ПРИБОР ДЛЯ ВАКУУМНЫХ ИСПЫТАНИЙ Российский патент 1995 года по МПК G01M3/16 

Изобретение относится к технике вакуумного приборостроения на магнитотепловом принципе определения степени негерметичности вакуумных систем (течеизмерения), использующем связанный с парамагнетизмом кислорода эффект уменьшения его теплопроводности в магнитном поле, тепловом принципе течеискания, использующем зависимость теплопроводности газовых смесей от их состава, и тепловом принципе Пирани измерения общего давления (основанном на зависимости величины подогреваемого термосопротивления от давления). Оно может найти преимущественное применение в технике вакуумных испытаний герметизируемых систем при форвакуумных давлениях остаточных газов.

Известен течеискатель для испытаний вакуумированных систем, основанный на зависимости теплопроводности газов от их состава [1], содержащий датчик, состоящий из измерительной камеры с плоским термочувствительным элементом в виде пироэлектрического преобразователя (ПЭП), укрепленного через слой теплоизоляции на ее стенке, и установленным параллельно к нему нагревателем, выполненным в виде плоской пластинки с обмоткой подогрева, источник постоянного тока, подключенный к нагревателю, усилительное устройство для регистрации электрических импульсов, содержащее на входе усилитель постоянного тока, подключенный к ПЭП.

Однако течеискатель не может быть применен для определения степени суммарной негерметичности (в качестве течеизмерителя) и для измерения общего давления.

Известен основанный на эффекте изменения теплопроводности кислорода в магнитном поле кислородный течеизмеритель [2], содержащий датчик, состоящий из помещенной в соленоид измерительной камеры с плоским термочувствительным элементом в виде ПЭП, который закреплен внутри камеры на ее корпусе на плоском теплоотводящем элементе, и установленного параллельно к нему нагревателем, выполненного в виде плоской изоляционной пластинки с обмоткой подогрева, источника постоянного тока, подключенного к нагревателю, источника пульсирующего тока низкой частоты, подключенного к соленоиду, измерительного усилителя, настроенного на частоту пульсирующего тока, подключенного к ПЭП.

Недостатком описанного кислородного течеизмерителя является невозможность его использования для эффективного течеискания и измерения давления.

Известен прибор [3] (вакуумный тестер), для которого описанный кислородный течеизмеритель взят прототипом.

Заявленный прибор позволяет с помощью одного магнитопироэлектрического датчика не только выполнять функцию течеизмерения, но и искать место течи, а также измерять давление на принципе манометра Пирани, используя для этого соответствующую конструкцию нагревателя.

Датчик содержит два, имеющих противоположные моменты поляризации пироэлектрических преобразователя (ПЭП), которые расположены симметрично по разные стороны от установленного вдоль оси измерительной камеры нагревателя и подключены к входам дифференциального усилителя постоянного тока. Оба преобразователя теплоизолированы от ее корпуса. Нагреватель выполнен в виде плоского термосопротивления и включен в плечо моста Уитстона постоянного тока, измерительная диагональ которого служит для измерения давления и подсоединена к третьему входу дифференциального усилителя. Выход последнего с помощью коммутирующего устройства может попеременно подключаться к течеизмерительному усилителю, настроенному на частоту пульсирующего тока, питающего соленоид, к течеискательному усилителю, а также к показывающему прибору при измерении давления. Коммутирующее устройство выполнено в виде регулятора частоты среза.

В этом устройстве предусмотрена возможность переключения используемого при измерении давления показывающего прибора также к выходам течеизмерительного и течеискательного усилителей.

Цель изобретения - повышение чувствительности и упрощение конструкции прибора.

Это достигается тем, что усилитель постоянного тока представляет собой усилитель недифференциального типа с одним входом, соединенным с одним ПЭП, измеритель давления выполнен с автономным измерителем, прибор снабжен переключателем, выполненным с возможностью отключения источника пульсирующего тока от соленоида при течеискании, а усилитель постоянного тока размещен в датчике совместно с пироэлектрическим преобразователем в одном стакане, экранирующем их от магнитного поля соленоида.

Кроме того, ПЭП и входной усилитель постоянного тока образуют единую конструкцию - пиромодуль, а электрические выводы от элементов датчика выполнены бифилярно.

На фиг.1 и 2 изображен предлагаемый прибор.

Датчик прибора состоит из выполненной из металла измерительной камеры 1 и надетого на нее соленоида 2. Камера содержит теплоизолированные от ее стенок теплочувствительный элемент 3, выполненный в виде плоского ПЭП, и расположенный параллельно к нему плоский нагреватель 4, выполненный в виде термосопротивления, которое образует плечо моста 5 Уитстона постоянного тока, служащего измерителем давления на принципе Пирани. Мост питается от источника 6. К ПЭП 3 подключен усилитель 7 постоянного тока. Элементы 3 и 7 образуют единую, помещенную в экранирующий стакан 8, конструкцию-пиромодуль. С помощью коммутирующего устройства 9 к соленоиду может быть подключен источник 10 пульсирующего тока, а к усилителю постоянного тока 7 попеременно могут быть подключены течеизмерительная усилительная схема 11, выполненная в виде избирательного усилителя, настроенного на частоту пульсаций источника 10, и течеискательная схема 12 усиления электронных импульсов.

Корпус измерительной камеры представляет собой дюралевый стакан внутренним диаметром 30 мм длиной 120 мм, ПЭП 3 выполнен из танталата лития (LiTaO₃) с приемной поверхностью в виде диска диаметром 3 мм; его толщина 50 мкм. Края ПЭП (за пределами приемной поверхности) имеют тепловой контакт с теплоотводящим элементом. В качестве пиромодуля использован предназначенный для регистрации излучения промышленной пиромодуль типа ПМ-4, с которого удален оптический фильтр. В качестве усилителя постоянного тока в нем использован полевой транзистор, который имеет относительно малые шумы, его входное сопротивление того же порядка, что у ПЭП (≈10¹¹ Ом), а выходное сопротивление порядка килоомов.

Нагреватель 4 установлен вдоль камеры 1 параллельно плоскости ПЭП 3 на расстоянии 7 мм от нее. Он выполнен в виде слюдяной пластинки, на которую намотана шагом 1 мм платиновая проволока диаметром 30 мкм. Напряжение на проволоке 8 В, при этом ее температура ≈ 100^оС. Конструкция нагревателя обеспечивает его виброустойчивость в магнитном поле соленоида.

Один торец стакана измерительной камеры 1 выполнен в виде уплотненного с ним фланца, на котором смонтированы все элементы камеры. На другом торце стакана имеется штуцер для подсоединения к испытываемой вакуумной системе. Амплитудное значение пульсирующего тока соленоида ≈0,09 А, его частота 0,3 Гц. При этом амплитудное значение магнитного поля 10 Э. Соленоид имеет магнитную экранировку от внешних полей, вес датчика ≈ 0,7 кг.

В измерительную диагональ манометрического моста 5 включен показывающий прибор, прокалиброванный для измерения общего давления в диапазоне 0,01-0,5 Торр.

Течеизмерительный усилитель 11 состоит из построенного на интегральных микросхемах RC-усилителя, настроенного на частоту источника 10 и управляемого этим источником, подключенного к усилителю синхронного детектора.

Описанный датчик служит также и для течеискания. Для этого вместо узлов 5, 10, 11, обеспечивающих режим течеизмерения, к датчику подключается аналогичная течеискательная электронная схема, выполненная в виде усилителя постоянного тока, к выходу которого через две входные RC-цепочки подсоединены входы дифференциального усилителя с входными электрическими постоянными времени, разность между которыми Δτ больше и одна из которых меньше времени одноразового обдувания испытываемой системы пробным газом (Δτ 5 с).

Реально осуществлены (см. фиг.2) отдельно течеизмерительный электронный блок (включающий в себя узлы 5, 6, 10, 11) и течеискательный электронный блок (включающий узлы 6, 12). Описанный датчик с помощью подключенного к нему электрического кабеля может быть подсоединен к каждому из этих блоков через соответствующие электрические разъемы (с их помощью нагреватель 4 и усилитель 7 подключаются к узлам 11 и 12, а соленоид 2 - к источнику 10; в последнем установлен переключатель для возможности выключения соленоида).

Предложенный прибор для вакуумных испытаний (вакуумный тестер) работает следующим образом. Процесс вакуумных испытаний начинается с течеизмерения - определения степени суммарной негерметичности вакуумной системы с помощью вакуумно подсоединенного к ней описанного магнитотеплового датчика. С этой целью подключенный к датчику электрический кабель подсоединяется к течеизмерительному вторичному блоку. Течеизмерение проводится при общем давлении остаточных газов в системе в пределах 0,001-0,5 Торр.

Давление определяется на принципе манометра Пирани: используется температурная зависимость сопротивления платиновой обмотки нагревателя от давления газа в измерительной камере. Поскольку эта обмотка является плечом моста Уитстона, то по его разбалансу можно судить о давлении, оно регистрируется стрелочным прибором.

Чувствительность при измерении давления приблизительно такая же, что и у термопарного вакуумметра типа ВИТ-1.

Степень негерметичности определяется по скорости изменения содержания кислорода, натекающего из атмосферы. Возникающие в пульсирующем магнитном поле пульсации теплопроводности кислородсодержащей газовой смеси вызывают пульсации идущего от нагревателя теплового потока и вследствие этого пульсации температуры ПЭП 3. При этом поскольку ПЭП является сегнетоэлектриком в нем возникают пульсирующие изменения момента поляризации и в результате переменный ток.

По электрическим проводам, припаянным к имеющимся на обеих поверхностях ПЭП тонким металлическим покрытиям, служащим электродами, сигнал поступает на усилитель 7, а затем с его выхода по выполненным бифилярно проводам - на штепсельный разъем датчика и далее по электрическому кабелю через штепсельный разъем на вторичном течеизмерительном блоке, - на течеизмерительную схему 11. Сначала сигнал поступает на вход усилителя, настроенного на частоту пульсаций источника (≈ 0,3 Гц), а затем - на входы управляемого этим источником синхронного детектора.

После выпрямления детектором и фильтрации сигнал регистрируется стрелочным прибором, а также в зависимости от необходимости и подсоединенным к вторичному блоку самописцем КСП-4. При давлении остаточных газов 0,01-5 ^. 10^-1 Торр достигнута пороговая чувствительность ≈ 2 ^. 10^-6 Торр O₂, что соответствует скорости натекания 0,02 мТорр воздуха в час. Поскольку газоотделение кислородом внутри вакуумной системы обычно мало, то, в отличие от обычно применяемых, не избирательных к воздуху методов течеизмерения, в большинстве практических случаев время измерений сокращается в 5-10 раз, а в ряде случаев еще больше.

Процесс течеискания проводится при давлении в вакуумной системе ≈0,001-0,5 Торр после определения степени негерметичности, если она превышает допустимую норму. Это исключает нерациональные поиски мест течи. Для проведения течеискания подключенный к датчику электрический кабель подсоединяется к течеискательному вторичному блоку. При попадании пробного газа (гелия) в датчик изменяется теплопроводность содержащего в нем газа и в результате возникает импульсное изменение идущего от нагревателя теплового потока. При этом наступает импульсное изменение температуры ПЭП, вследствие чего происходит импульсное изменение его момента поляризации. В результате в ПЭП возникает импульс тока.

С электродов ПЭП сигнал поступает на усилитель 7 постоянного тока, а затем с его выхода по подключенному к датчику электрическому кабелю - на вход течеискательной схемы 12 вторичного течеискательного блока. При этом сигнал сначала поступает на вход усилителя постоянного тока, а затем через две независимые RС-цепочки - на входы дифференциального усилителя. Подобная схема позволяет исключить прохождение паразитных сигналов с постоянной времени большей, чем время обдувания пробным газом, что способствует улучшению стабильности показаний прибора.

Течеискательные сигналы регистрируются с помощью стрелочного прибора и подсоединенного к вторичному блоку самописца КСП-4. Достигнута пороговая чувствительность, соответствующая натеканию воздуха ≈ 0,02 мТорр в час, что примерно соответствует изменению концентрации гелия ≈ 10^-5 - 10^-4% при времени обдувания 1 с и близко по порядку величины к чувствительности гелиевого масс-спектрометрического течеискателя типа ПТИ-10. При этом, в предложенном тестере указанная чувствительность сохраняется практически независимо от остаточного фона гелия в испытываемой системе.

Таким образом, путем попеременного подсоединения подключенного к датчику электрического кабеля к течеизмерительному и течеискательному электронным блоком через соответствующие электрические разъемы можно последовательно осуществлять функции течеизмерения и течеискания с положительным эффектом, в частности упростить процесс вакуумных испытаний.

Применение пиромодуля и бифилярное выполнение выводов от элементов датчика позволяет уменьшить паразитный сигнал, вызванный наводкой от соленоида, до значения, равного или меньшего по порядку величины полезному сигналу, соответствующему содержанию остаточного кислорода в испытываемой системе.

Предлагаемый вакуумный тестер имеет более высокую чувствительность при течеизмерении и течеискании; более простой датчик; используется серийно выпускаемый опытно-промышленный образец ПЭПа.

Использование: вакуумные испытания герметизируемых систем при форвакуумных давлениях остаточных газов. Сущность изобретения: датчик выполнен в виде измерительной камеры 1, помещенной в соленоид 2, теплочувствительный элемент - в виде плоского пироэлектрического преобразователя (ПЭП) 3 и параллельный ему плоский нагреватель 4 размещены в камере. Термосопротивление нагревателя 4 образует плечо моста 5 Уитстона постоянного тока, являющегося измерителем давления на принципе Пирани и питающегося от источника 6. К ПЭП 3 подключен усилитель постоянного тока (УПТ) 7, размещенный вместе с ним в экранизирующем стакане 8, так что они образуют единую конструкцию-пиромодуль. С помощью коммутирующего устройства 9 к соленоиду 2 может быть подключен источник 10 пульсирующего тока, а к УПТ 7 попеременно могут быть подключены течеизмерительный избирательный усилитель 11, настроенный на частоту пульсирующего тока источника 10, и течеискательный усилитель 12 импульсных сигналов. ПЭП 3 теплоизолирован от стенок камеры 1. Электрические выводы от элементов датчика могут быть выполнена бифилярно. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ПРИБОР ДЛЯ ВАКУУМНЫХ ИСПЫТАНИЙ, содержащий датчик выполненный в виде помещенной в соленоид измерительной камеры с теплочувствительным элементом, выполненным в виде плоского пироэлектрического преобразователя, и с параллельно расположенным с зазором к нему плоским нагревателем, образующим плечо моста Уитстона постоянного тока, являющегося измерителем давления, подключенный к соленоиду источник пульсирующего тока низкой частоты, подключенный к пироэлектрическому преобразователю усилитель постоянного тока, течеизмерительный избирательный усилитель, настроенный на частоту пульсирующего тока, течеискательный усилитель импульсных сигналов, коммутирующее устройство, выполненное с возможностью попеременного подключения выхода усилителя постоянного тока к течеизмерительному избирательному и течеискательному усилителям, а пироэлектрический преобразователь закреплен в измерительной камере на ее корпусе через слой теплоизоляции, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и упрощения конструкции, усилитель постоянного тока представляет собой усилитель недифференциального типа с одним входом, соединенным с одним пироэлектрическим преобразователем, измеритель давления выполнен с автономным измерителем, а прибор снабжен переключателем, выполненным с возможностью отключения источника пульсирующего тока от соленоида при течеискании, а усилитель постоянного тока размещен в датчик совместно с пироэлектрическим преобразователем в одном стакане, экранирующем их от магнитного поля соленоида. 2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что пироэлектрический преобразователь и усилитель постоянного тока выполнены в виде единой конструкции - пиромодуля. 3. Прибор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что электрические выводы от элементов датчика выполнены бифилярно.