ПРИБОР ДЛЯ ВАКУУМНЫХ ИСПЫТАНИЙ Российский патент 1998 года по МПК G01M3/16 

Изобретение относится к технике вакуумного приборостроения на магнитотермокондуктометрическом принципе определения степени негерметичности вакуумных систем (течеизмерения), использующем связанный с парамагнетизмом кислорода эффект уменьшения его теплопроводности в магнитном поле, на 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.

Электрическая схема размещена во вторичном блоке, который подсоединяется к датчику с помощью электрического кабеля. В качестве пробного газа обычно используется гелий. Попадая в датчик, он вызывает изменение теплопроводности остаточного газа. В результате возникает изменение температуры ПЭП и, как следствие, электрический импульс, который поступает на входной усилитель.

Как показали проведенные в дальнейшем исследования этого течеискателя, его показания сильно зависят от размеров вакуумной системы и расстояния между расположенными на ней местом течи и датчиком. Это в большой степени связано с тем, что пироэлектрический сигнал пропорционален производной по времени температуры пироэлектрика и потому он сильно зависит непосредственно от скорости поступления в датчик напускаемого в испытываемую систему гелия, а также от постоянной времени отвода тепла от пироэлектрика.

Ниже пороговая чувствительность (при дальнейшем изложении чувствительность) гелиевого течеискания к определению места течи характеризуется минимально замечаемой при течеискании скоростью натекания воздуха (U_пор ) в испытываемую систему (в мТорр/ч).

Согласно результатам проведенных исследований наиболее хорошая чувствительность (в дальнейшем "идеальная" чувствительность) достигается, когда испытываемой системой является сам датчик, а течь создается на подсоединенной к нему короткой трубке.

Уточненная обработка данных, приведенных в [1], дает для этой ("идеальной") чувствительности значение 0,1 мТорр/ч.

Следует отметить, что здесь и ниже, в данной заявке, данные о чувствительности по течеисканию и течеизмерению, приведенные для всех аналогов в [1-4] , скорректированы, поскольку в этих работах в качестве грубых оценок чувствительности приводятся пороговые абсолютные ошибки измерений. Кроме того, в данной заявке отдельные численные значения (если не приводятся пределы их изменений) приводятся с относительной погрешностью не более 20%). В случае же, когда датчик и место течи расположены на испытываемой системе, размеры которой во много раз больше размеров датчика, чувствительность ("реальная") значительно ухудшается по сравнению с идеальной по мере удаления датчика от места течи. В данной заявке ниже приводятся только данные о реальных чувствительностях течеискания с помощью гелия, полученные при удалении расположенных на испытываемой системе датчика и места течи 0,5 м. При испытаниях объемов 5-15 л эти чувствительности на описанном течеискателе оказались (0,5-1) мТорр/ч.

Проведенные исследования позволили оценить поправочный коэффициент для определения реальных чувствительностей для описанных ниже аналогов [3-4], исходя из приведенных для них значений идеальных чувствительностей, подученных также на описанной в [1] установке либо на аналогичных ей. Именно эти исправленные данные будут приведены ниже при обзоре остальных аналогов.

Существенным недостатком течеискателя является ограниченность его функций: он не может быть применен для определения степени суммарной негерметичности (в качестве течеизмерителя) и для измерения общего давления. Кроме того, он не обладает достаточной помехоустойчивостью.

Известен основанный на эффекте изменения теплопроводности кислорода в магнитном поле кислородный течеизмеритель [2]. Он содержит 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 установленным параллельно к нему нагревателем, выполненным в виде плоской изоляционной пластинки с обмоткой подогрева, источник постоянного тока, подключенный к нагревателю, источник пульсирующего тока низкой частоты, подключенный к соленоиду, измерительный усилитель, настроенный на частоту пульсирующего тока, подключенный к ПЭП.

Возникающие в пульсирующем магнитном поле пульсации теплопроводности кислородосодержащей газовой смеси вызывают пульсации температуры и, как следствие, переменный ток, усиливаемый измерителем.

О степени негерметичности (скорости натекания воздуха из атмосферы - U_в) судят по скорости изменения парциального давления кислорода после прекращения откачки. При давлениях остаточного газа 0,02-0,5 Торр чувствительность к кислороду (O₂) составила 10^-4-10^-5 Торр, а чувствительность к скорости натекания воздуха (U_пор) оказалась 0,5 мТорр/ч, практически мало зависимой от внутреннего газоотделения. Здесь и ниже значения U_пор приводятся для времени наблюдения 1 ч и постоянной времени схемы прибора (τ) 30 с.

Вся электрическая схема течеизмерителя размещена во вторичном электронном блоке, который подключается к датчику электрическим кабелем. Основным недостатком описанного кислородного течеизмерителя является невозможность его использования для эффективного течеискания и измерения общего давления. (Следует отметить, что в авторской заявке на этот течеизмеритель была отмечена возможность его использования также для измерения общего давления на принципе Пирани. Ниже, однако, изложение ведется без учета наличия этого признака в указанном течеизмерителе, поскольку он не был включен в формулу изобретения, исходя из требования единства изобретения.)
Этого недостатка лишен прибор для вакуумных испытаний (вакуумный тестер), предложенный в патенте N 1780404 [3], для которого описанный кислородный течеизмеритель по а. с. N 1056026 взят прототипом. В отличие от последнего заявленный прибор позволяет с помощью одного магнитопироэлектрического датчика не только выполнять присущую прототипу функцию течеизмерения, но и искать место течи, а также измерять общее давление на принципе манометра Пирани, используя для этого соответствующую конструкцию нагревателя. Указанный тестер имеет следующие существенные отличия от кислородного течеизмерителя.

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 дифференциальному усилителю. Выход последнего с помощью коммутатора может попеременно подключаться к течеизмерительному усилителю, настроенному на частоту пульсирующего тока, питающего соленоид, к течеискательному усилителю, а также к регистрирующему прибору при измерении давления.

При течеизмерении с этим тестером U_пор составляет (0,5-1) мТорр воздуха в час, а при течеискании U_пор - (3-5) мТорр воздуха в час (что значительно хуже, чем у аналога [1], несмотря на то, что у последнего приемная поверхность ПЭП в 5 раз меньше чем у описываемого вакуумного тестера). Указанные чувствительности в ряде случаев недостаточны (особенно при течеискании). Этот недостаток в большой степени усиливается тем, что этот тестер обладает плохой помехоустойчивостью. Поэтому есть основания считать, что, как правило, его фактически достигаемые чувствительности при течеизмерении и течеискании значительно хуже указанных. Недостатками тестера являются также сложность конструкции датчика и использование нестандартных ПЭП. Основные недостатки этого прибора можно объяснить следующими причинами: 1) измеритель общего давления неоправданно подключен к основному измерительному усилителю; 2) входной усилитель постоянного тока размещен вне датчика, что неприемлемо при больших входных сопротивлениях; 3) не предусмотрено отключение соленоида при течеискании, что неоправданно создает большой фон.

Указанные недостатки в большой степени устранены в тестере [4]. Этот тестер, содержащий датчик, выполненный в виде помещенной в соленоид измерительной камеры с теплочувствительным элементом, выполненным в виде закрепленного на краях через слой теплоизоляции 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, выполненный в виде полевого транзистора 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, отличается от предыдущего прибора [3] тем, что усилитель постоянного тока представляет собой усилитель недифференциального типа с одним входом, соединенным с одним пироэлектрическим преобразователем, измеритель давления выполнен с автономным измерителем, прибор снабжен переключателем, выполненным с возможностью отключения 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.

Следует при этом отметить также дополнительный признак этого прибора, состоящий в том, что пироэлектрический преобразователь и усилитель постоянного тока выполнены в виде единой конструкции - пиромодуля. В условиях хорошей стабильности сети и отсутствия внешних помех указанный тестер [4] имеет следующие чувствительности: к O₂ 10^-5 Торр, при течеизмерении и течеискании U_пор составляет (0,1-0,2) и (0,5-1) мТорр воздуха в час соответственно.

Описанный прибор, будучи наиболее близким аналогом тестера, предложенного в настоящей заявке, выбран прототипом. Его основным недостатком является недостаточная стабильность. Он не обладает достаточной помехоустойчивостью. Схема довольно часто нуждается в дополнительной настройке. Указанные чувствительности достигаются несистематически. Как правило, реально достигаемые чувствительности оказываются хуже указанных (вплоть до 3-5 раз). Это можно объяснить недостатками принципиальной электрической схемы, а также конструкции нагревателя. Не приняты достаточные меры для подавления электрических помех во входной части электрической схемы. Кроме того, нерационально распределены коэффициенты усиления и избирательные полосы частот между отдельными усилительными каскадами течеизмерительного усилителя. Так, в прототипе основное усиление течеизмерителя создается двумя каскадами, первый из которых имеет плохую избирательность при большом коэффициенте усиления, что, наряду с другими недостатками прибора, препятствует созданию достаточно низкого уровня помех, необходимого для обеспечения стабильной работы второго каскада, имеющего большой коэффициент усиления при узкой полосе частот. Совокупность этих двух недостатков усилительной схемы в условиях, когда она, по необходимости, в целом должна иметь большой коэффициент усиления, может быть причиной ее неустойчивой работы и самовозбуждения.

Рассматривая конструкцию нагревателя, следует иметь в виду, что в указанном тестере он выполнен в виде слюдяной пластинки толщиной 0,2 мм, на которую намотана шагом 1 мм платиновая проволока (диаметром 50 мкм). При такой конструкции могут оказаться относительно большими нестабильности температуры (Т) на поверхности нагревателя, обращенной в сторону приемной поверхности ПЭП, что может быть причиной существенной нестабильности пироэлектрического сигнала, поскольку он пропорционален производной dT/dt.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является улучшение стабильности прибора и его систематически достигаемой чувствительности.

Для достижения этого технического результата прибор для вакуумных испытаний содержит датчик, выполненный в виде помещенной в соленоид измерительной камеры с теплочувствительным элементом, выполненным в виде закрепленного на краях через слой теплоизоляции плоского пироэлектрического преобразователя, и с параллельно расположенным с зазором к нему плоским нагревателем, выполненным в виде расположенного на теплоизоляционной пластинке подогреваемого теплосопротивления, образующего плечо моста Уитстона постоянного тока, служащего измерителем давления, имеющего автономный выход, подключенный к соленоиду источник пульсирующего тока низкой частоты, подключенный к пироэлектрическому преобразователю входной усилитель, который содержит первый полевой транзистор, расположенный совместно с пироэлектрическим преобразователем в одном, экранирующем от магнитного поля стакане, образуя единую конструкцию - пиромодуль, течеизмерительный усилитель, который настроен на частоту пульсирующего тока и содержит на выходе управляемый этой частотой синхронный детектор с подключенным к его выходу усилителем постоянного тока, течеискательный усилитель импульсных сигналов с шириной полосы в пределах частот (0,02-1) Гц, коммутатор, выполненный с возможностью попеременного подключения к выходу входного усилителя входов течеизмерительного и течеискательного усилителей и отключения источника пульсирующего тока от соленоида при течеискании, причем в отличие от прототипа входной усилитель содержит дополнительно второй полевой транзистор и операционный усилитель, которые образуют совместно с первым полевым транзистором дифференциальный усилитель, истоки обоих полевых транзисторов соединены, а их стоки подсоединены соответственно к первому и второму входам операционного усилителя, выход которого связан через цепь отрицательной обратной связи с входом полевого транзистора, течеизмерительный усилитель содержит до синхронного детектора не менее двух, создающих основное усиление каскадов, каждый из которых настроен на частоту пульсирующего тока, входной усилитель содержит фильтр, полоса которого охватывает полосы течеизмерительного и течеискательного усилителей, подогревное термосопротивление удалено от направленной в сторону пироэлектрического преобразователя поверхности теплоизоляционной пластинки нагревателя на расстояние в пределах 0,3-0,7 мм.

Указанная совокупность отличительных признаков ранее не была известна и, следовательно, она удовлетворяет критерию "новизна".

Ниже обосновывается существенность указанных отличительных признаков для получения положительного эффекта.

1. Отличительные признаки, связанные с созданием дифференциального усилителя во входной части принципиальной электрической схемы тестера (она предшествует течеизмерительному и течеискательному усилителям) путем включения в нее дополнительно полевого транзистора и операционного усилителя, существенно способствуют компенсации электрических наводок, возникающих на входе усилительной схемы.

2. Отличительные признаки, соответствующие течеизмерительному усилителю, существенно способствуют (наряду с другими отличительными признаками предложенного тестера) созданию его хорошей избирательности, помехоустойчивости и стабильности при большом коэффициенте усиления, присущем усилителю (10⁴-10⁵), исключая его самовозбуждение. Такой результат достигается в значительной мере благодаря относительно равномерному распределению добротности между отдельными избирательными каскадами, создающими наибольшее усиление.

3. Как это следует из приведенной выше критики прототипа, для улучшения стабильности тестера следует стремиться к уменьшению значения производной dT/dt на поверхности нагревателя, открытой в сторону приемной поверхности пиропреобразователя. Для этого в предложенном приборе нагревательное термосопротивление удалено от открытой поверхности нагревателя на расстояние (в пределах 0,3-0,7 мм), при котором постоянная времени выравнивания температуры между этой поверхностью и сечением нагревателя, в котором расположено термосопротивление, составляет 0,1-0,4 с. Тем самым оказывается возможным существенно уменьшить паразитные пироэлектрические сигналы из-за возможных нестабильностей температуры нагревателя.

4. Важно отметить, что имеет место взаимная зависимость всех отличительных признаков совокупности как ввиду вызванного ими совместно общего положительного эффекта, так и ввиду их чисто функциональной зависимости. Последняя, как это видно из сказанного выше, проявляется в том, что признаки, приводящие к существенному уменьшению паразитных сигналов на входе всей усилительной схемы, в большой мере способствуют эффективной работе течеизмерительного и течеискательного усилителей, в частности, благодаря возникающей при этом возможности оптимального выбора их параметров
Достигаемое всей совокупностью признаков улучшение помехоустойчивости и стабильности тестера привело к тому, что, в отличие от прототипа, достигнутая в новом приборе чувствительность, как правило, стабильно сохраняется и практически оказалась лучше. Это означает, что указанный технический результат достигнут.

Таким образом, заявленный прибор для вакуумных испытаний удовлетворяет всем критериям изобретения.

Заявляемому прибору приданы дополнительно следующие зависимые признаки.

1. Для улучшения чувствительности прибора течеизмерительный усилитель содержит до синхронного детектора три каскада усиления с шириной полосы каждого (0,5-1,5) частоты пульсирующего тока и общим коэффициентом усиления в пределах 10⁴-10⁵, а ширина полосы течеискательного усилителя составляет (0,05-0,5) Гц.

2. Для улучшения чувствительности при течеизмерении на выходе усилителя постоянного тока течеизмерительного усилителя расположен переключатель, позволяющий изменять постоянную времени схемы.

3. Нагреватель выполнен из двух теплоизоляционных пластинок, на одной из которых расположено подогревное термосопротивление, а наклеенная на нее вторая пластинка обращена своей открытой поверхностью в сторону пироэлектрического пиропреобразователя.

4. Теплоизоляционные пластинки нагревателя выполнены из слюды, их общая толщина 1 мм, а нагревательное термосопротивление выполнено в виде платиновой проволоки ⊘ 30-50 мкм, намотанной бифилярно на одну из пластинок шагом 1 мм; при этом вызываемое увеличением общей толщины нагревателя по сравнению с прототипом (в котором она составляла 0,2 мм) увеличение его теплоемкости приводит к уменьшению нестабильностей температуры нагревателя и соответственно улучшению чувствительности прибора.

5. Для улучшения чувствительности прибора и увеличения его ресурса в нем используется изготовленный в МНПО "Полюс" пиромодуль типа ПП-7, в котором под пироэлектрическим преобразователем расположена подложка, удаленная от него в отличие от пиромодуля ПМ-4 прототипа, на расстояние более 0,5 мм (до нескольких мм). Проведенные исследования показали, что при использовании некоторых экземпляров пиромодуля типа ПМ-4 имели место повышенные нестабильности, а некоторые из них быстро приходили в негодность. Есть основания предполагать, что это вызвано возникновением неопределенных контактов между керамической подложкой и пироэлектрической пластинкой вследствие малого (менее 0,5 мм) неконтролируемого зазора между ними, а также сильного газоотделения от этой подложки вблизи пиропреобразователя.

6. Для непрерывной регистрации скорости натекания воздуха и улучшения ее точности на выходе течеизмерительного усилителя расположен дополнительный дифференциальный усилитель постоянного тока 19 с возможностью раздельной регулировки постоянных времени схем каждого из его входов (аналогичный дополнительный признак имелся также в одном из вариантов прототипа, но в заявке на этот прибор он не был указан).

Ниже приводится описание предложенного прибора. Его схема изображена на фиг. 1. Датчик прибора состоит из выполненной из металла измерительной камеры 1 и одетого на нее соленоида 2. Камера содержит теплоизолированные от ее стенок теплочувствительный элемент 3, выполненный в виде плоского пироэлектрического преобразователя (ПЭП), и расположенный параллельно с зазором к нему плоский нагреватель 4, выполненный в виде расположенного на теплоизоляционной пластинке подогревного термосопротивления, которое образует плечо моста Уитстона постоянного тока 5, служащего имеющим автономный выход измерителем давления на принципе Пирани. Мост питается от источника 6. К ПЭП подключен первый полевой транзистор 7. Оба элемента, 3 и 7, образуют единую, помещенную в экранирующий от магнитного поля стакан 8, конструкцию - пиромодуль. С помощью коммутатора 9 к соленоиду может быть подключен источник пульсирующего тока низкой частоты 10. Первый и второй полевые транзисторы, 7 и 11, и операционный усилитель 12 совместно образуют входной усилитель, выполненный в виде дифференциального усилителя. При этом исток первого полевого транзистора 7 подключен к истоку второго полевого транзистора 11, а стоки этих элементов подключены соответственно к первому и второму входам операционного усилителя 12, выход которого связан через цепь отрицательной обратной связи с входом второго полевого транзистора 11. С помощью коммутатора 9 выход усилителя 12 может попеременно подключаться к входному каскаду 14 течеизмерительного усилителя, настроенного на частоту пульсирующего тока, и к входу течеискательного усилителя импульсных сигналов 13. К каскаду 14 подключена вся остальная схема течеизмерительного усилителя: последовательно подключены усилительные каскады 15 и 16, синхронный детектор 17, управляемый частотой пульсирующего тока, усилитель постоянного тока 18 и дифференциальный усилитель постоянного тока 19 для определения скорости изменения концентрации кислорода. Каждый из усилителей 14, 15, 16 настроен на частоту пульсирующего тока. Подогревное термосопротивление удалено от открытой в сторону пироэлектрического преобразователя поверхности теплоизоляционной пластинки нагревателя на расстояние в пределах 0,4-0,8 мм.

Ширина полосы течеискательного усилителя может регулироваться в пределах 0,2-1 Гц, но, как правило, регулировка проводится в пределах 0,05-0,5 Гц. В указанной схеме входного усилителя содержится фильтр, полоса которого охватывает полосы течеизмерительного и течеискательного усилителей.

На выходе усилителя постоянного тока 18 течеизмерительного усилителя расположен переключатель, позволяющий изменять постоянную времени схемы в пределах 0,5-5 мин.

Источники питания и все электронные узлы за пределами датчика (5, 6, 9-19) расположены во вторичном электронном блоке, который подсоединяется к датчику с помощью электрического кабеля желаемой длины. В выполненном варианте тестера, как и в прототипе, для устранения возможных наводок, имеющих частоту пульсирующего тока, питание соленоида подключено к датчику отдельным кабелем.

Корпус измерительной камеры 1 представляет собой дюралевый стакан внутренним диаметром 30 мм и длиной 120 мм. В качестве пиромодуля использован предназначенный для регистрации излучения промышленный пиромодуль типа ПП-7, с которого удален оптический фильтр. ПЭП 3 выполнен из танталата лития (ZiTaO₃) с приемной поверхностью в виде диска ⊘ 1,5 мм; его толщина 20 мкм. Края ПЭП (за пределами приемной поверхности) имеют тепловой контакт с теплоотводящим элементом. Под пироэлектрическим преобразователем расположена подложка, удаленная от него (в отличие пиромодуля ПМ-4 - прототипа) на расстояние 3 мм. В пиромодуле использован полевой транзистор, имеющий относительно малые шумы, его входное сопротивление того же порядка, что у ПЭП (10¹¹ Ом), а выходное сопротивление порядка килоомов. При частоте модуляции (f) 1 Гц его пороговая чувствительность а вольтовая чувствительность 2000 В/Вт.

Нагреватель 4 установлен вдоль камеры 1 параллельно плоскости ПЭП 3 на расстоянии 7 мм от нее. Он выполнен из двух, склеенных между собой по поверхности слюдяных пластинок толщиной 0,5 мм каждая, на одну из которых шагом в 1 мм бифилярно намотана платиновая проволока ⊘ 50 мкм сопротивлением 25 Ом. Наклеенная на нее вторая пластинка обращена в сторону пиропреобразователя. Напряжение на проволоке 3 В, при этом температура нагревателя 100^oC. Его конструкция обеспечивает 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. Частота пульсирующего тока соленоида 1 Гц. Амплитудное значение тока соленоида 0,1 А, при этом амплитудное значение магнитного поля 10 Э. В одном из вариантов датчика применялось поле 3 Э. Соленоид имеет магнитную экранировку от внешних полей. Выводы от элементов датчика выполнены бифилярно.

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

Нестабильность источников, питания составляет 1 мВ для усилительных схем и 0,1 мВ для нагревателя.

В помещаемой ниже таблице приведены диапазоны регулирования коэффициентов усиления (Ку) и полосы частот (Δf) усилительных каскадов тестера (до синхронного детектора).

Усилитель постоянного тока 19 имеет два входа и выполнен с возможностью регулировки постоянных времени в пределах 1-5 и 5-20 мин для первого и второго входов, соответственно.

Вес датчика 0,5 кг. Вес вторичного блока 3 кг.

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 магнитотермокондуктометрического датчика. С этой целью переключатель режима работы устанавливается в положение "O₂". Течеизмерение с помощью выполненного варианта тестера проводится при общем давлении остаточных газов в системе в пределах 0,01-0,5 Торр. Общее 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 5, то по его разбалансу можно судить о давлении. Оно регистрируется отдельным стрелочным прибором. Чувствительность этого манометра такого же порядка, что и у термопарного вакуумметра типа ВИТ-1 и вполне достаточна для обеспечения функций течеизмерения и течеискания.

Степень негерметичности определяется по скорости изменения содержания кислорода, натекающего из атмосферы. Возникающие в пульсирующем магнитном поле пульсации теплопроводности кислородосодержащей газовой смеси вызывают пульсации идущего от нагревателя 4 теплового потока и вследствие этого пульсации температуры ПЭП 3. При этом, поскольку ПЭП является сегнетоэлектриком в нем возникают пульсирующие изменения момента поляризации (ΔP_имп) и в результате - переменный ток. По электрическим проводам, припаянным к имеющимся на обеих поверхностях ПЭП тонким металлическим покрытиям, служащим электродами, сигнал поступает на первый полевой транзистор 7. Исток и сток этого транзистора с помощью свитых проводов соединяются с контактами на штепсельном разъеме датчика и далее по электрическому кабелю через штепсельный разъем на вторичном электронном блоке соответственно с истоком второго полевого транзистора 11 и первым входом операционного усилителя 12, с вторым входом которого соединен сток второго полевого транзистора 11. Далее (поскольку переключатель режима работы установлен в положение "O₂") сигнал поступает на входной каскад 14 и последующие каскады 15 и 16 течеизмерительного усилителя, каждый из которых настроен на частоту пульсации источника 10 (1 Гц). Затем сигнал поступает на входы управляемого этим источником синхронного детектора 17.

После выпрямления детектором и фильтрации сигнал с выхода подключенного к детектору усилителя постоянного тока 18 поступает на регистрационный прибор, а также в зависимости от необходимости, и на подсоединенный к вторичному блоку самописец типа КСП-4.

При давлении остаточных газов 0,01-0,5 Торр, как правило, достигается чувствительность к O₂ 10⁵ Торр, а к скорости натекания воздуха 0,1 мТорр воздуха в час. Эта чувствительность, как правило, в 3-5 раз лучше чувствительности прототипа (см. выше). Вся течеизмерительная схема, начиная от датчика, в отличие от прототипа обладает гораздо лучшей помехоустойчивостью и стабильностью, не нуждаясь в подстраивании, и имеет большой ресурс.

Во многих случаях, когда скорость натекания воздуха мала, для увеличения точности измерений целесообразно устанавливать на усилителе 18 максимальную постоянную времени (5-10 мин), поскольку длительность процесса течеизмерения значительно больше этого времени (в частности, в связи с необходимостью четко учесть возможное незначительное гажение кислородом). В ряде случаев с целью упрощения и улучшения точности измерений, особенно в условиях, когда велика начальная концентрация кислорода, целесообразно переходить на режим непрерывного определения скорости натекания воздуха с помощью усилителя 19. Предусмотрена также возможность подключения этого усилителя к самописцу.

Поскольку газоотделение кислородом внутри вакуумных систем обычно мало, то в отличие от обычно применяемых, неизбирательных к воздуху вакуумметров в большинстве практических случаев время измерений может быть сокращено в 5-10 раз, а в ряде случаев значительно больше. При этом в большой степени предотвращаются неоправданные течеискательные работы.

Для проведения течеискания тестер переключается в этот режим с помощью коммутирующего устройства (переключателя). Процесс течеискания проводится при давлении в вакуумной системе 0,01-0,5 Торр после определения степени ее негерметичности, если она превышает допустимую норму. (При испытаниях систем, размеры которых не превышали одного метра, течеискание проводилось, как правило, после прекращения откачки). При попадании пробного газа (гелия) в датчик изменяется теплопроводность содержащегося 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 (ΔP_имп). В результате в ПЭП возникает импульс тока. С электродов ПЭП сигнал, как и в случае прохождения сигнала, вызванного кислородом при течеизмерении, проходит через входную усилительную схему, состоящую из элементов 7, 11 и 12. Поскольку тестер переведен в режим течеискания, импульсный сигнал с выхода операционного усилителя 12 поступает на вход течеискательного усилителя 13. Течеискательные сигналы регистрируются с помощью подсоединенного к вторичному блоку самописца КСП-4.

Для оценки чувствительности тестера при течеискании было проведено большое количество опытов при различных давлениях. На фиг.2 представлены некоторые полученные в этих опытах типичные диаграммы при давлениях 20 и 220 мТорр в вакуумном объеме 13 л, к которому в месте, наиболее удаленном от подсоединенного к нему датчика, был подсоединен регулируемый натекатель воздуха. Скорость натекания воздуха (U_в) в опытах была 5 мТорр в час. Время одноразового обдувания (t_об) места этой течи в представленных опытах было 10 с.

Как видно из чертежа, соответствующий каждому обдуву гелием сигнал состоит из двух последовательных пиковых отклонений разного знака по отношению к нулевой линии диаграмм. Первое из отклонений этого "двойного" сигнала связано с повышением температуры ПЭП, вызванного увеличением теплового потока за счет поступающего из объема в датчик гелия, а последующее второе отклонение вызвано понижением температуры ПЭП ввиду наступающего постепенного охлаждения нагревателя вследствие увеличения от него теплового потока в результате накопления гелия в датчике.

Значение U_в определялось по сумме двух противоположных отклонений от нулевой линии, соответствующих одному обдуванию гелием. Соответствующая каждой полученной таким образом сумме чувствительность течеискания U_пор определялась путем определения разности между этой суммой и средним значением таких сумм, полученных в результате проведения серии последовательных обдувов в одних условиях.

На основании обобщения данных большого количества опытов, проведенных в разное время (представленные на фиг. 2 диаграммы для них типичны), можно сделать заключение, что при давлении 20 мТорр U_пор при течеискании составляет, как правило, (0,2-0,5) мТорр/ч. Это означает, что чувствительность течеискания с помощью предложенного тестера, как правило, приблизительно в 5 раз лучше чем у прототипа. При указанном давлении чувствительность к концентрации гелия составляет 5 ppm.

Чувствительность уменьшается на 10 и 50% при уменьшении t_об соответственно до 5 и 3 с.

При повышении общего давления чувствительность течеискания постепенно ухудшается. При давлении 200 мТорр U_пор, как правило, составляет (0,5-1.5) мТорр/ч. При этом чувствительность к концентрации гелия составляет 1-2 ррm.

В дальнейшем намечено дополнить течеискательный усилитель схемой, суммирующей абсолютные значения противоположных отклонений течеискательного сигнала, а также соответствующей схемой звуковой сигнализации.

Примечание. Следует отметить, что амплитуда нестабильностей нулевой линии на всех диаграммах (1-2,5 мм) вдвое больше амплитуды нестабильностей, которая соответствует указанным значениям U_пор. Это связано с тем, что зафиксированные на диаграмме на фоне нулевой линии относительно большие паразитные сигналы кратковременны и они в значительной мере усредняются по мере проявления полезного "двойного" сигнала, которое продолжается 30 с. Было установлено, что пересчет полученного значения U_пор на соответствующую ему величину отклонения от нулевой линии оказывается на диаграмме приблизительно одинаковым при давлениях 20 и 200 мТорр. Это означает, что основную роль при определении "двойного" сигнала играют не относительные, а абсолютные ошибки, вызванные нестабильностью нуля.

(Полезные сигналы порядка указанных порогов чувствительности, как правило, оказывается возможным регистрировать на фоне нулевых нестабильностей, если фиксировать ординаты диаграммы в моменты времени, характерные для появления максимальных отклонений "двойного сигнала").

Предлагаемый вакуумный тестер благодаря присущим ему характеристикам может в отличие от прототипа служить основой для создания эффективно работающего опытно-промышленного образца.

Этот тестер имеет следующую совокупность достоинств по сравнению с традиционными средствами вакуумных испытаний:
1) портативность; 2) высокая чувствительность при определении степени суммарной вакуумной негерметичности оборудования; 3) высокая чувствительность при течеискании; 4) необходимая для обеспечения функций течеизмерения и течеискания чувствительность при определении форвакуумного давления на принципе Пирани (она того же порядка, что и у обычных термопарных вакуумметров).

Степень суммарной негерметичности вакуумных систем вследствие присущей предлагаемому тестеру высокой избирательности и чувствительности к кислороду (O₂) определяется им по сравнению с широко применяемыми средствами быстро, практически независимо от внутреннего газоотдедения. Это позволяет, в частности, резко сократить течеискательные работы, исключая поиски мест течи, которые в обычной практике часто проводятся неоправданно ввиду недостаточной точности определения степени суммарной негерметичности традиционными средствами.

Таким образом, приведенные выше конкретные данные дают основание утверждать, что при использовании в предлагаемом вакуумном тестере всей, указанной выше, отличающей его от прототипа совокупности существенных признаков, в нем возникают следующие достоинства: 1) большая стабильность и надежность; 2) лучшая, систематически достигаемая чувствительность при течеизмерении и течеискании. Тем самым подтверждается сделанный выше, исходя из изложенных при описании существа изобретения аргументов, вывод о патентоспособности сделанного предложения.

Как это следует из приведенных выше данных, чувствительность тестера к концентрации гелия в диапазоне форвакуумных давлений (0,02-0,2) Торр составляет 2-5 ppm. С другой стороны, по данным течеискательной лаборатории НИИВТ им. С. А. Векшинского чувствительность к гелию современного масс-спектрометрического течеискателя ПТИ-10 составляет 1 ppm для указанной в паспорте этого прибора присущей ему нестабильности ± 2 мВ на его выходе. Учитывая, что согласно этому паспорту допускаются отдельные нестабильности до ± 10 мВ, то, по-видимому, чувствительность этого течеискателя практически составляет несколько ppm. Приведенные оценки показывают, что чувствительности предложенного тестера и течеискателя ПТИ-10 к концентрации гелия при форвакуумных давлениях близки.

Таким образом, в подавляющем большинстве практических случаев предлагаемый тестер позволяет с хорошей чувствительностью и высокой эффективностью проводить весь процесс вакуумных испытаний на герметичность, не прибегая к традиционным средствам. Очевидно, что при использовании тестера резко сокращается весь процесс вакуумных испытаний.

Тестер может быть эффективно использован также для вакуумных испытаний высоковакуумных установок, если подсоединить его датчик к форвакуумному выходу откачной системы.

Имеются хорошие перспективы дальнейшего совершенствования тестера и метод его использования.

В частности, поскольку датчик малогабаритен и прост, улучшение чувствительности при течеискании на установках, имеющих большие размеры, может быть достигнуто за счет увеличения числа устанавливаемых на установке с определенным интервалом друг от друга (например, 2 м) датчиков.

Согласно полученной из НИИВТ им.Векшинского ориентировочной информации современный масс-спектрометрический течеискатель стоит 20 тысяч долларов. По предварительным оценкам даже первые серийные образцы вакуумного тестера можно будет выгодно продавать по 5000 тысяч долларов. Очевидно, что незначительная стоимость серийного тестера по сравнению с традиционными масс-спектрометрическим течеискателем и резкое упрощение вакуумных испытаний при использовании тестера приведут к резкому удешевлению вакуумных испытаний во многих областях техники и науки. Необходимо также отметить, что высокая чувствительность тестера к кислороду позволяет эффективно использовать его для непрерывного контроля процессов, проходящих при низких давлениях газов, в том числе процессов, проходящих при высоком вакууме.

Такие приборы смогут, в частности, эффективно применяться в микроэлектронной промышленности, при вакуумной плавке, на производствах по разделению изотопов урана, при термовакуумной сушке.

Необходимо отметить, что использование в вакуумном тестере высокоизбирательного к кислороду физического эффекта и важные принципиальные достоинства пироэлектрического преобразователя (пропорциональность его сигнала скорости изменения его температуры и высокий коэффициент преобразования) определяют долговременные перспективы широкого внедрения таких приборов.

Есть большие основания считать, что предложенный вакуумный тестер может при некоторых финансовых затратах положить начало широкому и эффективному внедрению таких принципиально новых приборов в различных областях техники и науки.

Как и в описаниях аналогов [1-4] предложенного тестера, в настоящей заявке приводятся пороговые значения только для скорости изменения давления (а не количества) воздуха и гелия при форвакуумных давлениях в вакуумной системе. Такая оценка соответствует интересам многих потребителей приборов, предназначенных для форвакуумных давлений, в частности предприятий по разделению изотопов урана. Имея в виду возможности широкого внедрения вакуумного тестера в различных областях техники и науки, в частности на высоковакуумных установках, ниже приводятся соответствующие приведенным выше данным, присущие тестеру, пороговые значения для общепринятых в настоящее время характеристик приборов контроля герметичности с учетом того, что объем датчика составляет 0,1 л.

При течеизмерении U_пор составляет (10^-9-10^-10) м³ Па/с воздуха при времени накопления воздуха 1 ч и τ(0,5-10) мин. При гелиевом течеискании U_пор составляет 10^-9-10^-10 м³ Па/с по воздуху.

Необходимо отметить, что использование тестера на высоковакуумных установках, в принципе, дает возможность улучшить указанные пороги вплоть до нескольких порядков вследствие компрессирования газа из вакуумной системы в датчик.

Литература
1. Горелик Л.Л., Морозов А.Г. А.с. и патент N 1342200 - Бюл. из., 1987, N 27.

2. Горелик Л. Л., Лебедев Ю.Н., Морозов А.Г. А.с. и патент N 1056026 - Бюл.из., 1983, N 43.

3. Лебедев Ю.Н., Морозов А.Г. А.с. и патент N 1780404 - Бюл. из., 1995, N 23.

4. Горелик Л.Л., Морозов А.Г. А.с. и патент N 2031385 - Бюл. из., 1995, N 8.

Изобретение используется в технике вакуумного приборостроения. Технический результат - улучшение стабильности и систематически достигаемой чувствительности. Прибор представляет собой помещенную в соленоид измерительную камеру, основными элементами которой являются выполненный с помощью подогревного термосопротивления плоский нагреватель и расположенный с зазором к нему плоский пироэлектрический преобразователь, который подключен к входному усилителю. Соленоид питается пульсирующим током 1 Гц. Электронная схема содержит настроенный на эту частоту течеизмерительный усилитель и течеискательный усилитель импульсных сигналов. С помощью коммутатора оба эти усилителя могут попеременно подключаться к входному усилителю. Подогревное термосопротивление является плечом моста Уитстона, служащего для автономного измерения давления. Входной усилитель содержит дополнительно полевой транзистор и операционный усилитель и выполнен в виде дифференциального усилителя, основное усиление течеизмерительного усилителя создается с помощью не менее двух избирательных усилительных каскадов, входной усилитель содержит фильтр, полоса которого охватывает полосы течеизмерительного к течеискательного усилителей, подогревное термосопротивление удалено от открытой в сторону пироэлектрического преобразователя поверхности нагревателя на расстояние порядка десятых долей миллиметра. 6 з.п.ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Прибор для вакуумных испытаний, содержащий датчик, выполненный в виде помещенной в соленоид измерительной камеры с теплочувствительным элементом, выполненным в виде закрепленного на краях через слой теплоизоляции плоского пироэлектрического преобразователя и с параллельно расположенным с зазором к нему плоским нагревателем, выполненным в виде расположенного на теплоизоляционной пластинке подогревного термосопротивления, образующего плечо моста Уитстона постоянного тока, служащего измерителем давления, имеющим автономным выход, подключенный к соленоиду источник пульсирующего тока низкой частоты, подключенный к пироэлектрическому преобразователю входной усилитель, который содержит первый полевой транзистор, расположенный совместно с пироэлектрическим преобразователем в одном экранирующем от магнитного поля стакане, образуя единую конструкцию - пиромодуль, течеизмерительный усилитель, который настроен на частоту пульсирующего тока и содержит на выходе управляемый этой частотой синхронный детектор с подключенным к его выходу усилителем постоянного тока, течеискательный усилитель импульсных сигналов с шириной полосы в пределах частот (0,02-1) ГЦ, коммутатор, выполненный с возможностью попеременного подключения выхода входного усилителя к входам течеизмерительного и течеискательного усилителей и отключения источника пульсирующего тока от соленоида при течеискании, отличающийся тем, что входной усилитель содержит дополнительно второй полевой транзистор и операционный усилитель, которые образуют совместно с первым транзистором дифференциальный усилитель, истоки обоих полевых транзисторов соединены, а их стоки подсоединены соответственно к первому и второму входам операционного усилителя, выход которого связан через цепь отрицательной обратной связи с входом второго полевого транзистора, течеизмерительный усилитель содержит до синхронного детектора не менее двух создающих основное усиление каскадов, каждый из которых настроен на частоту пульсирующего тока, входной усилитель содержит фильтр, полоса которого охватывает полосы течеизмерительного и течеискательного усилителей, подогревное термосопротивление удалено от открытой в сторону пироэлектрического преобразователя поверхности теплоизоляционной пластинки нагревателя на расстояние порядка десятых долей миллиметра. 2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что течеизмерительный усилитель содержит до синхронного детектора три низкочастотных каскада усиления с шириной полосы каждого в пределах 0,5-1,5 частоты пульсирующего тока и общим коэффициентом усиления в пределах 10⁴-10⁵, а ширина полосы течеискательного усилителя находится в пределах (0,05-0,5)Гц. 3. Прибор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что на выходе усилителя постоянного тока течеизмерительного усилителя расположен переключатель, позволяющий изменять постоянную времени схемы. 4. Прибор по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что нагреватель выполнен из двух теплоизоляционных пластинок, на одной из которых расположено подогревное термосопротивление, а расположенная на ней вторая пластинка обращена своей открытой поверхностью в сторону пироэлектрического преобразователя. 5. Прибор по любому из пп.1 - 4, в котором теплоизоляционные пластинки нагревателя выполнены из слюды, их общая толщина 1 мм, а нагревательное термосопротивление выполнено в виде платиновой проволоки, намотанной бифилярно на одну из пластинок шагом 1 мм. 6. Прибор по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что под пироэлектрическим преобразователем расположена подложка, удаленная от него на расстояние более 0,5 мм. 7. Прибор по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что к выходу течеизмерительного усилителя подсоединен дифференциальный усилитель постоянного тока с возможностью раздельной регулировки постоянных времени схем каждого из его входов.