas. But since, as previously noted, the wall temperatures of the above chambers before direct and reverse bypasses may differ (for example, due to the relatively long measurement cycle and the drift of the ambient temperature parameters in this case), and, in addition, changes in gas temperature can follow directly in the process of bypasses under the action of a pressure drop during gas flow through a narrow channel (Joule-Thomson effect), in the proposed method, these inconsistencies are taken into account and, moreover, partially are excluded on the basis of the presented analytical calculations and the following reasoning.
Создаваемые газовые порции контрольного газа в измерительном Vизм и калиброванном Vк объемах при вязкостных условиях (создание газовых порций в молекулярных условиях нецелесообразно из-за увеличения погрешности измерения), соответственно, можно выразить в виде следующих формул:The generated gas portions of the control gas in the measuring V ISM and calibrated V to volumes under viscous conditions (the creation of gas portions in molecular conditions is impractical due to the increase in measurement error), respectively, can be expressed as the following formulas:
где P1, Р2/n1, n2 - давления/концентрации молекул контрольного газа в калиброванном и измерительном объемах, соответственно; k - постоянная Больцмана.where P 1 , P 2 / n 1 , n 2 - pressure / concentration of the molecules of the control gas in the calibrated and measuring volumes, respectively; k is the Boltzmann constant.
Следует обратить внимание на то, что в условиях вязкостного режима при разных температурах газа давления в объемах могут быть равными, а концентрации - различными [Я. Грошковский. Техника высокого вакуума, пер. В.Л. Булата, - М.: Мир, 1975, - С. 56].It should be noted that under the viscous regime at different gas temperatures, the pressure in the volumes can be equal, and the concentrations can be different [I. Groshkovsky. High vacuum technology, trans. V.L. Bulat, - M.: Mir, 1975, - S. 56].
После перепуска на основе уравнения Клапейрона (без учета побочных газовых процессов) можно записатьAfter the bypass, based on the Clapeyron equation (excluding secondary gas processes), we can write
где при прочих равных параметрах - равновесное давление контрольного газа после прямого и обратного перепуска, соответственно; - температура стенок (газа) объединенного объема после обратного перепуска из калиброванного и измерительного объемов, соответственно; - вместимость одного или более вспомогательных объемов.where ceteris paribus - the equilibrium pressure of the control gas after direct and reverse bypass, respectively; - the temperature of the walls (gas) of the combined volume after the bypass from the calibrated and measuring volumes, respectively; - the capacity of one or more auxiliary volumes.
Следует подчеркнуть, что в предлагаемом способе, в объемах перед прямым и обратным перепусками не предусмотрено наличие градиентов температуры. В этой связи необходимо, чтобы все части системы из объединенного объема перед перепусками находились в одних и тех же температурных условиях. Однако при наличии элемента малой проводимости между объемами, если давление сравнительно низкое, в последнем возникает молекулярный поток и имеет место тепловая эффузия, вызванная охлаждением газа при его раширении (особенно при использовании реальных газов), поэтому его температура (Т1, Т2) изменяется Тем не менее, необходимо отметить следующее: если проводимости трубопроводов между объемами достаточно велики, то тепловая эффузия практически отсутствует.It should be emphasized that in the proposed method, in the volumes before the direct and reverse bypasses, the presence of temperature gradients is not provided. In this regard, it is necessary that all parts of the system from the combined volume before the bypasses are in the same temperature conditions. However, in the presence of an element of low conductivity between the volumes, if the pressure is relatively low, a molecular flow occurs in the latter and thermal effusion occurs due to cooling of the gas when it expands (especially when using real gases), therefore its temperature (T 1 , T 2 ) changes Nevertheless, the following should be noted: if the conductivity of the pipelines between the volumes is quite large, then the thermal effusion is practically absent.
При совместном решении формул (4а) и (4б) при равенстве давлений P1=P2 искомую величину объема можно определить из следующего выражения:When solving formulas (4a) and (4b) together, with equal pressures P 1 = P 2, the desired volume can be determined from the following expression:
Поскольку и для данного способа в действительности определяются в виде приращений давления, полученных путем аппрокимации с последующей экстраполяцией их значений на момент времени начала перепуска, то в выражении (5) частное можно не учитывать, т.е. температурный градиент газа (при его наличии) допускается исключить из расчетов, без внесения погрешности в конечные результаты.Insofar as and for this method are actually determined in the form of pressure increments obtained by approximation with subsequent extrapolation of their values at the time of the start of the bypass, then in expression (5) the particular can be ignored, i.e. the temperature gradient of the gas (if any) can be excluded from the calculations, without introducing an error in the final results.
Таким образом, уравнение измерения преобразуется к следующему виду:Thus, the measurement equation is converted to the following form:
Данное равенство (6) является упрощенным выражением уравнения измерения (2), с помощью которого определяют искомый объем.This equality (6) is a simplified expression of the measurement equation (2), with which the desired volume is determined.
Необходимость введения тепературных поправок при расчетах может быть сведена к нулю, если у преобразователя абсолютного давления, кроме собственной термостабилизации (данная аппаратная функция у вакуумметров абсолютного действия в современных условиях достаточно распространена), имеется реализация возможностиThe necessity of introducing temperature corrections in the calculations can be reduced to zero if the absolute pressure transducer, in addition to its own thermal stabilization (this hardware function of absolute pressure gauges is quite common in modern conditions), there is a possibility
интерактивного/автоматического задания в качестве одного из настроечных параметров значения температуры измеряемого газа, а также и рода данного газа, влияющих наряду с другими параметрами на точность измерений.interactive / automatic setting as one of the tuning parameters the values of the temperature of the measured gas, as well as the kind of gas, affecting, along with other parameters, the accuracy of the measurements.
С тем чтобы обеспечить достоверность получаемых результатов, необходимо осуществлять учет характеристик газовыделения и натекания. Данные процессы являются непременными «атрибутами» всех вакуумных систем. При этом для реализации способа необходимо, чтобы газовые потоки Qизм, Qк и QΣ, характеризуемые значениями фоновой концентрации контрольного газа (фона) с учетом побочного поверхностного газовыделения со стенок и натекания в герметизируемых измерительном и калиброванном замкнутых объемах, а также фона в объеме из вспомогательных емкостей, с учетом влияния вышеотмеченных аналогичных побочных процессов, соответственно, должны быть сравнительно небольшими. Следует отметить, что в малом объеме увеличение давления, при постоянстве величин отмеченных выше газовых потоков, протекает быстрее, чем в сравнительно большем объеме. Предельное повышение полного давления (Ризм, Рк, РΣ) в вышеуказанных объемах, обусловленное потоками от газовыделения и натекания, для получения достоверных результатов измерений, не должно превышать половинного значения парциального давления контрольного газа, т.е. Ризм, Рк, РΣ≤(Р0/2). Для калиброванного и измерительного объемов (Рк, Ризм) данное условие должно выполняться в течение всего заданного времени выдержки (до перепуска), а для объема из вспомогательных емкостей РΣ с учетом объединения с одним из объемов измерительным/калиброванным с его газовой составляющей потока - непосредственно перед перепуском и в течение всего времени, отводимого на измерения. При этом обеспечивается необходимое соотношение сигнал/фон равное двум, задаваемого в качестве основного коэффициента в расчетах для обеспечения достоверности получаемых результатов, если проводить некую параллель с течеисканием (см. ОСТ 11 0808-90. Контроль неразрушающий. Методы течеискания).In order to ensure the reliability of the results obtained, it is necessary to take into account the characteristics of gas evolution and leakage. These processes are indispensable "attributes" of all vacuum systems. Moreover, for the implementation of the method it is necessary that the gas flows Q ISM , Q K and Q Σ , characterized by the values of the background concentration of the control gas (background) taking into account the incidental surface gas emission from the walls and leakage in the sealed measuring and calibrated closed volumes, as well as the background in the volume of auxiliary tanks, taking into account the influence of the above-mentioned similar side processes, respectively, should be relatively small. It should be noted that in a small volume, an increase in pressure, with a constant value of the gas flows noted above, proceeds faster than in a relatively large volume. The maximum increase in total pressure ( Pmeas , P to , P Σ ) in the above volumes, due to flows from gas evolution and leakage, to obtain reliable measurement results, should not exceed half the partial pressure of the control gas, i.e. P ism , P to , P Σ ≤ (P 0/2 ). For calibrated and measuring volumes (Р к , Р ISM ), this condition must be fulfilled for the entire specified exposure time (before bypass), and for the volume of auxiliary tanks Р Σ , taking into account the combination with one of the volumes measured / calibrated with its gas component of the flow - immediately before the bypass and during the entire time allotted for measurements. This ensures the necessary signal-to-background ratio equal to two, which is set as the main coefficient in the calculations to ensure the reliability of the results obtained if we draw a certain parallel with leak detection (see
Для обеспечения данного способа немаловажным является решение вопроса насколько значения калиброванного и измерительного объемов могут отличаться от объемов вспомогательных емкостей, используемых при измерениях с учетом отличий в величинах интегральных побочных потоков в объемах. Теоретические исследования показали, что при следующих заданных параметрах: 1) соотношении объемов, например, Vизм/VΣ=2,3166⋅10-2 (Vк/VΣ=1,1202⋅10-2), 2) значениях проводимостей каналов калиброванного Uк и измерительного Uизм объемов (например, Uк=Uизм=2.30417⋅10-6 м3/с), соединяющих их со вспомогательными емкостями, при нормальных условиях, 3) потоках в измерительном/вспомогательных/калиброванном объемах на уровнях 10-9/10-9/10-9 Па⋅м3/с соответственно при установленном расхождении значений полного давления не более 0,1% время необходимое для выравнивания после перепуска составит 1,1 с. При потоках 10-8/10-8/10-8 Па⋅м3/с с данным расхождением не более 0,1% (1%) интервал времени для выравнивания увеличится до 80,81 с (3,09 с), а при потоках 10-7/10-7/10-7 Па⋅м3/с - до 149,3 с при расхождении в 0,1% и 25,56 с при расхождении давлений на величину 1%. При соотношении объемов Vизм/VΣ=2,3166⋅10-3 (Vk/VΣ=1,1202⋅10-3) и значениями вышеобозначенных потоков 10-9/10-9/10-9 Па⋅м3/с время, когда расхождение давлений составит не более 0,1%, увеличится уже до 68,93 с; при потоках 10-8/10-8/10-8 Па⋅м3/с, соответственно, расхождение достигнет величины не более 0,1% через 151,04 с. Если за начальный параметр взять величину, равную Vизм/VΣ=2,3166⋅10-4 (Vk/VΣ=1,1202⋅10-4) (данные соотношения имеют место для установки УФКГ; см. далее), то при потоках 10-10/10-10/10-10 Па⋅м3/с расхождение в давлениях составит не более 0,14% (1%) за 0,153 с (0,122 с), а при 10-9/10-9/10-9 Па⋅м3/с расхождение не превысит в 0,1% (1%) за 45,521 с (8,392 с) с установившимся значением давления 0,4342 Па. Для справки, при отсутствии побочных процессов, время необходимое для выравнивания давления до 0,1% в объемах составит не более 0,132 с. Изменение интегральных потоков в сторону их увеличения до значений, например, 10-8/10-8/10-8 Па⋅м3/с вызовет расхождение давлений не более 0,1% (1%) на уровне 4,3426/4,3383 Па (Kn=0,721/0,729) по прошествии 156,34 с (47,83 с).To ensure this method, it is important to solve the question of how much the values of the calibrated and measuring volumes can differ from the volumes of auxiliary capacities used in the measurements, taking into account the differences in the values of integral side flows in volumes. Theoretical studies have shown that with the following given parameters: 1) the ratio of volumes, for example, V ISM / V Σ = 2,3166⋅10 -2 (V to / V Σ = 1,1202⋅10 -2 ), 2) the conductivity calibrated channel U k and U edited measuring volumes (e.g., U a = U rev = 2.30417⋅10 -6 m 3 / s) connecting them with auxiliary capacitances, under normal conditions, 3) flows in the measuring / auxiliaries / calibrated volumes on
Отсюда следует, что интегральные характеристики потоков от побочных процессов, как отмечалось ранее, могут оказывать существенное влияние на точность результатов расчетов. Поэтому для реализации предлагаемого способа необходимо, чтобы соотношение вспомогательных емкостей и измерительного/калиброванного объемов при заданных величинах интегральных потоков (Qизм, Qк, QΣ) в них, значения которых не должны превышать величины 1⋅10-7 Па⋅м3/с, удовлетворяло следующему неравенствуIt follows that the integral characteristics of flows from side processes, as noted earlier, can have a significant impact on the accuracy of calculation results. Therefore, for implementation of the proposed method requires that the ratio of the subsidiary capacitances and measuring / calibrated volumes for given values of integral flows (Q edited, Q a, Q Σ) in them, which values should not exceed the
Аналитическая оценка данного комплекса (7) показывает, что необходимо добиться такого сочетания всех факторов, чтобы результат произведения в левой части выражения был больше или равен единице. Следует отметить, что расхождение давлений в объемах при соблюдении данного соотношения не превысит 0,1%.An analytical assessment of this complex (7) shows that it is necessary to achieve such a combination of all factors so that the result of the product on the left side of the expression is greater than or equal to unity. It should be noted that the difference in pressure in volumes, subject to this ratio, will not exceed 0.1%.
Обозначенное выше верхнее предельное значение величины интегральных потоков в объемах является практически достижимым параметром для герметизированных систем, поскольку течи на уровне >1⋅10-7 Па⋅м3/с устраняются еще на этапе сборочно-наладочных работ, а потоки газовыделения с таким уровнем могут быть существенно снижены либо за счет вакуумирования с одновременно проводимым высокотемпературным прогревом всех конструктивных элементов, участвующих в измерениях, либо (при невозможности последнего) за счет сравнительно длительной высоковакуумной откачки системы.The upper limit value of the integral flows in volumes indicated above is a practically achievable parameter for pressurized systems, since leaks at the level of> 1⋅10 -7 Pa⋅m 3 / s are eliminated even at the stage of assembly and commissioning, and gas evolution flows with this level can be significantly reduced either by evacuation with simultaneous high-temperature heating of all structural elements involved in the measurements, or (if the latter is impossible) due to the relatively long high vacuum pumping system.
Для снижения эффектов сорбции поверхностями, образующими вакуумные объемы, перед измерениями необходимо несколько раз «промыть» вакуумную систему потоком контрольного газа с использованием дозатора газов (натекателя) при уровнях давлений, близких к верхним границам, при которых поддерживается (существует) переходный (молекулярно-вязкостный) режим течения газа в вакуумной системе при непрерывной откачке высоковакуумным насосом с последующей откачкой остатков до заданного уровня разрежения.To reduce the effects of sorption by surfaces forming vacuum volumes, it is necessary to “flush” the vacuum system several times with a control gas flow using a gas meter (leak) at pressure levels close to the upper limits at which a transitional (molecular-viscosity) ) the gas flow regime in the vacuum system during continuous pumping by a high-vacuum pump with subsequent pumping of residues to a predetermined vacuum level.
Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.
Вакуумную систему, состоящую из измерительного объема 1, вспомогательных объемов 4 и калиброванного объема 7 вакуумируют до заданного уровня давления с использованием турбомолекулярного 11 и форвакуумного 15 насосов при открытых клапанах 2, 6, 9, 12 и закрытых запорно-регулирущих элементах - дозаторе газов (натекателя) 8 и клапане 13, при этом измерение давления в системе производится с помощью преобразователей давления абсолютного действия 3, 5 и широкодиапазонного манометрического преобразователя давления 10, а также датчика давления низкого вакуума 14.A vacuum system consisting of measuring
Закрыв регулирующий клапан 9, перекрывают откачку вакуумной системы и производят напуск в нее контрольного газа до заданного значения давления, измеряемого манометрическим преобразователем 5, посредством дозатора газов 8 с помощью системы газонапуска (на фиг. 1 не показана). Перекрывают клапан 6 с выдержкой в калиброванном объеме созданной порции контрольного газа при одновременно протекающих нерегулируемых процессах газовыделения с поверхности стенки объема и от потоков натекания воздушных компонентов через его неплотности в течение заданного времени tв, значение которого не должно быть менее чем значение минимального времени выдержки tв_min (см. далее).Having closed the
До истечения выдерживаемого экспозиционного отрезка вакуумирование вспомогательных и измерительного объемов с закрытием клапана 9, при открытом регулирующем клапане 2, одновременно прекращается (интервал определяется временем от нескольких секунд до нескольких десятков секунд). К моменту истечения времени выдержки tв, при котором должно выполняться условие tв≥tв_min, открытием высоковакуумного регулирующего клапана 6, производят прямой перепуск порции газа из калиброванного объема во вспомогательные и измерительный объемы вакуумной системы и определяют приращение выходного сигнала преобразователя давления абсолютного действия 3, характеризующего наличие содержания контрольного газа с содержанием в порции «продуктов» действия сорбционно-десорбционных процессов, а также от потоков натекания через течи (см. фиг. 2). Одновременно с измерением давления в обозначенных объемах измеряют и температуру газа. По окончании времени, выдерживаемого до установления линейного нарастания давления в том же временном интервале, начиная с момента сброса порции, открывают высоковакуумный регулирующий клапан 9 и производят эвакуацию контролируемой газовой среды посредством турбомолекулярного насоса (ТМН) 11 до восстановления предшествующих сбросу порции фоновых показателей. По достижении уровня разрежения, не превышающего заданного ранее значения, откачку калиброванного объема перекрывают с помощью клапана 6 на время, равного по продолжительности интервалу выдержки tв в данном объеме порции с давлением контрольного газа заданной ранее величины, и повторяют операции, непосредственно связанные с перепуском газа, но уже накопленного в результате процессов десорбции и натекания, с определением приращения (разницы) давления на момент перепуска порции, проводимых в том же временном интервале.Prior to the expiration of the exposure period, the evacuation of the auxiliary and measuring volumes with the closing of
После этого повторяют все вышеуказанные операции, начиная с закрытия регулирующего клапана 9 и напуска контрольного газа в вакуумную систему через дозатор газов 8, используя при создании порций вместо калиброванного объема измерительный. При подготовке газовой порции к обратному перепуску в последнем обеспечивают установление давления контрольного газа, равного по величине давлению, создаваемому ранее в калиброванном объеме при подготовке порции контрольного газа для прямого перепуска. Фиксирование порции газа заданной величины в измерительном объеме осуществляется посредством закрытия клапана 2.After that, all the above operations are repeated, starting with the closure of the
Если при выбранном уровне давления контрольного газа в создаваемых порциях в калиброванном и измерительном объемах достигаемое давление после прямого и обратного перепусков не соответствует уровню разрежения, характерному для возникновения молекулярных условий, и/или оно не превышает минимального достоверного уровня выходного сигнала преобразователя давления абсолютного действия с диапазоном измерений в области сравнительно низкого давления, то путем соответствующего подбора (расчета) давление контрольного газа в порциях коррелируется до необходимого уровня с повторением всех вышеобозначенных операций.If at the selected pressure level of the control gas in the generated portions in calibrated and measuring volumes, the achieved pressure after direct and reverse bypasses does not correspond to the rarefaction level characteristic of the occurrence of molecular conditions, and / or it does not exceed the minimum reliable level of the output signal of the absolute pressure transmitter with a range measurements in the field of relatively low pressure, then by appropriate selection (calculation) the pressure of the control gas in portions of the correlated rises to the required level with the repetition of all the above operations.
Далее строятся графики измерений (см. фиг. 3), и на основе полученных результатов методами регрессионного анализа, например, методом наименьших квадратов производят аппроксимацию зарегистрированных участков, характеризуемых «фоном» и «полезным» сигналами (см. фиг. 4).Next, measurement graphs are constructed (see Fig. 3), and based on the results obtained by regression analysis methods, for example, the least-squares method approximates the registered areas characterized by “background” and “useful” signals (see Fig. 4).
Полученную математическими методами зависимость от «полезного» сигнала экстраполируют в точку, соответствующую моменту времени начала перепуска. В результате определяют разность ΔP1 между величиной давления порции контрольного газа в объединенном объеме вакуумной системы после прямого перепуска с учетом фона, натекания, газовыделения и трибологической газовой составляющей с поверхностей материалов калиброванного объема, и величиной остаточного давления в объединенном объеме вакуумной системы с учетом побочных газовых примесей (десорбция, натекания и др.), отнесенных к моменту времени перепуска, соответственно. Такую же математическую обработку, связанную с определением разности давлений производят и с данными по «фону», полученными при перепуске контрольной газовой среды из измерительного объема в объединенный объем вакуумной системы с учетом сторонних (побочных) газов, накопленных в нем за счет вышеуказанных побочных процессов.The dependence on the “useful” signal obtained by mathematical methods is extrapolated to the point corresponding to the time moment of the start of the bypass. As a result, the difference ΔP 1 is determined between the pressure of the portion of the control gas in the combined volume of the vacuum system after direct bypass, taking into account the background, leakage, gas evolution and the tribological gas component from the surfaces of the materials of the calibrated volume, and the residual pressure in the combined volume of the vacuum system, taking into account the secondary gas impurities (desorption, leakage, etc.) assigned to the time point of bypass, respectively. The same mathematical processing associated with the determination of the pressure difference they also produce data on the “background” obtained when the control gas medium was bypassed from the measuring volume into the combined volume of the vacuum system, taking into account external (secondary) gases accumulated in it due to the above side processes.
Аналогичной математической обработке подвергаются данные, полученные при обратном перепуске: алгоритм построения расчетов определяемых приращений ΔР2 и полностью повторяет операции, связанные с поиском «наилучших» линий регрессии на основе корреляционно-регрессионного анализа, в результате которых были определены приращения давлений ΔP1 и The data obtained during reverse bypass are subjected to similar mathematical processing: the algorithm for constructing the calculations of the determined increments ΔP 2 and completely repeats the operations associated with the search for the “best” regression lines based on correlation and regression analysis, as a result of which pressure increments ΔP 1 and
Расчет вместимости измерительного объема оценивают по соотношению (2) с учетом температурных показателей газов в измерительном и калиброванном объемах непосредственно перед прямым и обратным перепусками.The calculation of the measuring volume capacity is estimated by the relation (2) taking into account the temperature indicators of gases in the measuring and calibrated volumes immediately before the direct and reverse bypasses.
Следует отметить, что ранее обозначенное минимальное время выдержки характеризуется временем, в течение которого осуществляется эвакуация остатков контрольного газа из объемов вакуумной системы, участвующих в создании контрольной порции до установления давления ниже заданного уровня разрежения. При этом определенную роль здесь играет эффективная скорость откачки и значение интегрированного потока остаточных газов с поверхностей объема, а также помещенного (размещенного) в нем пористого материала (при его наличии) совместно с воздушными компонентами, проникающими в откачиваемый объединенный объем вакуумной системы через течи.It should be noted that the previously indicated minimum holding time is characterized by the time during which the residues of the control gas are evacuated from the volumes of the vacuum system involved in the creation of the control portion until the pressure is set below a predetermined vacuum level. In this case, a certain role is played by the effective pumping rate and the value of the integrated residual gas flow from the surface of the volume, as well as the porous material placed (placed) in it (if any) together with the air components penetrating the pumped combined volume of the vacuum system through the leaks.
Оценка минимального времени выдержки tв_min вычисляется по формуле (8) с учетом величины допустимого интегрированного потока QΣ и эффективной скорости откачки S0 вакуумной системы (в заданном сечении):The estimate of the minimum holding time t in_min is calculated by the formula (8) taking into account the value of the allowable integrated flow Q Σ and the effective pumping speed S 0 of the vacuum system (in a given section):
где Pk, Po - начальное и конечное заданное давление контрольного газа, фиксируемое преобразователями давления абсолютного действия (допустимо использование преобразователей косвенного действия, например широкодиапазонного манометрического датчика) для измерения диапазонов сравнительно больших и, соответственно, малых давлений, Па;where P k , P o is the initial and final target pressure of the control gas, recorded by absolute pressure transducers (it is possible to use indirect transducers, for example, a wide-range pressure gauge) for measuring ranges of relatively large and, accordingly, low pressures, Pa;
VΣ - объединенный (суммарный) объем свободного пространства из вспомогательных объемов вместе с примыкающими полостями участками вакуумной системы с подсоединенными преобразователями давления абсолютного действия и одного из объемов (калиброванного или измерительного) в зависимости от того, где на момент откачки содержится созданная порция контрольного газа, м3;V Σ is the combined (total) volume of free space from auxiliary volumes together with adjacent sections of the vacuum system with connected absolute pressure transducers and one of the volumes (calibrated or measuring) depending on where the created portion of the control gas is contained at the time of pumping, m 3 ;
QΣ - интегрированный поток, характеризуемый потоками натекания от течей и суммарной составляющая от потоков десорбции со стенок вакуумной системы, Па⋅м3/с;Q Σ - integrated flow, characterized by leakage flows from leaks and the total component from the desorption flows from the walls of the vacuum system, Pa⋅m 3 / s;
S0 - эффективная скорость откачки вакуумной системы, м3/с.S 0 - effective pumping speed of the vacuum system, m 3 / s.
Оценку величины интегрированного потока можно получить, используя общеизвестные способы контроля герметичности, например, манометрический (вакуумметрический). В качестве оценочной величины эффективной скорости откачки вакуумной системы для инженерных расчетов можно принять значение объема газа, протекающего в единицу времени через сечение высоковакуумного регулирующего клапана, пропускная способность которого, как правило, по воздуху или азоту, является одним из основных технических параметров, указанных в его материалах сопровождения (паспорте, руководстве по эксплуатации и др.). Наконец, при отсутствии вышеотмеченных значений параметров для расчета, величина данного временного интервала tв_min может быть оценена предварительно путем прямых измерений.An estimate of the value of the integrated flow can be obtained using well-known methods of tightness control, for example, gauge (vacuum gauge). As an estimate of the effective pumping speed of the vacuum system for engineering calculations, we can take the value of the volume of gas flowing per unit time through the cross section of a high-vacuum control valve, the throughput of which, as a rule, through air or nitrogen, is one of the main technical parameters indicated in it support materials (passport, instruction manual, etc.). Finally, in the absence of the above-mentioned parameter values for calculation, the value of a given time interval t in_min can be estimated previously by direct measurements.
Предлагаемый способ реализован на практике с использованием вакуумной системы автоматизированной прогреваемой масс-спектрометрической установки финишного контроля герметичности газонаполненных разрядников УФКГ [С.А. Бушин, С.С. Галкин. Результаты опытной эксплуатации вакуумной автоматизированной установки контроля герметичности разрядников // Вакуумная техника и технология, т. 23 (вып. 1), Санкт-Петербург, 2014. - С. 39-41].The proposed method is implemented in practice using a vacuum system of an automated heated mass spectrometric installation for finishing the tightness control of gas-filled UFKG arresters [S.A. Bushin, S.S. Galkin. The results of the pilot operation of a vacuum automated installation for monitoring the tightness of arresters // Vacuum Equipment and Technology, vol. 23 (issue 1), St. Petersburg, 2014. - P. 39-41].
В качестве калиброванного объема использовалась микрополость, образуемая из пустот на основе конструкции высоковакуумного углового управляемого клапана, один из стыков которого (со стороны пары «клапан-седло») заглушен специальным цельнометаллическим фланцем, имеющим по оси вращения цилиндрический выступ с линейным размером (26,7 мм) и диаметром, близким к внутреннему диаметру охватывающей его поверхности, выполняющего роль вытеснителя свободного объема. Вместимость порционного калиброванного микрообъема Vмк, определенного весовым методом при нормальных условиях, оценена значением в 0,63553⋅10-6 м3; величина средней квадратической погрешности σ0(Vмк) данного микрообъема составляет 1,14% (±0,0072⋅10-6 м3).As a calibrated volume, we used a microcavity formed from voids based on the design of a high-vacuum angular controlled valve, one of the joints of which (on the side of the valve-seat pair) is sealed with a special all-metal flange having a cylindrical protrusion along the axis of rotation with a linear dimension (26.7 mm) and a diameter close to the inner diameter of its surface, acting as a displacer of free volume. The capacity of a portioned calibrated microvolume V m , determined by the weight method under normal conditions, is estimated at 0.63553⋅10 -6 m 3 ; the value of the mean square error σ 0 (V mk ) of this microvolume is 1.14% (± 0.0072⋅10 -6 m 3 ).
Ответный фланец углового клапана пристыкован к расширительной емкости вместимостью 2,0899 дм3, имеющего сообщение с линией вакуумного тракта, состоящего из последовательности подсоединенных друг с другом нескольких технологических объемов, разделяемых аналогичными сверхвысоковакуумными управляемыми клапанами с большими диаметрами условного прохода. К последнему из них пристыкован коллектор с приваренными 8-ю патрубками в виде лучей, расположенными симметрично с углом развертки в 360 градусов; к каждому патрубку подсоединено по одному измерительному объему одинаковой конструкции.The counter flange of the angle valve is connected to an expansion tank with a capacity of 2.0899 dm 3 , which is in communication with the vacuum path line, consisting of a series of several process volumes connected to each other, separated by similar ultrahigh-vacuum controlled valves with large nominal diameters. A collector with 8 welded nozzles in the form of beams arranged symmetrically with a sweep angle of 360 degrees is docked to the last of them; to each branch pipe one measuring volume of the same design is connected.
Измерительный объем представлет собой цилидрическую составную полость, образуемую из двух стыков, в которой с одной из сторон расположена входящая по скользящей посадке разрезная цанга с миниатюрным газонаполненным прибором. Цанга имеет специальные внутренние пазы под выступающие дисковые электроды прибора с аксиально расположенными между ними кольцами, изготовленными из вакуумноплотной керамики (следует отметить, что, несмотря на упоминание о вакуумной плотности используемой керамики, поверхность оболочки прибора представляет собой пористую структуру), образующими корпус полиблочной конструкции; оболочка прибора на 60% выполнена из Al2O3. С другой стороны расположен вытеснитель объема в виде цилиндрического стержня переменного диаметра с осевым сквозным отверстием в 1,5 мм, сопрягаемого одним своим торцом с цангой через проточку-поднутрение, а вторым торцом, расположенным на расстоянии ≈ 1 мм, - напротив торца тарели (уплотнителя) управляемого сверхвысоковакуумного клапана с пневматическим приводом (нормальное состояние клапана - закрытое). Время открытия (закрытия) пневмоклапана ≈ 1 с [Каталог вакуумных клапанов фирмы VAT, ser. 57, 2012 г.].The measuring volume is a cylindrical composite cavity, formed from two joints, in which on one side there is a split collet with a miniature gas-filled device that enters along a sliding fit. The collet has special internal grooves for the protruding disk electrodes of the device with axially arranged rings made of vacuum-tight ceramics between them (it should be noted that, despite the mention of the vacuum density of the ceramics used, the surface of the instrument shell is a porous structure), forming a multiblock design body; the casing of the device is 60% made of Al 2 O 3 . On the other hand, there is a volume displacer in the form of a cylindrical rod of variable diameter with an axial through hole of 1.5 mm, mating one end with a collet through a groove-undercut, and the second end located at a distance of ≈ 1 mm opposite the end of the plate (seal ) controlled ultra-high vacuum valve with pneumatic actuator (normal state of the valve is closed). Opening time (closing) of a pneumatic valve ≈ 1 s [Catalog of vacuum valves of the company VAT, ser. 57, 2012].
Все сверхвысоковакуумные цельнометаллические клапаны с пневмоприводом управляются на основе разработанного аппаратно-программного интерфейса.All ultrahigh-vacuum all-metal valves with pneumatic actuator are controlled based on the developed hardware-software interface.
Для поддержания разрежения в объемах вакуумной системы в процессе проведения измерений используется турбомолекулярный насос серии HiPace 80, работающий совместно с форвакуумным безмаляным спиральным насосом типа ISP-90.To maintain the vacuum in the vacuum system during the measurement process, a HiPace 80 series turbomolecular pump is used, which works in conjunction with a fore-vacuum non-paint spiral pump of the ISP-90 type.
Стоит отметить, что измерения в областях сравнительного высокого и низкого давлений могут проводиться одним манометрическим преобразователем абсолютного действия с диапазоном измерения, распространяющимся на данные области давления (совмещение диапазонов).It is worth noting that measurements in the areas of comparative high and low pressures can be carried out by one absolute pressure gauge with a measurement range that extends to these pressure areas (overlapping ranges).
При приготовлении порций газа в калиброванном и измерительном объемах использовался преобразователь давления абсолютного действия типа 690A01TRA, работающий совместно с вакуумметром (контроллером) типа MKS "Baratron" type 670В. Основная относительная погрешность измерения давления порции пробного газа для диапазона от 1,0⋅10-3 Па до 1,333⋅102 Па, измеряемого образцовым вакуумметром MKS "Baratron" с мембранно-емкостным датчиком типа 690A01TRA, не превышает ± (2…0,05)%.When preparing gas portions in calibrated and measuring volumes, an absolute pressure transducer of the type 690A01TRA was used, working in conjunction with a vacuum meter (controller) type MKS "Baratron" type 670В. The main relative error in measuring the pressure of a portion of the test gas for a range from 1.0⋅10 -3 Pa to 1.333⋅10 2 Pa, measured by an exemplary MKS "Baratron" vacuum gauge with a membrane-capacitive type sensor 690A01TRA, does not exceed ± (2 ... 0.05 )%.
Для сравнительного анализа и оценки достоверности результатов (как правило, рекомендуется использовать по меньшей мере два манометрических преобразователя, работа которых основана на различных принципах [см.: Г. Эшбах. Практические сведения по вакуумной технике. Получение и измерение низких давлений. Пер. с немецкого Б.И. Королева, - М.-Л.: Энергия, 1966. - С. 90]) при испытаниях измерение давления осуществлялось также и с помощью широкодиапазонного комбинированного датчика давления PBR260 (типа Байярда-Альперта), управление которым обеспечивается посредством модуля ввода-вывода I/O220, встроенного в квадрупольный масс-спектрометр QMG220 PrismaPlus фирмы «Pfieffer»; основная относительная погрешность измерений для данного преобразователя равна ± 15%.For a comparative analysis and assessment of the reliability of the results (as a rule, it is recommended to use at least two gauge converters, the operation of which is based on various principles [see: G. Eshbach. Practical information on vacuum technology. Obtaining and measuring low pressures. Transl. From German B.I. Koroleva, - M.-L.: Energy, 1966. - P. 90]) during the tests, the pressure was also measured using a wide-range combined pressure sensor PBR260 (Bayard-Alpert type), which is controlled via the I / O220 I / O module integrated into the Pfieffer QMG220 PrismaPlus quadrupole mass spectrometer; The main relative measurement error for this transducer is ± 15%.
Пропускная способность клапана 9 с диаметром условного прохода 40 мм (Ду 40), пристыкованного посредством переходника к входному фланцу ТМН, через который производится откачка вакуумной системы (S0), согласно паспортным данным составляет 5⋅10-2 м3/с (по воздуху).The throughput of
Расчетная оценка значения измерительного объема Vизм перед испытаниями составляла, приблизительно, (1…2)⋅10-6 м3 (1…2 см3).The estimated value of the measuring volume V ISM before the tests was approximately (1 ... 2) ⋅ 10 -6 m 3 (1 ... 2 cm 3 ).
С учетом исходных параметров и сопротивлений трубопроводов до места расположения широкодиапазонного преобразователя давления PBR260 (S0 ≈ 2,5…5 дм3/с) расчетное значение минимального времени выдержки tв_min (см. формулу 3) оценено в ≈ (10…20) с. Следует отметить, что испытания проводились с измерительными объемами, общее число которых равнялось 8 шт.Taking into account the initial parameters and resistance of the pipelines to the location of the wide-range pressure transmitter PBR260 (S 0 ≈ 2.5 ... 5 dm 3 / s), the calculated value of the minimum holding time t in_min (see formula 3) was estimated at ≈ (10 ... 20) s . It should be noted that the tests were carried out with measuring volumes, the total number of which was 8 pieces.
Измерительный, калиброванный, вспомогательные объемы (в количестве четырех) и система газонапуска подвергались вакуумированию до давления ≤ 5⋅10-5 Па (5⋅10-7 мбар), достигаемого с учетом запуска ТМН в изотермических условиях примерно за 30 мин.The measuring, calibrated, auxiliary volumes (in the amount of four) and the gas inlet system were evacuated to a pressure of ≤ 5⋅10 -5 Pa (5⋅10 -7 mbar), achieved taking into account the commissioning of oil and gas in isothermal conditions in about 30 minutes.
Среднее время для получения отсчета по давлению и температуре составляет около 1 с, при этом время, отводимое для проведения контрольных измерений с учетом линейного нарастания сигналов манометрических датчиков, составляло более 2 мин (т.е. приближенно это соответствует снятию ≈ 120 точек-отсчетов используемых для проведения аппроксимации).The average time for obtaining a pressure and temperature readout is about 1 s, while the time allotted for carrying out control measurements taking into account the linear increase in the pressure gauge signals was more than 2 min (i.e., this approximately corresponds to the removal of ≈ 120 sample readings used for approximation).
Для контроля температуры использовались три термопары типа «хромель-алюмель» при посредстве термоконтроллеров типа МИНИТЕРМ 400.31.11 СИ, снабженных устройством для компенсации холодных спаев КХС-М.To control the temperature, three chromel-alumel type thermocouples were used by means of MINITERM 400.31.11 SI thermocontrollers equipped with a device for compensating cold junctions KHS-M.
Испытания проводились в два этапа, с повторением в разные дни. Сначала были проведены предварительные испытания по определению значений диапазона давления, при котором поддерживаются условия молекулярного режима течения (I этап) после пробных перепусков в объемы вакуумной системы. В результате проведенного контроля установлено, что приемлемым значением в подготавливаемой порции является давление, не превышающее 133,32 Па (1 мм рт. ст.).The tests were carried out in two stages, with repetition on different days. First, preliminary tests were carried out to determine the values of the pressure range at which the conditions of the molecular flow regime (stage I) are maintained after trial bypasses into the volumes of the vacuum system. As a result of the control, it was found that an acceptable value in the prepared portion is a pressure not exceeding 133.32 Pa (1 mmHg).
Начальное заданное давление Pk и конечное - Р0 контрольного газа устанавливались на значениях 133,32 Па (верхний уровень измерения MKS "Baratron" 690 A01TRA) и не более 1,5⋅10-4 Па, соответственно. При этом значение давления контрольного газа при создании порций являлось воспроизводимой величиной от порции к порции (разброс в значениях составлял не более ±0,015 Па) за счет обратной электрической связи, обеспечиваемой при совместном взаимодействии вакуумметра (контроллера) MKS "Baratron" type 670 В и дозатора газов (натекателя) РРГ 248А, управляемого посредством контроллера типа 250Е.The initial set pressure P k and the final pressure P 0 of the control gas were set at 133.32 Pa (upper measurement level of the MKS "Baratron" 690 A01TRA) and not more than 1.5⋅10 -4 Pa, respectively. In this case, the pressure of the control gas when creating the batches was a reproducible value from batch to batch (the spread in the values was not more than ± 0.015 Pa) due to the feedback electrical connection provided by the joint interaction of the MKS "Baratron" type 670 V vacuum meter and dispenser gases (leakage) RRG 248A, controlled by a controller type 250E.
II этап испытаний включал чередуемые операции, связанные с одновременными контролем температуры и вакуумированием вышеобозначенных объемов до уровня разрежения, не превышающего 1⋅10-4 Па, с заданными значениями времени выдержки продолжительностью 1 и 5 мин (см. фиг. 4), с последующими последовательным заполнением и перепусками из калиброванного объема во вспомогательные объемы совместно с измерительным и наоборот. Аналогичные операции были проведены и для измерительного микрообъема. В таблице 1 представлены значения температур (K) (с погрешностью в пределах эксперимента) «до» и «после» прямого и обратного перепусков, соответственно Stage II of the test included alternating operations associated with simultaneous control of temperature and evacuation of the above volumes to a vacuum level not exceeding 1⋅10 -4 Pa, with predetermined holding times of 1 and 5 min (see Fig. 4), followed by sequential filling and bypasses from the calibrated volume to auxiliary volumes together with the measuring one and vice versa. Similar operations were carried out for measuring microvolume. Table 1 presents the temperatures (K) (with an error within the experiment) “before” and “after” direct and vice versa bypasses, respectively
Результаты статистических расчетов измерительных объемов в количестве 8 шт., определенных по формуле (2) с учетом фоновых характеристик и температурных коэффициентов (поправок), представлены в табл. 2.The results of statistical calculations of measuring volumes in the amount of 8 pcs., Determined by the formula (2) taking into account the background characteristics and temperature coefficients (corrections), are presented in table. 2.
Следует отметить, что часть камер измерения фактически имеет некоторые отличия в конструкции от требований техдокументации (сборочного чертежа) вследствие проведения дополнительных работ по их механической доработке, которые были необходимы по окончании сварочных операций с корпусами камер, для достижения условий взаимозаменяемости входящих в их состав элементов.It should be noted that part of the measurement chambers actually has some differences in design from the requirements of technical documentation (assembly drawing) due to additional mechanical work that was necessary at the end of welding operations with the camera bodies in order to achieve interchangeability of the elements included in their composition.
По результатам проведенных испытаний средние (из 8 шт. ) значения свободного объема замкнутой измерительной полости с вытеснителем объема и миниатюрным прибором, измеренные с помощью преобразователя абсолютного действия типа MKS "Baratron" и широкодиапазонного преобразователя PBR260 составили: Vизм_baratron=(1,279750±0,0433351)⋅10-6 м3 и Vизм_pbr260=(1,293375±0,0445868)⋅10-6 м3, соответственно. Очевидно, что оба значения имеют практически схожие показатели, и это дает основание считать, что полученные результаты на основе общности данных двух разнотипных преобразователей, подтверждают правильность полученных результатов. При этом, несмотря на то, что для вакуумметров неабсолютного действия для перевода сигналов-отсчетов (показаний) в значения давления для конкретного газа необходимо знание его коэффициентов относительной чувствительности, в предлагаемом способе эти сведения не являются необходимыми: коэффициенты, в конечном счете, взаимосокращаются при определении искомой величины объема. Это, в свою очередь, дает возможность при необходимости на практике использовать для определения искомых объемов вакуумметрические аппаратные средства, имеющиеся в наличии на вакуумных системах и установках.According to the results of the tests, the average (of 8 pieces) of the free volume of a closed measuring cavity with a volume displacer and a miniature device, measured using an absolute transducer of the MKS "Baratron" type and a wide-range transducer PBR260 amounted to: V meas ._baratron = (1.279750 ± 0 , 0433351) ⋅10 -6 m 3 and V meas_pbr260 = (1.293375 ± 0.0445868) ⋅10 -6 m 3 , respectively. Obviously, both values have almost similar indicators, and this gives reason to believe that the results obtained on the basis of the commonality of the data of two different types of converters confirm the correctness of the results. At the same time, despite the fact that for non-absolute gauges for converting readings (readings) into pressure values for a particular gas, it is necessary to know its relative sensitivity coefficients, in the proposed method this information is not necessary: the coefficients are ultimately reduced when determining the desired volume value. This, in turn, makes it possible, if necessary, to use in practice, in order to determine the required volumes, the vacuum gauges available on vacuum systems and installations.
Несмотря на сравнительную незначительность полученных при испытаниях значений соотношений T2/T1 ввиду их малости, для правильности исчисления величин объемов они должны учитываться в расчетах в виде соответствующего множителя, поскольку правильность результатов определяется стремлением систематической погрешности к нулю. При этом надо отметить, что отличие в значениях температур стенок объемов вакуумной системы перед прямым и обратным перепусками на 1 К вызывает появление относительной погрешности в расчетах в 0,3%.Despite the relative insignificance of the values of the ratios T 2 / T 1 obtained during the tests, due to their smallness, for the correct calculation of the volumes, they should be taken into account in the calculations in the form of the corresponding factor, since the correctness of the results is determined by the tendency of the systematic error to zero. It should be noted that the difference in temperature values of the walls of the volumes of the vacuum system before direct and reverse bypasses by 1 K causes the appearance of a relative error in the calculations of 0.3%.
Для сравнения были проведены испытания по определению объемов полостей у всех восьми камер измерения, оцениваемых как единый объем (все 8 клапанов, соединенных через фланцевые соединения с камерами, находились в состоянии «открыто»). Полученное значение средней величины объема измерения составило 1,23723 см3. Погрешность измерения относительно среднего из восьми значений, полученных на основе данных-отсчетов датчика давления MKS "Baratron", оценена значением в минус 3,2%.For comparison, tests were carried out to determine the volume of cavities in all eight measuring chambers, evaluated as a single volume (all 8 valves connected through flange connections to the chambers were in the "open" state). The obtained value of the average value of the measurement volume was 1.23723 cm 3 . The measurement error relative to the average of eight values obtained on the basis of sample data from the MKS "Baratron" pressure sensor is estimated at minus 3.2%.
Проведенные расчеты величин интегрального потока натекания и газовыделения во вспомогательных объемах с учетом коэффициентов расширения Vизм/VΣ, (Vк/VΣ), полученных после определения известных объемов с заданной величиной давления контрольного газа в порции (133,32 Па), учитывая требования о том, чтобы после перепуска соотношение «сигнал/фон» (как ранее отмечалось) должно составлять значение не менее 2 при установленном времени выдержки, например, в 15 мин, показали, что его величина не должна превышать значений 9,73⋅10-8 Па⋅м3/с при перепуске из измерительного и 4,71⋅10-8 Па⋅м3/с из калиброванного объемов. При выдержке в 5 мин аналогичные параметры должны иметь следующие значения: 1,46⋅10-7 Па⋅м3/с и 7,06⋅10-8 Па⋅м3/с, соответственно.The calculations of the values of the integral flux leakage and outgassing in the auxiliary volume with the expansion coefficients of V MOD / Σ V, (V in / V Σ), obtained after definition of known volumes of test gas at a predetermined pressure value in the serving (133.32 Pa), considering the requirement that after the bypass the signal-to-background ratio (as previously noted) should be at least 2 at a set exposure time, for example, 15 minutes, showed that its value should not exceed 9.73⋅10 - 8 Pa⋅m 3 / s with bypass e from the measuring and 4.71-10 -8 Pa⋅m 3 / s from the calibrated volumes. At a shutter speed of 5 minutes, similar parameters should have the following values: 1.46 × 10 -7 Pa⋅m 3 / s and 7.06⋅10 -8 Pa⋅m 3 / s, respectively.
Реальные величины интегральных потоков Qизм, Qк, QΣ от газовыделений и натекания через течи в соответствующих объемах вакуумной системы были оценены (с использованием манометрического метода) следующими значениями: Qизм≈2,83⋅10-9 Па⋅м3/с, Qк≈1,21⋅10-9 Па⋅м3/с и QΣ≈2,55⋅10-8 Па⋅м3/с, при этом значения коэффициентов из частных и , входящих в формулу измерения (2), при проведении испытаний с учетом значений фоновых побочных интегральных потоков не превысили 1,45%. Здесь следует отметить, что на непрогреваемых вакуумных системах аналогичные показатели побочных процессов превышают реально полученные при испытаниях численные значения потоков на порядки. При этом отсутствие необходимого учета фоновых характеристик может значительно исказить конечные результаты из-за возникновения погрешностей, которые могут достигать нескольких десятков процентов.The actual flow values integrated MOD Q, Q a, Q Σ from the gas emission and leakage through the leak in the respective vacuum system volumes were assessed (using a manometric method) following meanings:
Таким образом, на основе предлагаемого способа определения объемов замкнутых полостей обеспечивается повышение точности и достоверности получаемых результатов, что позволяет, не прибегая (без необходимости) к другим способам и методам, в том числе и весовому, который не всегда может быть использован на практике, проводить достаточно точные измерения на базе имеющихся технических средств, входящих в состав большинства вакуумных установок и сложных систем, где получают и используются разреженные среды.Thus, on the basis of the proposed method for determining the volume of closed cavities, it is possible to increase the accuracy and reliability of the obtained results, which allows, without resorting (without necessity) to other methods and methods, including weight, which can not always be used in practice, to carry out fairly accurate measurements based on the available technical equipment that are part of most vacuum systems and complex systems where rarefied media are obtained and used.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018103223A RU2680159C9 (en) | 2018-01-29 | 2018-01-29 | Method for determining volumes of closed cavities |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018103223A RU2680159C9 (en) | 2018-01-29 | 2018-01-29 | Method for determining volumes of closed cavities |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2680159C1 true RU2680159C1 (en) | 2019-02-18 |
RU2680159C9 RU2680159C9 (en) | 2019-05-28 |
Family
ID=65442508
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018103223A RU2680159C9 (en) | 2018-01-29 | 2018-01-29 | Method for determining volumes of closed cavities |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2680159C9 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109855799A (en) * | 2019-03-12 | 2019-06-07 | 中国矿业大学 | A kind of gas pressure calibrating installation of gas-vapor mix |
RU2740341C1 (en) * | 2020-06-19 | 2021-01-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук | Method of measuring gas pressure inside closed volume (hollow sphere) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU714156A1 (en) * | 1974-04-03 | 1980-02-05 | Предприятие П/Я В-8597 | Method of determining the volume of vessels |
SU939945A2 (en) * | 1980-09-04 | 1982-06-30 | Предприятие П/Я В-8597 | Vessel volume determination method |
SU968618A1 (en) * | 1981-04-28 | 1982-10-23 | Предприятие П/Я А-1857 | Method of measuring enclosed volumes |
CN103017850A (en) * | 2012-11-27 | 2013-04-03 | 中国航天科技集团公司第五研究院第五一〇研究所 | Device and method for measuring volume ratio of vacuum container |
-
2018
- 2018-01-29 RU RU2018103223A patent/RU2680159C9/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU714156A1 (en) * | 1974-04-03 | 1980-02-05 | Предприятие П/Я В-8597 | Method of determining the volume of vessels |
SU939945A2 (en) * | 1980-09-04 | 1982-06-30 | Предприятие П/Я В-8597 | Vessel volume determination method |
SU968618A1 (en) * | 1981-04-28 | 1982-10-23 | Предприятие П/Я А-1857 | Method of measuring enclosed volumes |
CN103017850A (en) * | 2012-11-27 | 2013-04-03 | 中国航天科技集团公司第五研究院第五一〇研究所 | Device and method for measuring volume ratio of vacuum container |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109855799A (en) * | 2019-03-12 | 2019-06-07 | 中国矿业大学 | A kind of gas pressure calibrating installation of gas-vapor mix |
RU2740341C1 (en) * | 2020-06-19 | 2021-01-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук | Method of measuring gas pressure inside closed volume (hollow sphere) |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2680159C9 (en) | 2019-05-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3260454B2 (en) | Mass flow meter, fluid mass measuring method and viscosity measuring device | |
US9958353B2 (en) | Apparatus and method for quantifying fluid loss in a closed system | |
CN107036769A (en) | A kind of system and method for being used to calibrate different probe gas vacuum leak leak rates | |
KR20180091901A (en) | Leakage test apparatus and method | |
Jousten et al. | A precision gas flowmeter for vacuum metrology | |
RU2680159C1 (en) | Method for determining volumes of closed cavities | |
TWI837862B (en) | Methods, electronic device manufacturing systems, and non-transitory computer-readable storage medium for mass flow verification based on rate of pressure decay | |
CN116398421B (en) | High vacuum pump pumping speed testing device and using method thereof | |
US11519769B2 (en) | Flow rate control system and flow rate measurement method | |
CN106289666B (en) | Calibration device and method for vacuum leak at ambient temperature | |
Morgado et al. | Primary standard for the calibration of refrigerant leak flow rates | |
WO2021079833A1 (en) | Gas flow rate estimation method, hole diameter estimation method, gas flow rate estimation device, and hole diameter estimation device | |
JP5114251B2 (en) | Vacuum processing equipment | |
RU2679476C1 (en) | Device for determination of volumes of closed cavities | |
Wälchli et al. | Fundamental leak calibration system for gas leaks with a defined pressure difference over the leak element | |
Scherschligt et al. | Stability of bakeable capacitance diaphragm gauges | |
Ellefson et al. | Recommended practice for calibrating vacuum gauges of the thermal conductivity type | |
RU2379641C1 (en) | Method for control of tightness in space object hydraulic temperature control system filled with working medium and equipped with hydraulically pneumatic compensator | |
Hauer et al. | Outgassing rate measurements with the difference method in the framework of EMRP IND12 | |
Boineau et al. | Volume calibration using a comparison method with a transfer leak flow rate | |
Kangi et al. | The new UME primary standard for pressure generation in the range from 9× 10− 4 Pa to 103 Pa | |
Akram et al. | Development and Characterization of Volume Expansion Vacuum Standard | |
Setina et al. | Volume determination of a vacuum vessel by pressure rise method | |
Carper | Reduced Leak Calibration Uncertainties by the Outgassing Quantification Method | |
US20230358628A1 (en) | Realization of the pascal from the boltzmann constant using mass comparison of artifacts in vacuum and gas |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TH4A | Reissue of patent specification |