RU2680159C9 - Method for determining volumes of closed cavities - Google Patents
Method for determining volumes of closed cavities Download PDFInfo
- Publication number
- RU2680159C9 RU2680159C9 RU2018103223A RU2018103223A RU2680159C9 RU 2680159 C9 RU2680159 C9 RU 2680159C9 RU 2018103223 A RU2018103223 A RU 2018103223A RU 2018103223 A RU2018103223 A RU 2018103223A RU 2680159 C9 RU2680159 C9 RU 2680159C9
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pressure
- gas
- volume
- calibrated
- volumes
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 69
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 58
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims abstract description 33
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 26
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 18
- 238000003795 desorption Methods 0.000 claims description 8
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 8
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 6
- 238000000611 regression analysis Methods 0.000 claims description 6
- 238000013213 extrapolation Methods 0.000 claims description 5
- 238000010219 correlation analysis Methods 0.000 claims description 4
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 claims 2
- 102000010410 Nogo Proteins Human genes 0.000 claims 1
- 108010077641 Nogo Proteins Proteins 0.000 claims 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 abstract description 11
- 238000009434 installation Methods 0.000 abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 abstract description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 136
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 14
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- WUBBRNOQWQTFEX-UHFFFAOYSA-N 4-aminosalicylic acid Chemical compound NC1=CC=C(C(O)=O)C(O)=C1 WUBBRNOQWQTFEX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 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
- 238000012937 correction 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
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 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
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000002829 reductive effect Effects 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
- 206010063045 Effusion Diseases 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 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
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method 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
- 230000004941 influx Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004949 mass spectrometry Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000003380 propellant Substances 0.000 description 1
- 230000029058 respiratory gaseous exchange Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization 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 the volume of closed sealed cavities in various complex systems used in vacuum technology, including in installations with placement of porous materials and / or structural elements of 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.There is a method for determining the volumes of tanks in which the pressure in the tank from which gas is bypassed is set above the bypass pressure before the direct and reverse gas by-passes, and the capacity into which the bypass is below the bypass pressure followed by the same time delay 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 №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 vessel, allows to increase the accuracy of measurements. However, the time delay with its incorrectly set (matched) values may negatively affect the results, since the times necessary for the onset of gas equilibrium when combining the tanks, i.e. when the pressure in them is equal, they depend 1) on the ratio of the volumes involved (involved) in the measurements, and in addition, 2) on the capacity of the channels through which the gas flows, 3) the conductivity of the shut-off regulator (valve) separating the vessels at bypass and 4) from the time of its opening. This, in turn, may introduce uncertainty in the measurement result due to the appearance of 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 drawbacks can also appear in the case of using the method of determining the volumes of tanks, in which an overpressure is applied to the measured capacitance in a calibrated volume, recorded by pressure measurement devices, and then the valve is used to transfer gas from the calibrated reservoir to the measured one, followed by recording the pressure in tanks, then in the measuring tank create an overpressure with respect to the calibrated and reverse gas bypass from the measured capacitance while the pressure in the measured capacity and the pressure drop between the tanks before the reverse bypass is maintained equal to the pressure in the calibrated container and the pressure difference between the tanks before the direct bypass, and the determination of the desired value is carried out using 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 meas , V k - volumes of measured and calibrated tanks, P k , P meas - pressure in calibrated and measured containers before direct bypass, P - steady state pressure in the system after direct bypass, - pressure in calibrated and measured containers before reverse transfer, - the established pressure in the system after the reverse bypass. Author's certificate number 714156, IPC G01F 17/00, 02/05/1980. This technical solution was made as a prototype.
Кроме того, данный способ является недостаточно точным ввиду 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 sufficiently accurate due to the error introduced due to the lack of consideration for the possible manifestation of the thermal effect associated with temperature changes during by-passes, when the outflow of gas is not a quasistatic isothermal process. The occurrence of possible disturbances in the thermodynamic balance between the capacities in the process of gas expansion due to 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, for which elimination 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 conditions), especially when determining the volume of microporous materials in process tanks (certificate of authorship 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 that make up complex polyblock vacuum systems consisting of the n-th number of volumes. Especially problematic in practical terms are measurements carried out with free volumes for structures with relatively small capacities, adjacent to volumes, which may be larger in magnitude by several orders of magnitude. Moreover, for 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 only be provided through elements of low conductivity, for example, through narrow channels of variable cross-section, which makes it difficult to obtain adequate measurement results, due to the relatively long duration required to achieve the maximum one-way conditions of clarity (isotropic) gas distribution volumes. In addition to this, with the appearance of temperature differences between the volumes connected by narrow pipelines, in the process of by-passes under the conditions of the molecular regime, the phenomenon of thermal effusivity (thermomolecular flow) occurs [G. Levin Fundamentals of vacuum technology, trans. from English - M .: Energy, 1969. - P. 15], at which the gas pressure in these volumes is redistributed in proportion to the square root of temperature. In this case, a change in gas temperature can occur directly in the measurement process, for example, due to the 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 an increase in the timing of the bypass may be an increase in the concentration of accumulated side gases from gas release and leakage in volumes, the identification and appropriate accounting of which without special tools and methodical 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 may also be due to either insufficient information or unreliability of data on individual characteristics of heat and mass transfer, on which the flow of gas in the system under consideration depends. In addition to the previously mentioned temperatures of the gas and its surrounding walls, these 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) pressure drop at the ends of individual sections and the system as a whole, 2) absolute pressure, 3) viscosity (internal friction of the gas), 4) 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 improve the accuracy and reliability when determining the volume of closed cavities, especially relatively small capacities 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 регулирующих 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 in that the method of determining the volumes of closed cavities, which are sealed rigid structures, consists in passing gas from a calibrated tank to the measuring tank and measuring the pressure in these tanks with subsequent implementation of the reverse bypass of the gas from the measuring tank to the calibrated one, at which the pressure in the measuring tank before the return bypass, the tanks are kept equal to the pressure in the calibrated tank before the bypass, the combined volume is evacuated m, consisting of successively connected measuring volume, one or more auxiliary volumes and calibrated volume separated by control valves, in a calibrated volume create a control gas pressure of a relatively high pressure of a given value measured by an absolute pressure pressure transmitter with a measuring range in the relatively high pressure region, based on the condition that after the bypass of the gas in the combined volume should be established equilibrium pressure, corresponding to the molecular flow conditions (Kn> 0.33 is the Knudsen number), the created portion of the gas is maintained in a calibrated volume with a given exposure, and in parallel with the exposure the auxiliary and measuring volumes are subjected to vacuuming, the depth of the vacuum in which is determined by a given level of vacuum recorded by a wide-range gauge the converter, simultaneously with the measurement of the pressure, records the gas temperature in these volumes, before the exposure time lasts evacuating the auxiliary and measuring volumes simultaneously stop and at a given moment carry out a direct bypass of the gas portion from the calibrated volume to the above volumes, control over pressure and temperature after the bypass is carried out until a linear increase in the output signal from the absolute pressure gauge converter is established with a measurement range in the region of relatively low pressure, then produce a joint evacuation of the combined volume to a value not exceeding breathing a specified level of dilution, upon reaching it, pumping out a calibrated volume is covered for a time equal to the duration of the exposure interval in a given portion of the portion with the control gas pressure of a previously specified value and repeat operations that are directly related to gas transfer, but already accumulated as a result of desorption and overflows carried out in the same time interval, then re-perform all the above operations, using the measurement volume during the creation of portions e gas portion to reverse the bypass in the latter ensures the establishment of a control gas pressure equal to the pressure prepared in a calibrated volume for a direct bypass, with auxiliary and calibrated volumes being evacuated in the intervals between the bypasses until the background concentrations not exceeding the previously specified value are obtained herewith, if at the selected pressure level of the control gas in the generated portions in the calibrated and measuring volumes, the pressure reached after direct and reverse by-passes will not correspond to the level of rarefaction typical of molecular conditions and / or it does not exceed the minimum reliable level of the output signal of an absolute absolute gauge transducer with a measuring range in the relatively low pressure region, then by appropriate selection or calculation of the control gas pressure in batches correlate to the required level with the repetition of all the above-mentioned operations; based on the results obtained, a concentration graph is plotted Ion dependence on time, using the least squares method, approximates sections of the graph characterized by “background” and “useful” signals, find the corresponding increments or difference of gas pressures, referred by extrapolation at the time of the beginning of the forward and reverse flow transfers, and determine the desired value by the 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 ΔP 1 , ΔP 1 ' are the increment values of the signals of the absolute pressure gauge converter with a measurement range in the relatively low pressure region after the expansion of the control and background secondary gas, respectively, from the calibrated to the auxiliary volume, including the measuring volume, obtained by the correlation-regression methods analysis related to the beginning of the direct bypass portions, Pa; ΔP 2 , ΔP 2 ' are the increment values of the signals of the absolute pressure gauge converter with a measurement range in the relatively low pressure region after the expansion of the control and background secondary gas, respectively, from the measuring volume to the auxiliary volume, including the calibrated one, obtained by the methods of correlation and regression analysis referred to the beginning of the reverse bypass portions, Pa; V k - capacity calibrated volume, m3, V MOD - capacity measuring volume, m3; T 1 is the temperature of the gas and the walls of the calibrated volume before the direct bypass, K, T 2 is the temperature of the gas and the walls of the measuring volume before the reverse 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.FIG. 1 shows a diagram of a device for implementing a method for determining volumes of closed cavities, where: 1 is a measuring volume; 2 - high vacuum control valve; 3 - absolute pressure gauge transducer with a measurement range in the area of relatively low pressure; 4 - auxiliary (technological) volume; 5 - absolute pressure gauge transducer with a measurement range in the field of relatively high pressure; 6 - high vacuum control valve; 7 - calibrated volume; 8 - gas metering device (leak); 9 - high vacuum control valve; 10 - wide-range manometric transducer; 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)).FIG. 2 shows the theoretical curves of the change in pressure of the control gas with an increase in its volume over time, taking into account the specified integral flows from gas release and leakage in auxiliary volumes — the graph shows curves a) and c) with flows of 1.0⋅10 -7 Pa 3 / s and 5.0⋅10 -9 Pa⋅m 3 / s, respectively, and the measuring volume - curves b) and d) with integral flows of 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.FIG. 3 shows a superposition of typical graphs of pressure change dynamics characterizing the main processes in the system associated with direct and reverse control gas by-passes recorded using an absolute pressure pressure transducer (curve e) and a total pressure ionization sensor (curve f) when determining the value of the measuring volume in the vacuum system installation UFKG.
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).FIG. 4 is an illustration of a typical graph of changes in total pressure values characterizing the main processes in the system associated with direct and reverse gas by-passes with a dwell time of 5 minutes during the procedure for determining the volume of the measuring capacitance at the UFG unit with a graphical representation of the results of the approximation and extrapolation of the pressure function P = F (t) at the initial time reference point (t = 0), obtained by mathematical methods using the 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 the calculations use exactly the pressure increments determined using regression analysis methods and subsequent extrapolation of the resulting functional dependencies beyond the specified time interval, the boundary of which is the beginning of the forward and reverse flow transfers, t. e. when the gas has not yet begun to spread over the combined volume. In this case, the pressure drops between the tanks, with equal pressures of the control gas in the calibrated and measuring tanks, before the forward and reverse by-passes may differ (be not equal) between themselves. The use of the above increment at the time of the 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 gas temperature fields in the volumes during the measurements. Since possible differences in gas temperatures in the 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 the bypass (forward / reverse) contributes to 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 terms of thermodynamic balance, that is, when their temperatures are equal, determined by the temperature of the non-thermos atirovannoy environment.
Достоверность получаемых результатов также обеспечивается и за счет того, что в условиях аддитивности 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 conditions of additivity of the processes occurring in time, the values of pressure increments are free from additional errors caused by the influence of the desorption and leakage flows in the calibrated and measuring volumes, since they are reproducible processes that are mutually compensated in the calculations . At the same time, the influence from the side of non-excitable distortions of background characteristics due to the possible manifestation of sorption phenomena, especially if microporous materials are placed in the system, is also 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 above, the accuracy is enhanced by taking into account the influence of gas side components due to the tribological effect manifested locally on the surface areas of the friction pair “valve-saddle”, in which tribostimulated desorption of previously sorbed molecules formed during the bypass at the moment of valve opening is observed from the friction surfaces as well as gases released from the bound state from the bellows bellows surface 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 schematic diagram of the installation for determining the volumes of closed cavities has been changed: instead of two volumes in the system, there is auxiliary (technological) tanks, which are present in almost all vacuum systems, while not having any negative effect on the measurement accuracy under certain conditions. It should be noted that under molecular conditions, the pressure ratio does not depend on the number of containers to be connected. Moreover, if between the measuring and calibrated volumes, in the same temperature conditions, install additional tanks with a different temperature, then this will not affect the pressure in the measuring and calibrated volumes [Rozanov L.N. Vacuum technology. Textbook for universities in the specialty "Vacuum Technology". - M .: Higher School, 1990. - P. 56] taking into account the fact that the pressure sensor must be located outside the area of auxiliary volumes. However, the presence of additional gaseous medium (load) in auxiliary volumes imposes certain additional restrictions on the performance 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 of determining the volumes allows to increase the accuracy and reliability of measurement results, especially when implementing the method on non-heated 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 error, measurements should be carried out either under relatively slowly changing environmental conditions, or with the constancy of their parameters, in particular, temperature (within room indices) and atmospheric pressure. The temperatures of the control gas close in values to the conditions of room temperature at direct and reverse bypasses may differ, but in each of these cases, the gas temperature before each such bypass must be equal to the temperature of the surrounding walls, as well as the walls of the volumes and pipelines along its path, including absolute pressure gauge temperature transducers. In addition, the temperature parameters of the system with appropriate overlaps (discharges) of accumulated portions of the same volume with the gas medium, the appearance of which is caused by the presence of flows from desorption and leakage, must also be exactly correlated with the value of the control gas temperature during the forward and reverse overshoots, 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 mode, the equilibrium pressure of the gaseous medium in the volumes, established after the bypass, taking into account gas evolution and leakage, due to the influx of air components through leaks, is determined by the temperature of the surrounding walls, since there are no intermolecular collisions, i.e. There is a thermodynamic equilibrium of gas and the environment. In case of operative (fast) opening of the control valve, the process of gas expansion is fast-flowing, and there is practically no heat exchange between the gas and the environment, 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), when Q = 0 and A = 0, there is no change in the internal energy of a gas in such a system, and in relation to an ideal gas there is no change in temperature in such a system. For real gas during adiabatic expansion into vacuum (as previously noted), the gas temperature changes in the direction of its cooling, so 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 ideal gas state. But since, as previously noted, the temperature of the walls of the above chambers before the forward and reverse by-passes may differ (for example, due to the relatively long duration of the measurement cycle and the drift of environmental temperature parameters), and, in addition, changes in gas temperature may follow directly in the process of by-passes under the action of a pressure differential when a gas flows through a narrow channel (Joule-Thomson effect), in the proposed method, these discrepancies are taken into account and, moreover, partially and are based on the 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 measurement and calibrated V to volumes under viscosity conditions (creating gas portions under molecular conditions is impractical due to an 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 are the pressures / concentrations 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].You should pay attention to the fact that under the conditions of the viscous regime at different gas temperatures, the pressures in the volumes can be equal, and the concentrations - different [I Groshkovsky. High Vacuum Technology, trans. V.L. Bulat, - M .: Mir, 1975, - p. 56].
После перепуска на основе уравнения Клапейрона (без учета побочных газовых процессов) можно записатьAfter the bypass, based on the Clapeyron equation (without taking into account side 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 other things being equal - the equilibrium pressure of the control gas after the direct and reverse bypass, respectively; - the temperature of the walls (gas) of the combined volume after the return 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 расширении (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 forward and reverse by-pass no temperature gradients are provided. In this regard, it is necessary that all parts of the system from the combined volume before the overshoots are in the same temperature conditions. However, if there is an element of low conductivity between the volumes, if the pressure is relatively low, a molecular flow occurs in the latter and thermal effusions take place, caused by gas cooling as it expands (especially when using real gases), therefore its temperature (T 1 , T 2 ) changes However, it is necessary to note the following: if the conduction of pipelines between the volumes is large enough, there is practically no thermal effusivity.
При совместном решении формул (4а) и (4б) при равенстве давлений P1=P2 искомую величину объема можно определить из следующего выражения:When jointly solving formulas (4a) and (4b) with equal pressures P 1 = P 2, the required volume can be determined from the following expression:
Поскольку и для данного способа в действительности определяются в виде приращений давления, полученных путем аппроксимации 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, in reality, they are defined as pressure increments obtained by approximation followed by extrapolation of their values at the time of the start of the bypass, then in expression (5) the quotient can be ignored i. temperature gradient of gas (if available) 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 equation of measurement (2), which is used to determine the desired volume.
Необходимость введения температурных 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 need to introduce temperature corrections in the calculations can be reduced to zero, if the absolute pressure transducer, apart from its own thermal stabilization (this hardware function is quite common for absolute gauges in modern conditions), there is an opportunity
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 of the temperature of the measured gas, as well as the type of this gas, affecting along with other parameters on the accuracy of 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. At the same time to implement the method, it is necessary that the gas flows Q meas , Q c and Q Σ , characterized by the values of the background concentration of the control gas (background) taking into account the secondary surface gas evolution from the walls and leakage in the sealed measuring and calibrated closed volumes, as well as the background in the volume of the 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 the increase in pressure, with the constancy of the values of the gas flows noted above, flows faster than in a relatively large volume. The limiting increase in the total pressure (Р meas , Р к , Р Σ ) in the above volumes, caused by gas emission and leakage, in order to obtain reliable results of measurements, should not exceed half of the partial pressure of the control gas, i.e. Р ism , Р к , Р Σ ≤ (Р 0/2 ). For calibrated and measuring volumes (P k, P meas), this condition must be satisfied throughout the predetermined time delay (to bypass) and for the volume of the auxiliary capacitances P Σ considering associations with a volume measuring / calibrated with its gas component flow - immediately before the bypass and during the entire time spent on measurements. This provides 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 decide how much the values of the calibrated and measuring volumes may differ from the volumes of auxiliary tanks used in the measurements, taking into account the differences in the values of the integral side flows in the volumes. Theoretical studies have shown that with the following parameters: 1) volume ratio, for example, V meas / V Σ = 2.3166⋅10 -2 (V к / V Σ = 1.1202⋅10 -2 ), 2) conductivities 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 levels of 10 -9 / 10 -9 / 10 -9 Pasem 3 / s, respectively, with the established difference of the total pressure not more than 0.1%, the time required for equalization after the bypass will be 1.1 s. With 10 -8 / 10 -8 / 10 -8 Pa -m 3 / s streams with this discrepancy no more than 0.1% (1%), the time interval for alignment will increase to 80.81 s (3.09 s), and with streams of 10 -7 / 10 -7 / 10 -7 Pa- 3 / s - up to 149.3 s with a difference of 0.1% and 25.56 s with a difference of pressure of 1%. When the ratio of the volume V MOD / V Σ = 2,3166⋅10 -3 (V k / V Σ = 1,1202⋅10 -3) and the values expressed above
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 the calculation results. Therefore, for the implementation of the proposed method, it is necessary that the ratio of auxiliary tanks and measuring / calibrated volumes for given values of integral flows (Q meas , Q c , Q Σ ) in them, the values of which should not exceed 1⋅10 -7 Pa⋅m 3 / c, satisfies the following inequality
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%.Analytical evaluation 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 one. It should be noted that the discrepancy of pressures in volumes, while respecting 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 above upper limit value of the integral flows in volumes is a practically achievable parameter for sealed systems, since leaks of> 1 >10 -7 Pa-s 3 / s are eliminated even at the stage of assembly and commissioning works, and gas outflows with such a level can to be significantly reduced either by evacuation with simultaneous high-temperature heating of all structural elements involved in the measurements, or (if the latter is not possible) due to a 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 with surfaces forming vacuum volumes, it is necessary to “wash” the vacuum system several times with a control gas flow using a gas metering device (leak) at pressure levels close to the upper limits at which pressure (molecular-viscosity) is maintained (exists). a) gas flow regime in a vacuum system with continuous pumping by a high vacuum pump followed by pumping residues to a predetermined level of vacuum.
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-регулирующих 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).Closing 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 maintained exposure period, the evacuation of the auxiliary and measuring volumes with
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 closing of the regulating
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 the calibrated and measuring volumes, the pressure reached after the forward and backward bypasses does not correspond to the vacuum level characteristic of the molecular conditions, and / or it does not exceed the minimum reliable output level of the absolute pressure transducer with a range measurements in the field of relatively low pressure, then by appropriate selection (calculation) of the control gas pressure in correlated portions rushes 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, graphs of measurements are constructed (see Fig. 3), and on the basis of the results obtained by means of regression analysis, for example, using the least squares method, the registered areas characterized by "background" and "useful" signals are approximated (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 a “useful” signal, obtained by mathematical methods, is extrapolated to a point corresponding to the instant of the start of the bypass. As a result, the difference ΔP 1 is determined between the pressure value of the portion of the control gas in the combined volume of the vacuum system after a direct bypass taking into account the background, leakage, gas evolution and the tribological gas component from the surfaces of the calibrated volume materials, and the residual pressure in the combined volume of the vacuum system impurities (desorption, leakage, etc.), referred to the time point of the bypass, respectively. The same mathematical processing associated with the determination of the pressure difference produce and with data on the "background", obtained by bypassing the control gaseous medium from the measuring volume into the combined volume of the vacuum system, taking into account third-party (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 the reverse bypass are subjected to analogous mathematical processing: an algorithm for constructing calculations of the defined increments ΔP 2 and completely repeats operations related to the search for the “best” regression lines based on correlation and regression analysis, as a result of which the 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 capacity of the measuring volume is estimated by the ratio (2) taking into account the temperature indices of gases in the measuring and calibrated volumes immediately before the forward and reverse overshoots.
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 exposure time is characterized by the time during which evacuation of the residual control gas from the volumes of the vacuum system involved in the creation of the control portion to the establishment of a pressure below a specified vacuum level takes place. In this case, a certain role is played here by the effective pumping rate and the value of the integrated residual gas flow from the surfaces of the volume, as well as the porous material placed (placed) in it together with air components penetrating the evacuated combined volume of the vacuum system through 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 b_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 - the initial and final setpoint pressure of the control gas recorded by absolute pressure transducers (use of indirect action transducers, such as a wide-range pressure gauge sensor, is acceptable) 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 - the combined (total) volume of free space from the auxiliary volumes together with adjacent cavities of the vacuum system with connected absolute-sized pressure transducers and one of the volumes (calibrated or measuring) depending on where at the time of pumping the created portion of control gas is contained, 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 is the integrated flow, characterized by leakage flows from the leaks and the total component from the desorption flows from the walls of the vacuum system, Pa 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 for monitoring tightness, for example, gauge (vacuum). As an estimated value of the effective pumping speed of a vacuum system for engineering calculations, it is possible to take the value of the volume of gas flowing per unit of time through the cross section of a high-vacuum control valve, whose throughput, usually by air or nitrogen, is one of the main technical parameters specified in its maintenance materials (passport, instruction manual, etc.). Finally, in the absence of the above-mentioned values of the parameters for the calculation, the value of this time interval t in_min can be estimated in advance 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 with the use of a vacuum system of an automated heated mass spectrometry installation of the final control of the tightness of gas-filled dischargers UFKG [S. Bushin, S.S. Galkin. The results of the trial operation of the 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, a microcavity was used, formed from voids based on the design of a high-vacuum controlled angular valve, one of the joints of which (from the side of the valve-saddle pair) is plugged with a special all-metal flange having a cylindrical protrusion with a linear dimension (26.7 mm) and a diameter close to the internal diameter of the surface surrounding it, acting as a free-volume propellant. The capacity of the batch calibrated microvolume V microns , determined by the gravimetric method under normal conditions, is estimated to be 0.63553⋅10 -6 m 3 ; the value of the mean square error σ 0 (V microns ) 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 angular valve counter flange is docked to an expansion tank with a capacity of 2.0899 dm 3 , which has a connection with the vacuum path line, consisting of a sequence of several process volumes connected to each other, separated by similar ultrahigh-vacuum controlled valves with large diameters of the nominal passage. A collector with welded 8 nozzles in the form of beams located symmetrically with a 360 degree sweep angle is docked to the last of them; A single measuring volume of the same construction is connected to each nozzle.
Измерительный объем представляет собой цилиндрическую 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 a split collet with a miniature gas-filled device is located on one side. The collet has special internal grooves for protruding disk electrodes of the device with axially arranged rings made of vacuum-tight ceramics (it should be noted that, despite the mention of the vacuum density of the ceramics used, the surface of the device envelope is a porous structure); The shell 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 mated by one of its ends with a collet through a groove undercut, and a second end located at a distance of ≈ 1 mm opposite the end of the plate (seal a) controlled pneumatically actuated ultrahigh vacuum valve (the normal state of the valve is closed). Opening time (closing) of the 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 on the basis of 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 безмасляным спиральным насосом типа ISP-90.To maintain the vacuum in the volumes of the vacuum system in the process of measurement, a HiPace 80 series turbomolecular pump is used, which works in conjunction with an ISP-90 type oil-free spiral pump.
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 areas of comparative high and low pressures can be carried out with a single absolute pressure gauge transducer with a measurement range that extends to these pressure areas (a combination of 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)%.In preparing gas portions in a calibrated and measuring volume, an absolute pressure transducer of type 690A01TRA was used, working in conjunction with a vacuum gauge (controller) of the type MKS "Baratron" type 670V. The basic relative error of measuring the portion of the test gas for the range from 1.0⋅10 -3 Pa to 1.333⋅10 2 Pa, measured by an exemplary MKS Baratron vacuum gauge with a 690A01TRA membrane-capacitive sensor, 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 transducers, whose work is based on different principles [see: G. Eschbach. Practical information on vacuum technology. Obtaining and measuring low pressures. Transl. From German B. Korolev, - M.-L .: Energia, 1966. - P. 90]) during testing, pressure measurement was also carried out using a wide-range combined pressure sensor PBR260 (Bayard-Alpert type), which is controlled by means of an I / O220 I / O module built into the QMG220 PrismaPlus QMG220 PrismaPlus quadrupole mass spectrometer; The basic 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 capacity of the
Расчетная оценка значения измерительного объема Vизм перед испытаниями составляла, приблизительно, (1…2)⋅10-6 м3 (1…2 см3).The estimated values of the measuring volume V edited before testing 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 resistances of pipelines to the location of the wide-range pressure transducer PBR260 (S 0 ≈ 2.5 ... 5 dm 3 / s), the calculated value of the minimum exposure time t b_min (see formula 3) is estimated at ≈ (10 ... 20) . 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 injection system were evacuated to a pressure of ≤ 5⋅10 -5 Pa (5⋅10 -7 mbar), achieved taking into account the start of the TMS under 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 the pressure and temperature readings is about 1 s, while the time allowed for control measurements, taking into account the linear increase in the signals of the manometric sensors, was more than 2 minutes (i.e., this corresponds approximately to removal ≈ 120 sample points 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 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. Initially, 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 runs into the volumes of the vacuum system. As a result of the control, it was established that an acceptable value in the prepared portion is a pressure not exceeding 133.32 Pa (1 mm Hg).
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 - P 0 control gas were set at 133.32 Pa (the upper level of the MKS Baratron measurement 690 A01TRA) and not more than 1.510 -4 Pa, respectively. The pressure of the control gas when creating portions was reproducible from portion to portion (the spread in values was no more than ± 0.015 Pa) due to the backward electrical communication provided by the MKS Baratron type 670 V vacuum gauge (controller) and the metering unit gases (leak) 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 Phase II of the tests included alternating operations associated with simultaneous temperature control and evacuation of the above-mentioned volumes to a vacuum level not exceeding 1⋅10 -4 Pa, with specified exposure times of 1 and 5 minutes (see Fig. 4), followed by successive filling and by-passes from the calibrated volume to the auxiliary volumes together with the measuring volume and vice versa. Similar operations were carried out for the measuring microvolume. Table 1 presents the temperature values (K) (with an error within the experiment) “before” and “after” direct and reverse restarts, 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 pieces, determined by the formula (2) taking into account the background characteristics and temperature coefficients (amendments), 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 the additional work on their mechanical refinement, which were necessary after the end of the welding operations with the camera bodies, to achieve the interchangeability conditions of their constituent elements.
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 (out of 8 units) values of the free volume of a closed measuring cavity with a displacer of volume and a miniature device, measured using an absolute action transducer of the MKS Baratron type and a wide-range PBR260 transducer, 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. It is obvious that both values have practically similar indicators, and this gives reason to believe that the results obtained, based on the commonality of data from two different types of converters, confirm the correctness of the results obtained. At the same time, despite the fact that vacuum gauges of non-absolute action for translating signal-readings (readings) into pressure values for a particular gas require knowledge of its coefficients of relative sensitivity, in the proposed method this information is not necessary: the coefficients ultimately reduce determining the desired volume value. This, in turn, makes it possible, if necessary in practice, to use the vacuum gauge hardware available on vacuum systems and installations to determine the volumes sought for.
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 comparative insignificance of the T 2 / T 1 ratios obtained during testing due to their smallness, for correctness of calculating the volume values they should be taken into account in the calculations in the form of the corresponding multiplier, since the correctness of the results is determined by the systematic error tending to zero. It should be noted that the difference in the temperature values of the walls of the volumes of the vacuum system before the forward and reverse by-pass by 1 K causes 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 measurement chambers, estimated as a single volume (all 8 valves connected via flange connections to the chambers were in the “open” state). The obtained average value of the measurement volume was 1.23723 cm 3 . The measurement error relative to the average of eight values obtained from the MKS "Baratron" pressure sensor readings is estimated to be 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 flow of leakage and gas evolution in auxiliary volumes, taking into account the expansion coefficients V meas / V Σ , (V c / V Σ ), obtained after determining the known volumes with a given value of the control gas pressure in a batch (133.32 Pa), taking into account the requirement that after a bypass the signal / background ratio (as previously noted) should be at least 2 at the set exposure time, for example, 15 min, showed that its value should not exceed the values of 9.73⋅10 - 8 Pa 3 / s bypass e from measuring and 4.71⋅10 -8 Pa⋅m 3 / s from calibrated volumes. With an exposure of 5 min, the same parameters should have the following values: 1.46⋅10 -7 Pa⋅m 3 / s and 7.0610 -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 real values of the integral flows Q meas , Q c , Q Σ from gas evolution and leakage through leaks in the corresponding volumes of the vacuum system were estimated (using the manometric method) with the following values: Q meas ≈ 2.83⋅10 -9 Pa⋅m 3 / s , Q to ≈1.21⋅10 -9 Pa⋅m 3 / s and QΣ≈2.55⋅10 -8 Pa⋅m 3 / s, while the values of the coefficients from private and included in the measurement formula (2), when testing, taking into account the values of background collateral integral fluxes, did not exceed 1.45%. It should be noted here that on unheated vacuum systems, similar indicators of side processes exceed the numerical values of the flows by orders of magnitude actually obtained during testing. At the same time, the absence of the necessary consideration of the background characteristics can significantly distort the final results due to the occurrence of errors that can reach several tens of percent.
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 of determining the volumes of closed cavities, the accuracy and reliability of the results obtained is improved, which allows, without resorting (unnecessarily) to other methods and methods, including weight methods, which can not always be used in practice, sufficiently accurate measurements on the basis of available technical means, which are part of most vacuum installations 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 RU2680159C1 (en) | 2019-02-18 |
RU2680159C9 true 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) |
Families Citing this family (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 |
CN103017850B (en) * | 2012-11-27 | 2014-06-25 | 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 |
CN103017850B (en) * | 2012-11-27 | 2014-06-25 | 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 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2680159C1 (en) | 2019-02-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN107036769B (en) | It is a kind of for calibrating the system and method for different probe gas vacuum leak leak rates | |
CN108151961B (en) | Extreme high vacuum calibration device and method | |
US20200402783A1 (en) | Novel partial-pressure mass spectrometer calibration device and method | |
US10684159B2 (en) | Methods, systems, and apparatus for mass flow verification based on choked flow | |
KR100724092B1 (en) | An in-stu calibration apparatus of vacuum gauge by absolute and comparison method | |
US9958353B2 (en) | Apparatus and method for quantifying fluid loss in a closed system | |
US9784637B2 (en) | Adsorption characteristic measuring apparatus | |
KR20180091901A (en) | Leakage test apparatus and method | |
RU2680159C9 (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 | |
JPWO2015041115A1 (en) | Gas permeability measuring device | |
CN106679897A (en) | Leakage hole's leakage rate measuring apparatus | |
CN106289666B (en) | Calibration device and method for vacuum leak at ambient temperature | |
CN109374827B (en) | Device and method for measuring PVT (pressure-volume-temperature) property of high-temperature high-pressure gas | |
CN109443653B (en) | Gas sampling system and method for micro leak rate positive pressure leak hole calibration | |
RU2679476C1 (en) | Device for determination of volumes of closed cavities | |
Poulter | Vacuum gauge calibration by the orifice flow method in the pressure range 10− 4-10 pa | |
Ellefson et al. | Recommended practice for calibrating vacuum gauges of the thermal conductivity type | |
Feng et al. | Development of a new very low helium gas flow generation and measurement system | |
RU2457454C1 (en) | Method of determining air-tightness of articles operating under external pressure | |
RU2431817C1 (en) | Pneumatic source of low pressure | |
RU2716474C1 (en) | Method of determining leakage of articles operating under external pressure and internal excess pressure | |
Cheng et al. | Gas Expansion Process in the Dynamic Vacuum Calibration | |
JP7249030B2 (en) | Volume measuring method in flow measuring device and flow measuring device | |
RU2811533C1 (en) | Method for testing multi-cavity products for total leakage |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TH4A | Reissue of patent specification |