ПОТОКОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАЛИБРОВКИ КОНТРОЛЬНЫХ ТЕЧЕЙ Российский патент 2007 года по МПК G01L27/00 G01M3/00 G01F25/00 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для калибровки вакуумных мер газового потока - контрольных течей, применяемых в технике течеискания.

Известно устройство калибровки контрольных течей, включающее камеру с известным объемом, вакуумный насос, калибруемую течь, образцовый вакуумметр (Т.М.Mason. Analytical Mass Spectrometer Calibration of Standard Leaks// Instruments and Control Systems. 1970. V.43. №8. P.73-74; J.R.Miller III // A Thermally Shielded Atmospheric Pressure Standard Leak Calibrator. Journal of Vacuum Science &Technology. 1973. V.10. №5. P.882-889).

Недостатком этого устройства является невозможность устранения систематической погрешности, связанной с возникающими вследствие десорбционных процессов фоновыми побочными потоками различных газов в предварительно вакуумированной камере.

Известна образцовая потокометрическая установка, которая содержит измерительную камеру с известным объемом (около 250 см³), откачиваемую до давления порядка 10^-4÷10^-3 Па, в которую газ поступает из калибруемой течи. Средством измерения давления в системе служит компрессионный ртутный вакуумметр (вакуумметр Мак-Леода). Для исключения систематических погрешностей, связанных с возникающими вследствие десорбционных процессов фоновыми побочными потоками различных газов, к откачиваемой камере дополнительно через двухходовой кран присоединяется "холостая" течь, полностью идентичная калибруемой, но с удаленным из ее резервуара пробным газом (Кузьмин В.В. Усовершенствование калибровки вакуумных мер газового потока-контрольных течей // Измерительная техника. 2004. №6. С.28-30; а.с.1500894, G01L 27/00, опубл. 15.08.89).

Недостатками применения ртутного вакуумметра Мак-Леода являются наличие значительной капиллярной депрессии и диффузионного потока паров ртути к ловушке, которые приводят к большой погрешности измерения давления, а также неудобство в эксплуатации и сложность автоматизации процесса измерений. Нижний предел измерений вакуумметра составляет несколько десятых Па при погрешности порядка 3%. Потокометрическая установка, выбранная за прототип, предназначена для измерений газовых потоков в диапазоне 10^-8÷1 Па·м³/с с погрешностью 6÷1%.

Относительно большой объем измерительной камеры, включающей в себя кроме соединительных коммуникаций сам вакуумметр Мак-Леода, приводит к увеличению времени измерения величины газового потока. Продолжительность калибровки течи с потоком газа порядка 10^-8 Па·м³/с может достигать нескольких часов.

В образцовой потокометрической установке измеряемой величиной является значение давления в начале и конце фиксированного временного промежутка, но в этой установке невозможно проведение исследования процесса натекания во времени.

В основу изобретения положена задача создания потокометрического устройства для калибровки контрольных течей, в которой за счет применения в качестве образцового вакуумметра лазерного интерференционного масляного манометра и использования в коленах манометра цилиндрических вставок с осевыми отверстиями для прохождения лазерных пучков, обеспечивающих уменьшение объема измерительной камеры, достигаются следующие преимущества: повышение точности измерений до десятых долей % измеряемой величины, сокращение в несколько раз времени проведения измерений, возможность исследования процесса натекания во времени. Подсоединение калибруемой и "холостой" течей к коленам манометра через двухходовые краны обеспечивает возможность выделения влияния десорбции газа со стенок измерительного объема.

Достижение вышеуказанного результата обеспечивается тем, что в потокометрическом устройстве для калибровки вакуумных течей, содержащем камеру с известным объемом, вакуумный насос, калибруемую и "холостую" течь (равного объема), образцовый вакуумметр, два двухходовых крана, в качестве образцового вакуумметра применен лазерный интерференционный масляный манометр, в колена которого введены металлические цилиндрические вставки с осевым отверстием для прохождения лазерного пучка, а калибруемая и "холостая" течи через двухходовые краны присоединены к разным коленам манометра.

К манометру может быть подсоединен аналого-цифровой блок сопряжения с ЭВМ. К манометру через дополнительные вакуумные затворы могут быть подсоединены дополнительные калиброванные балластные объемы.

Применение лазерного интерференционного масляного манометра снижает порог чувствительности по давлению и погрешность, связанную с капиллярными явлениями в рабочей жидкости, а интерференционный метод позволяет производить отсчет при измерении разности уровней с большей точностью, чем визуальный, - все это обеспечивает повышение точности и сокращает трудоемкость процесса измерений.

Уменьшение объема измерительной камеры за счет введения в колена манометра цилиндрических вставок сокращает время проведения измерений.

Измерение скорости натекания поочередно или одновременно в разные колена, обеспеченное подсоединением течей к манометру через двухходовые краны, позволяет разделить значение газового потока через течь и фоновое увеличение давления в коленах манометра, обусловленное десорбцией газа со стенок манометра и возможными процессами сорбции-десорбции в масле.

Специфика лазерно-интерференционного метода состоит в том, что непосредственно измеряемой величиной является изменение давления за промежуток времени (пропорциональное сдвигу интерференционной картины), а не значения давления в начале и конце фиксированного временного промежутка. При этом измерение производится непрерывно (в реальном времени) под управлением и при участии ЭВМ, что дает дополнительные возможности обработки и хранения информации.

Схема потокометрического устройства для калибровки вакуумных течей показана на чертеже.

U-образная трубка 1 манометра с внутренним диаметром около 28 мм выполнена из стекла и закрыта с торцов плоскопараллельными окошками 2 с помощью металлического фланцевого соединения 3. Интерферометр построен по схеме Майкельсона с применением разработанной ранее особой конструкции - призма полного внутреннего отражения 4 и поляроид 5 обеспечивают возможность реверсивного счета полос и защиту лазера от возвращенного излучения. В качестве осветителя используется He-Ne лазер 6 типа ЛГН-302 в одночастотном режиме. В колена манометра помещены плавающие демпферы поверхностных волн 7.

К манометру через двухходовые краны 8 подсоединены калибруемая течь 9 и "холостая течь" 10, а через вакуумные затворы 11 - балластные объемы 12. Предусмотрена система откачки газа (не показана) через вакуумные затворы 13. Наличие двухходовых кранов 8 обеспечивает возможность подсоединения калибруемой течи 9 и "холостой" течи 10 к одному или другому колену манометра 1, каждое из которых может находиться под непрерывной откачкой или быть отсоединенным от откачной системы с помощью вакуумных затворов 13. Измерение скорости натекания поочередно в разные колена позволяет разделить значение газового потока через течь и фоновое увеличение давления в коленах манометра 1, обусловленное десорбцией газа со стенок манометра 1 и возможными процессами сорбции-десорбции в масле.

Натекание газа в измерительное колено манометра 1 и связанные с ним коммуникации после прекращения откачки приводит к изменению разности уровней жидкости в коленах манометра 1 и сдвигу интерференционной картины, который регистрируется двумя фотодиодами 14, сигналы с которых через аналого-цифровой блок сопряжения 15 подаются в ЭВМ 16, где происходит счет прошедших полос. Для уменьшения объема измерительной камеры в колена манометра 1 введены металлические цилиндрические вставки 17 с осевыми отверстиями для прохождения лазерных пучков. Балластные объемы 12 служат для определения объема измерительной камеры потокометрического устройства и позволяют расширить диапазон измерений в область больших потоков.

Процесс измерения состоит в следующем. Сначала при помощи двухходовых кранов 8 калибруемая течь 9 соединяется с первым, например, левым (чертеж) коленом манометра 1, а "холостая" течь 10 - со вторым. После вакууммирования всего измерительного объема манометр 1 отсоединяется от системы откачки и с этого момента начинается счет прошедших интерференционных полос, количество N₁ которых за промежуток времени t₁ определяется следующим образом:

где λ - длина волны лазера 6,

ρ - плотность масла,

g - ускорение свободного падения,

Q - измеряемый поток через калибруемую течь 9,

Q₁ и Q₂ - фоновые потоки в колена манометра 1, вызванные десорбцией газа со стенок и из масла,

V₁ и V₂ - измерительные объемы, включающие колена манометра 1 с соединительными коммуникациями и течи 9 и 10.

Затем процесс измерения повторяется, но теперь калибруемая течь 9 соединяется со вторым коленом манометра 1, а "холостая" течь 10 - с первым. Количество прошедших интерференционных полос N₂ за промежуток времени t₂ определяется следующим образом:

Разделив (1) и (2) на t₁, t₂ соответственно и сложив их, получим уравнение

из которого можно получить значение искомого потока через калибруемую течь 9, исключив при этом фоновые потоки.

Потокометрическое устройство для калибровки контрольных течей обеспечивает следующие преимущества:

- применение в качестве образцового вакуумметра лазерного интерференционного масляного манометра снижает порог чувствительности по давлению и погрешность, связанную с капиллярными явлениями в рабочей жидкости;

- интерференционный метод позволяет производить отсчет при измерении разности уровней с большей точностью, чем визуальный;

- уменьшение объема измерительной камеры за счет введения в колена манометра цилиндрических вставок сокращает время проведения измерений;

- возможность проведения исследования процесса натекания во времени;

- измерение производится непрерывно под управлением и при участии ЭВМ, что дает дополнительные возможности обработки и хранения информации.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для калибровки вакуумных мер газового потока - контрольных течей, применяемых в технике течеискания. Изобретение направлено на повышение точности измерений до десятых долей % измеряемой величины, сокращение времени проведения измерений, возможность исследования процесса натекания во времени. Этот результат обеспечивается за счет того, что изобретение содержит камеру с известным объемом, вакуумный насос, калибруемую и "холостую" течь, образцовый вакуумметр, два двухходовых крана. При этом, согласно изобретению, в качестве образцового вакуумметра используется лазерный интерференционный масляный манометр, в колена которого дополнительно введены металлические цилиндрические вставки с осевым отверстием для прохождения лазерного пучка, а калибруемая и "холостая" течи через двухходовые краны присоединены к разным коленам манометра. Подсоединение калибруемой и "холостой" течей к коленам манометра через двухходовые краны обеспечивает возможность выделения влияния десорбции газа со стенок измерительного объема. Возможно подсоединение к манометру аналого-цифрового блока сопряжения с ЭВМ. К манометру через дополнительные вакуумные затворы могут быть подсоединены дополнительные калиброванные балластные объемы. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Потокометрическое устройство для калибровки контрольных течей, содержащее камеру с известным объемом, вакуумный насос, калибруемую и "холостую" течи, образцовый вакуумметр, два двухходовых крана, отличающееся тем, что в качестве образцового вакуумметра применен лазерный интерференционный масляный манометр, в колена которого дополнительно введены металлические цилиндрические вставки с осевым отверстием для прохождения лазерного пучка, а калибруемая и "холостая" течи через двухходовые краны присоединены к разным коленам манометра.2. Потокометрическое устройство для калибровки контрольных течей по п.1, отличающееся тем, что к манометру подсоединен аналого-цифровой блок сопряжения с ЭВМ.3. Потокометрическое устройство для калибровки контрольных течей по п.1, отличающееся тем, что к манометру через дополнительные вакуумные затворы подсоединены дополнительные калиброванные балластные объемы.