УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЭТАЛОННЫХ ПОТОКОВ ПРОБНЫХ ГАЗОВ И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭТАЛОННОГО ПОТОКА ПРОБНОГО ГАЗА Российский патент 2011 года по МПК G01M3/02 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в электронной, атомной промышленности, в машиностроении и, в частности, касается вопросов испытания изделий с высокими требованиями по герметичности.

Известно устройство для создания эталонного потока пробного газа, используемое в способе калибровки газовых течей, по а.с. СССР №1323888, G01M 3/02, БИ №26-87, которое содержит по ходу газового потока емкости для хранения и подачи пробного газа, манометр, натекатель, дифференциальный манометр, коммутационную арматуру и подключенную к устройству технологическую установку (масс-спектрометрический течеискатель и т.д.). Данное устройство предполагает напуск в технологическую установку балластного газа в смеси с пробным газом. Такая схема не позволяет получить высокую точность эталонирования потока пробного газа и ограничивает предельную величину получаемых малых течей из-за негативного влияния балластного газа на чувствительность системы течеискания.

В наибольшей мере предлагаемому техническому решению соответствует устройство (образцовый редуктометрический потокомер) воспроизведения эталонного потока пробного газа, которое содержит емкость для хранения пробного газа, натекатель, исходную, дополнительную и измерительную камеры, образцовый компрессионный вакуумметр, измерители давления, диафрагму известной малой проводимости, коммутационную арматуру и подключенный к устройству масс-спектрометрический течеискатель. При использовании данного устройства применяется способ, при котором поток пробного газа Q через диафрагму известной малой проводимости U определяется произведением измеренного давления пробного газа р перед диафрагмой на проводимость диафрагмы Q=U·p (Кузьмин В.В. «Вакуумные измерения». - М.: Издательство стандартов, с.214).

К недостаткам устройства и способа можно отнести то, что воспроизведение потока пробного газа малой величины ограничивается минимальным значением давления, регистрируемого образцовым компрессионным вакуумметром.

Задачей изобретения является повышение точности измерения эталонного потока малой величины и расширение диапазона создаваемых калибровочных потоков пробного газа в сторону уменьшения их значения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство, содержащее по ходу газового потока емкости для хранения и подачи пробного газа, элемент малой проводимости при молекулярном режиме течения пробного газа и подключенные к емкости подачи вакуумный насос, измеритель давления и коммутационную арматуру, согласно изобретению содержит подключенную к емкости подачи пробного газа емкость перепуска известного объема, а элемент малой проводимости, установленный на выходе пробного газа из устройства, выполнен в виде стеклянного капилляра, при этом эталонный поток пробного газа от устройства определяется по соотношению:

где Q - эталонный поток пробного газа, м³·Па/с;

U - проводимость капилляра, м³/с;

V₂ - объем емкости подачи, м³;

τ - время с момента поступления эталонного потока пробного газа через капилляр в технологическую установку, с;

- первоначальное давление пробного газа на входе в капилляр, Па;

P₁ - давление в емкости перепуска до сообщения с емкостью подачи, Па;

V₁ - объем емкости перепуска, м³;

V₂ - объем емкости подачи, м³.

Отличием предлагаемого устройства от аналогичных является то, что для получения эталонных потоков пробного газа малой величины проводится перепуск пробного газа из емкости перепуска в емкость подачи, тем самым обеспечивается возможность контролируемой подачи пробного газа через капилляр при его давлении в емкости подачи меньше значения достоверно регистрируемого самыми чувствительными современными манометрическими средствами. Объемы емкостей перепуска и подачи измерены с высокой точностью. Кроме того, для повышения точности определения эталонного потока учитывается изменение давления в емкости подачи в течение времени функционирования устройства в составе технологической установки.

Измеритель давления предназначен для определения первоначального значения давления пробного газа с высокой точностью.

Емкость перепуска известного объема предназначена для получения в емкости подачи давления пробного газа меньше предела чувствительности высокоточной измерительной аппаратурой.

Для получения необходимого давления пробного газа откачивают емкости перепуска и подачи, перекрывают емкость перепуска, подают в емкость перепуска давление пробного газа, давление в емкости перепуска измеряют регистрирующим прибором с высокой точностью, перекрывают откачку емкости подачи, сообщают емкости перепуска и подачи между собой, а полученное давление пробного газа в емкостях определяют по соотношению

Элемент малой проводимости при молекулярном режиме течения пробного газа выполнен в виде калиброванного стеклянного капилляра и предназначен для подачи эталонного потока пробного газа в технологическую установку, при этом капилляр подобран, таким образом, чтобы поток пробного газа был молекулярным, в этом случае поток газа Q определяется по соотношению:

Q = U·Р при условии Р>>P_T,

где Q - эталонный поток пробного газа, м³·Па/с;

U - проводимость капилляра, м³/с;

Р - давление пробного газа на входе в капилляр, Па;

P_T - давление пробного газа в технологической установке, Па.

Таким образом, устройство и способ позволяют:

- иметь сравнительно большое начальное давление пробного газа, с тем чтобы измерять его с высокой точностью;

- иметь возможность использовать стеклянный капилляр с достаточно большим каналом, отбирать его визуально и измерять проводимость с высокой точностью;

- иметь малые потоки пробного газа за счет перепуска пробного газа из емкости перепуска, имеющей сравнительно большие размеры, с тем чтобы измерять ее объем с высокой точностью гравиметрическим методом, в еще больший объем емкости подачи, измеренный таким же образом, при этом не измеряя давления пробного газа после перепуска (возможность точного измерения давления отсутствует).

Изобретение иллюстрируется чертежом.

На чертеже представлено устройство, которое содержит емкость для хранения пробного газа 1, сообщаемую через клапан 8 с емкостью перепуска 3, снабженной измерителем давления 2. Емкость перепуска 3 через клапан 9 сообщается с емкостью для подачи пробного газа 4. Объем емкости перепуска 3 много меньше объема емкости подачи 4. Емкость подачи пробного газа 4 соединена через клапан 7 с вакуумным насосом 6 и соединена с капилляром 5, который через клапан 10 сообщается с технологической установкой.

Порядок работы устройства следующий. Вакуумным насосом 6 откачиваются емкость подачи пробного газа 4, емкость перепуска 3 и другие полости устройства. Клапаном 9 перекрывается емкость перепуска 3, а клапаном 7 перекрывается откачка емкости подачи 4. В полость емкости перепуска 3 подается пробный газ до определенного давления. Для измерения давления используется регистрирующий прибор 2 (датчик давления высокой точности с минимальными пределами измерения). Сообщается емкость перепуска с емкостью подачи открытием клапана 9. После перепуска пробного газа и определенной выдержки клапан 9 перекрывается.

Парциальное давление пробного газа в емкости подачи и на входе в капилляр после перепуска Р₀ определяется по соотношению

,

где P₁ - давление в емкости перепуска до сообщения с емкостью подачи, Па;

V₁ - объем емкости перепуска, м³;

V₂ - объем емкости подачи, м³.

При работе устройства открывается клапан 10, производится начальный отсчет времени τ₀ и пробный газ поступает в технологическую установку. Эталонный поток пробного газа в первоначальный момент определяется по соотношению Q₀=U·Р₀,

где Q₀ - эталонный поток пробного газа в начальный момент, м³·Па/с;

U - проводимость капилляра, м³/с.

Скорость откачки вакуумной системы технологической установки много больше проводимости капилляра, поэтому давление пробного газа на выходе из капилляра пренебрежимо мало в сравнении с давлением на входе.

Однако в процессе истечения пробного газа через капилляр давление в емкости подачи изменяется и в зависимости от времени с момента начала подачи пробного газа в технологическую установку τ (открытие клапана 10) эталонный поток определяется по соотношению

где Q - эталонный поток пробного газа, м³·Па/с;

U - проводимость капилляра, м³/с;

V₂ - объем емкости подачи, м³;

τ - время с момента поступления эталонного потока пробного газа через капилляр в технологическую установку, с.

Устройство опробовано на практике для получения эталонных потоков пробного газа Не₃ (гелия-3). Получены следующие результаты: минимальный калибруемый поток пробного газа 1·10^-13 м³·Па/с; точность калибровки потока величиной порядка 10^-12 м³·Па/с составляет не более ±20%.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в электронной, атомной промышленности, в машиностроении, где испытания изделий связаны с высокими требованиями по герметичности. Изобретения направлены на повышение точности создания эталонного потока пробного газа и расширение диапазона создаваемых калибровочных потоков в сторону уменьшения их величины, что обеспечивается за счет того, что устройство содержит по ходу газового потока емкости для хранения и подачи пробного газа, элемент малой проводимости при молекулярном режиме течения пробного газа, подключенные к емкости подачи вакуумный насос, измеритель давления и коммутационную арматуру. Согласно изобретению, устройство дополнительно содержит подключенную к емкости подачи пробного газа емкость перепуска, а элемент малой проводимости, установленный на выходе пробного газа из устройства, выполнен в виде стеклянного капилляра. При этом поток пробного газа от устройства определяется по соотношению, приведенному в формуле изобретения, которая включает показатели, относящиеся к эталонному потоку пробного газа, к проводимости капилляра, к объему емкости подачи, к времени с момента поступления потока пробного газа через капилляр в технологическую установку, к первоначальному давлению пробного газа на входе в капилляр. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство, содержащее по ходу газового потока емкости для хранения и подачи пробного газа, элемент малой проводимости при молекулярном режиме течения пробного газа и подключенные к емкости подачи вакуумный насос, измеритель давления и коммутационную арматуру, отличающееся тем, что оно содержит, подключенную к емкости подачи пробного газа, емкость перепуска известного объема, а элемент малой проводимости, установленный на выходе пробного газа из устройства, выполнен в виде стеклянного капилляра.

2. Способ определения потока пробного газа, характеризующийся тем, что поток пробного газа от устройства определяется по соотношению:

где Q - эталонный поток пробного газа, м³·Па/с;
U - проводимость капилляра, м³/с;
V₂ - объем емкости подачи, м³;
τ - время с момента поступления потока пробного газа через капилляр в технологическую установку, с;
P₀ - первоначальное давление пробного газа на входе в капилляр, Па, определяется по соотношению:

где P₁ - давление в емкости перепуска до сообщения с емкостью подачи, Па;
V₁ - объем емкости перепуска, м³;
V₂ - объем емкости подачи, м³.