Вакуумная система течеискателя Советский патент 1992 года по МПК G01M3/02 

Изобретение относится к вакуумной технике, в частности к конструкциям средств испытаний изделий на герметичность.

Известна вакуумная система течеиска- теля, содержащая механический насос с напускным клапаном, паромасляный насос, выход которого подключен при помощи магистрали с электромагнитным клапаном к входу механического насоса, и азотную ловушку с сосудом для хладагента, подключенную через дроссельный клапан к входу паромасляного насоса, а при помощи бай- пасной магистрали с запорными вентилями и масс-спектрометрической камерой - к входу механического насоса. Крометого, система содержит магистраль с запорным электромагнитным клапан.ом, подсоединенную к полости сосуда для хладагента и па- ромасляному насосу, а дроссельный клапан снабжен электромагнитным приводом с регулируемой частотой включения. Подключение системы к испытуемому изделию осуществляется при помощи входной магистрали с контрольной гелиевоц, течью. Изобретение позволяет уменьшить время останова течеискателя путем интенсификации охлаждения паромасляного насоса.

Однако во время работы течеискателя при испарении криоагента понижается его уровень, и верхние части сосуда и вакуум- провода отогреваются. При этом происходит ухудшение защитных свойств ловушки и деконденсация с отогретых поверхностей ранее сконденсировавшихся паров, которые, попадая обратно в откачиваемый объем, загрязняют его и ухудшают вакуум. Кроме того, сильно загрязняются катод и магнитный вакуумный датчик, что приводит к существенным флюктуациям показаний

последнего и большим погрешностям измерений, Загрязнение раскаленной нити катода может привести к перегоранию катода. Все это сильно снижает надежность в работе катода и магнитного вакуумного датчика, уменьшает время межрегламентного периода, снижает точность измерений, существенно повышает эксплуатационные и трудозатраты при работе с течеискателем.

Известна форвакуумная криогенная ловушка, содержащая сосуд Дьюара и трубу для прохода откачиваемого газа, установ-. ленную по оси сосуда Дьюара. Наружная поверхность трубы покрыта слоем пористого теплопроводного материала, например спекаемым бронзовым порошком. В этом изобретении слой пористого материала увеличивает теплообменную поверхность трубы, а за счет капиллярности обеспечивает

смачивание хладагентом всей трубы независимо от уровня хладагента в сосуде Дьюара, что повышает эффективность работы ловушки. Однако при испарении всего хладагента в сосуде Дьюара происходит резкое

ухудшение защитных свойств ловушки, что негативно сказывается на функционировании приборов, размещенных в масс-спектрометрической камере течеискателя.

Известна охлаждаемая сорбционная

ловушка, содержащая корпус с помещенными в него кольцевым медным сосудом для жидкого хладагента с антимиграционным барьером и сорбирующими элементами, причем к нижней части кольцевого сосуда

герметично прикреплен патрубок, покрытый слоем сорбента-катализатора, например окисью титана. При отсутствии жидкого хладагента в кольцевом сосуде пэры масла, мигрируя по стенкам ловушки, попадают на

патрубок, покрытый слоем сорбента-катализатора, разлагаются на легкие фракции и откачиваются диффузионным насосом. Однако при испарении всего хладагента в сосуде Дьюара происходит резкое ухудшение защитных свойств ловушки, что отрицательно сказывается на функциональных и эксплуатационныххарактеристикахмасс-спектрометрического течеискателя.

Известно устройство для охлаждения элемента, расположенного в вакуумируе- мом объеме, например для захолаживания ловушки диффузионного насоса, содержащее средство, установленное снаружи объема и теплоизолированное вакуумируемым кожухом; эти средства соединены с охлаждаемым элементом так,чтобы от него можно было отводить тепло. Кроме того, оно содержит теплоотводящее соединение, образованное охлаждающим стержнем, составляющим одно целое с охлаждающим средством. Теплоотводящее соединение вводится в объем через трубчатую, деталь, отходящую от вакуумируемого кожуха, и соединяется с объемом так, что вакуумный объем, и кожух соединяется друг с другом. Трубчатая деталь снабжена вакуум-плотным фланцем, соединяющимся с подобным фланцем на вакуумируемом объеме. Охлаждающий стержень выполнен в виде полого элемента, по которому течет хладагент. Охлаждающее средство выполнено в виде резервуара-хранилища для жидкого хладагента. Это техническое решение существенно снижает степень вероятности испарения всего хладагента в азотной ловушке, но все же не исключает полное опорожнение хладагента в сосуде Дьюара криогенной ловушки, и, как следствие, загрязнение приборов масс-спектрометрической камеры,

Известна вакуумная ловушка, содержащая корпус и расположенный в нем хладо- провод, на котором с возможность поворота установлены жалюзи, соединенныес приводом, причем последний выполнен в виде биметаллического элемента, снабженного подогревателем. Данное техническое решение позволяет автоматически регулировать проводимость ловушки в зависимости от величины вакуума в системе. Однако при полном опорожнении сосуда Дьюара криогенной ловушки не обеспечивается полная отсечка масс-спектрометрической камеры от десорбирующихся с поверхностей ловушки летучих загрязнений, что ведет к загрязнению и повреждению приборов масс-спектрометрической камеры.

Известна система автоматического управления вакуумной установкой, содержа-

щая входной и выходной управляемые вентили диффузионного насоса с нагревателем и размещенный на форвакуумном трубопроводе датчик давления, выполненный радио- метрическим и связанный с регистрирующей, сигнализирующей и командной аппаратурой воздействия на вентили, причем датчик давления установлен в зоне диффузионного насоса и снабжен

обоймой с прорезями и приемником инфракрасного излучения, связанным с командной аппаратурой воздействия на входной вентиль. Данное техническое решение позволяет проводить контроль работы установки подавлению, расходу охлаждающей воды и электропитанию по одному каналу, что в целом повышает надежность системы управления. Однако данное техническое решение не обеспечивает и не предполагает

защиты вакуумируемого объема, в частности масс-спектрометрической камеры, от загрязняющих поверхностей ловушки в случае полного испарения хладагента.

Наиболее близким по технической сущности аналогом является вакуумная система течеискателя, содержащая масс-спектро- метрическую камеру, паромзсляный насос, пластинчато-роторный насос, семь клапанов, калиброванную гелиевую течь, азотную

ловушку, вакуумный датчик и термопарный манометрический преобразователь. В этой системе при испарении криоагента с понижением его уровня верхние части сосуда и вакуум-провода отогреваются. При этом

происходит ухудшение защитных свойств азотной ловушки и декснденсация с отогретых поверхностей ранее сконденсировавшихся паров, которые, попадал обратно в откачиваемый объем, загрязняют приборы

масс-спектрометрической камеры. В результате снижаются надежность в работе катода, магнитного вакуумного датчика, время межрегламентного периода, точность измерений, возрастают эксплуатационные

затраты,

Целью изобретения является повышение надежности в работе катода магнитного вакуумного датчика масс-спектрометричя- ской камеры, увеличение времени межрегламентного периода и точности измерений. Кроме того, целью изобретения также является повышение достоверности контроля осушки азотной ловушки после окончания работы и его автоматизации, а снижение затрат и экономия ресурса опсачной системы при вакуумной осушке азотной ловушки.

Поставленная цель достигается тем, что известная вакуумная система течеискателя,

содержащая механический насос с напуск- иим клэп JM, паромасляный насос, выход которого подключен при помощи магистрали с пррвым электромагнитным клапаном к входу механического насоса, азотную ловушку с сосудом для хладагента, подключенную через дроссельный клапан к входу паромасляного насоса, масс-спектромет- ричсскую камеру, подключенную через второй электромагнитный клапан к азотной ловушке, а при помощи байпас юй магистрали с запорным элементом к входу механического насоса, снабжена по меньшей мере двумя термодатчиками, размещенными в нижней части сосуда для хладагента на различных высотах, первый термодатчик - на уровне предупреждения, второй - на критическом уровне, и прикрепленными к стенке сосуда посредством кронштейнов из диамагнитного тепловлагоэлектроизоляци- онного материала, первой регистрирующей и сигнализирующей аппаратурой и первой командной аппаратурой воздействия на второй электромагнитный клапан и систему электропитания катода и магнитного вакуумного датчика, а каждый из термодатчиков состоит из постоянного магнита, чувствительного элемента в виде охватывающей магнит оболочки из ферромагнитного материала с точкой Кюри, близкой к температуре кипения хладагента, и магнитоуправляемо- го контакт-геркона, вмонтированного внутри соответствующего кронштейна, контакт-герконы обоих термодатчиков соединены с регистрирующей и сигнализирующей аппаратурой, а контакт-геркон второго термодатчика соединен с первой командной аппаратурой. Кроме того, она снабжена коммутационным устройством подачи теплового или пневматического потока в сосуд для хладагента, третын , термодатчиком, установленным на дне сосуда для хладагента, и соединенными с ним второй регистрирующей аппаратурой и второй командной аппаратурой воздействия на коммутационное устройство, а второй термодатчик также соединен со второй командной аппаратурой. При этом вакуумная система течеискателя снабжена аппаратурой блокировки системы откачки по давлению и третьей командной аппаратурой воздействия на аппаратуру блокировки, а третий термодатчик и вакуумный датчик пароструйного насоса соединены с третьей командной аппаратурой.

Сущность изобретения заключается в предварительной сигнализации и последующей автоматической отсечке объема масс- спектрометрической камеры от остальной вакуумной системы течеискателя и прекращении электропитания катода, а также магнитного вакуумного датчика при снижении уровня хладагента в криогенном сосуде ниже допустимого. Кроме того, сущность

изобретения заключается также в автоматическом прекращении отогрева ловушки при испарении всего хладагента и включении после этого блокировки системы откачки по давлению, срабатывающей после восстановления рабочего давления пароструйного насоса.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что конструкция вакуумной системы течеискателя дополнительно содержит как минимум два термодатчика, размещенных в нижней части криогенной емкости на различных высотах, соответствующих уровню

предупреждения и критическому уровню, прикрепленных к ее стенке посредством кронштейнов из диамагнитного тепловлаго- электроизоляционного материала, чувствительные элементы которых выполнены в

виде оболочек, охватывающих постоянные магниты, при этом оболочки изготовлены из ферромагнитного материала с точкой Кюри, близкой к 1 емпературе кипения криогенной жидкости, причем внутри каждого кронштеина вмонтирован магнитоуправляемый контакт-геркон, один из которых связан с регистрирующей и сигнализирующей аппаратурой, другой - с регистрирующей, сигнализирующей и командной аппаратурой

воздействия на электромагнитный клапан, расположенный между масс-спектрометри- ческой камерой и азотной ловушкой, а также на систему электропитания катода и магнитного вакуумного датчика. Таким образом,

заявляемое техническое решение соответствует критерию новизна.

Известно техническое решение конструкции системы автоматического управления вакуумной установкой. В этой конструкции осуществляется контроль режима работы установки по давлению, расходу охлаждающей воды и электропитанию по одному каналу, что в целом повышает надежность системы. Однако эта схема защитывакуумнойкамеры(масс-спектрометрической камеры) от загрязняющих веществ малоэффективна в случае испарения хладагента в криогенном

сосуде ловушки и отогрева ее вымораживающих стенок. Поток деконденсирующихся со стенок ловушки веществ в первоначальный момент существенно не изменяет давления в вакуумной камере, но значительно загрязняет основные рабочие элементы

мэсс-спектрической камеры, а именно ионный источник и приемник ионов. Ионный источник содержит катод, коробку ионизатора и диафрагму. Приемник ионов содержит входную диафрагму, супрессор, состоящий из двух сеток и коллектор ионов. Загрязнение поверхностей основных рабочих элементов масс-спектрометрической камеры приводит к значительным ошибкам при измерении фона, возникновению флюктуации при измерении давления магнитным вакуумным датчиком, образованию пленок крекинга масла на поверхностях основных рабочих элементов, выходу из строя катода, приемника ионов, вакуумного датчика, снижению межрегламентного периода. При увеличении потока деконденсирующихся веществ в вакуумной камере изменится давление и после этого система автоматического управления вакуумной установкой (6) вмешается в работу системы. Однако к этому времени значительное негативное воздействие на основные рабочие элементы масс-спектрометрической камеры уже будет оказано. В заявляемом техническом ре- шении эти недостатки устраняются благодаря ведению контроля за минимально допустимым количеством хладагента в криогенном сосуде, обеспечивающим нормальное вымораживающее и удерживающее действие загрязняющих веществ в процессе откачки и активному вмешательству системы контроля в процессе откачки масс-спектрометрической камеры и функционирования основных рабочих элементов, находящихся в ней в случае уменьшения количества хладагента ниже минимального допустимого уровня. Таким образом, на основании анализа известных технических решений в исследуемой области, можно признать решение соответствующим критерию Существенные отличия.

На чертеже показана схема вакуумной системы течеискателя.

Вакуумная система течеискателя содержит механический насос 1 с напускным клапаном, паромасляный насос 2, выход которого подключен при помощи магистрали с электромагнитным клапаном 3 к входу механического насоса 1, азотную ловушку 4 с сосудом для хладагента 5, подключенную через дроссельный клапан 6 к входу паро- масляного насоса 2 и через электромагнитный клапан 7 к масс-спектрометрической камере 8, а при помощи байпасной магистрали 9 с запорным вентилем 10 и масс-спектрометрической камерой 8 - к входу механического насоса 1, два термодатчика 11 и 12, размещенные в нижней части криогенной емкости на различных высотах, соответствующих уровню предупреждения о необходимости пополнения криогенного продукта в азотную ловушку для нормального функционирования последней и критиче- 5 скому уровню, при котором азотная ловушка не в состоянии качественно вымораживать пары жидкости и удерживать конденсат, накопившийся ранее на вымораживающей поверхности. Термодатчики 11 и

0 12 крепятся к стенке криогенного сосуда 5 посредством кронштейнов 13 из диамагнитного тепловлагоэлектроизоляционного материала. Чувствительные элементы термодатчиков выполнены в виде оболочек

5 14, охватывающих постоянные магниты 15, при этом оболочки 14 изготовлены из ферромагнитного материала с точкой Кюри, близкой к температуре кипения криогенной жидкости. Внутри каждого кронштейна

0 11 вмонтирован магнитоуправляемый кон- такт-геркон 16, один из которых связан с регистрирующей 17 и сигнализирующей 18 аппаратурами, другой - с регистрирующей 17, сигнализирующей 18 и командной 19

5 аппаратурами, последняя воздействует на электромагнитный клапан 7, расположенный между масс-спектрической камерой 8 п азотной ловушкой 4. Кроме воздействия на электромагнитный клапан 7, командная зп0 паратура 19 воздействует также на систему электропитания 20 катода 21 и систему электропитания 22 магнитного вакуумного да1- чика 23. Таким образом, в блоке 19 размещены три командных аппаратуры: ко5 мандная аппаратура воздействия на электромагнитный клапан 7, командная аппаратура воздзйствия на систему олск;- ропитания 20 катода 21 и командная РППЗ- ратура воздействия на с.ч:гему

0 электропитания 22 вакуумного датчик 23. Кроме того, вакуумная система течей., кате- ля содержит установленный в днище криогенного сосуда 5 ловушки 4 дополнительный термодатчик 24. связанный с регистрнрую5 щей 17, сигнализирующей 18 и командной аппаратурой воздействия на коммутацией-. ное устройство 25 подачи теплового пли пневматического потока в криогенный сосуд ловушки, при этом с командной турой воздействия на омму-г-ционное устройстро25 также связан термсдетмтк 12, установленный на критическом уро ;но. Тор- модатчмк 24, установленный з .-.чп.це кр,;с; генного сосуда 5 ловушки -т, а также

5 вакуумный датчик 26 пароструйного кассет связаны с командной аппаратурой 27 воздействия на блокировку 28 системы откачки по давлению. Блокировка 28 с&.чз пна с реле времени 29. Реле времени коммутирует систему электропитания механического насоса 1.

Блок имитации 30 жидкого азота в ловушке 4 связан с командной аппаратурой 19. Входной вентиль 31 сообщает масс- спектрометрическую камеру с испытуемым объектом. Командное устройство 32 связано с регистрирующей 17 и сигнализирующей 18 аппаратурой.

Вакуумная система течеискателя работает следующим образом.

После откачки объема вакуумного насоса 1 до рабочего давления включается блок имитации жидкого азота в криогенном сосуде 5 на уровне, превышающем предупредительный. Далее производится откачка паромасляного насоса 2. После откачки насоса 2 включается подогреватель последнего. После разогрева пароструйного насоса 2 через клапан 6 производится откачка объема азотной ловушки 4 до заданного давления, измеряемого датчиком 26. Затем заливается жидкий азот в криогенный сосуд 5 азотной ловушки 4 и отключается блок имитации жидкого азота 30 в ловушке 4. После захолаживания азотной ловушки 4 открывается электромагнитный клапан 7 и производится откачка масс-спектрометри- ческой камеры 8. Во время откачки камеры 8 включается магнитный вакуумный датчик 23 и после достижения рабочего давления в камере подается накал на катод ионного источника. После установления заданного тока эмиссии открывают входной клапан 31, соединяющий вакуумную систему течеискателя с испытуемым объектом криогенного сосуда 5.

При наличии жидкого азота в криогенном сосуде 5 герметичные контакты датчиков, находящиеся ниже уровня жидкости, разомкнуты, так как магнитные потоки Фп, создаваемые постоянными магнитами 15, экранируется ферромагнитными оболочками 14 этих магнитов, замыкая на себя их силовые линий. Для размыкания контактов геркона к ним необходимо приложить минимальную силу притяжения

ФЗ

2fio а Ь

где fio - магнитная постоянная, равная 4 лгх 107Г/м:

а - длина участка перекрытия пружин, м;

b - ширина пружин, м;

Фз - магнитный поток в зазоре (в вебе pax).

Контакты удерживаются в разомкнутом состоянии под действием упругой силы, направленной противоположно силе магнитного притяжения

где X - величина зазора между кольцами недеформированных пружин, м;

х-рабочий зазор между пружинами при

их деформировании в процессе срабатыва- ния, м;

S - жесткость каждой пружины, Н/м2. В процессе работы течеискателя по мере испарения жидкого азота из криогенного сосуда 5 термодатчик может находиться выше уровня жидкости. В этом случае чувстви- тельный элемент термодатчика 11 - оболочка 14, охватывающая постоянный

магнит 15, начнет быстро нагреваться. При переходе через точку Кюри материал оболочки 14 начинает обладать свойством парамагнетиков и диамагнитен. Герметичные контакты датчика 11 замкнуты. Такое состояние объясняется следующим. Магнитный поток Фп, создаваемый постоянным магнитом 15, пронизывая оболочку 14, реагирует с герконом 16. Вследствие появления магнитного потока достаточной мощности для

запирания контактов геркона 16, свободные концы пружин приближаются друг к другу, наступает состояние равновесия Fm Fy, которому соответствует магнитный поток

0

5

Фз о а b S (X - х) .

После того, как под действием возросшего магнитного поля Н величина зазора уменьшилась с X до х и соответствует критическому зазору пружины продолжают сближаться и без дальнейшего возрастания Н. Для обеспечения надежной работы геркона и большей егр чувствительности целесообразно, чтобы рабочая индукция В Фт/S была меньше индукции насыщения Bs, a коэффициенты ai и Э2 в выражениях Bi Ф1/5 а 1 Bs и В2 Фг/S а 2 Bs находились в пределах 0,75 ai 0,9; 0,6 32 0,75.

Таким образом, после замыкания контактов геркона термодатчика 11 подается электрический сигнал на командное устройство 32 воздействия на регистрирующую 17 и сигнализирующую 18 аппаратуру. При получении сигналов аппаратуры 17 и 18 оператор заливает жидкий азот в ловушку. При испарении азота в криогенном сосуде 5 до уровня, соответствующего критическому, срабатывают контакты геркона термодатчи- ка 12, выдается электрический сигнал на командное устройство 19. Командное устройство 19 направляет воздействие на закрытие электромагнитных клапанов 7 и 31, на систему электропитания 20 катода 21с

целью его обесточивэния, на систему электропитания 22 магнитного вакуумного датчика 23 с целью его отключения. После срабатывания электромагнитного клапана 7 электрический сигнал о закрытии передается на электропневмоклапан 25 и только после получения воздействия от командного устройства 19 автоматически открывается электропневмоклапан 25, установленный на магистрали подачи пневматического потока в криогенный сосуд 5 ловушки 4. При этом электропневмоклапан 25 открывается только после получения сигнала о закрытии электромагнитного клапана 7. После начала отогрева азотной ловушки 4 в вакуумной полости между криогенным сосудом и непосредственно наружными стенками азотной ловушки 5 начинается процесс повышения давления, который фиксируется вакуумным датчиком 26. После достижения некоторого предельного давления и получения сигнала о полном отсутствии жидкого азота в криогенном сосуде 5 с термодатчика 24 командная аппаратура 27 направляет воздействие на включение блокировки 28 по давлению системы откачки. После того как весь конденсат испарится с вымораживающей поверхности криогенного сосуда и удалится системой откачки, давление в вакуумной полости азотной ловушки начнет снижаться. При некотором давлении в вакуумной полости, соответствующем рабочему давлению в вакуумной системе без жидкого азота в ловушке блокировки 28 выдает команду на закрытие электроклапана 6 и после этого отключит нагреватель паромасляного насоса 2. После отключения нагревателя насоса 2 блокировка 28 включит в работу реле времени 29. По истечении времени, необходимого для остывания корпуса паромасляного насоса 2, реле отключит механический насос 1. Течеискатель автоматически остановлен.

Итак, предлагаемое устройство позволяет существенно повысить надежность в работе катода и магнитного вакуумного датчика, увеличить время межрегламентного периода течеискателя, повысить точность измерений,упростить процесс останова течеискателя оператором.

Формула изобретения 1. Вакуумная система течеискателя, содержащая насос с напускным клапаном, паромасляный насос, выход которого подключен при помощи магистрали с первым электромагнитным клапаном к входу механического насоса, азотную ловушку с сосудом для хладагента, подключенную через дроссельный клапан к входу паромасляного

насоса, масс-спектрометрическую камеру, подключенную через второй электромагнитный клапан к азотной ловушке, а при помощи байпасной магистрали с запорным вентилем - к входу механического насоса, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности в работе катода и магнитного вакуумного датчика масс-спек- трометрической камеры, увеличения време0 ни межрегламентного периода и точности измерений, она снабжена по меньшей мере двумя термодатчиками, размещенными в нижней части сосуда для хладагента на различных высотах, первый датчик - на уровне

5 предупреждения, второй - на критическом уровне, и прикрепленными к стенке сосуда посредством кронштейнов из диамагнитного тепловлагоэлектроизоляционного материала, первой регистрирующей и

0 сигнализирующей аппаратурой и первой командной аппаратурой воздействия на второй электромагнитный клапан и систему электропитания катода и магнитного вакуумного датчика, а каждый из термодатчиков

5 состоит из постоянного магнита, чувствительного элемента в виде охватывающей магнит оболочки из ферромагнитного материала с точкой Кюри, близкой к температуре кипения хладагента, и

0 магнитоуправляемого контакт-геркона, вмонтированного внутри соответствующего кронштейна, контакт-герконы обоих термодатчиков соединены с регистрирующей и сигнализирующей аппаратурой, а контэкт5 геркон второго термодатчика соединен с первой командной аппаратурой.

2.Система по п. 1,отличающаяся тем, что, с целью повышения достоверности контроля осушки азотной ловушки после

0 окончания работы и его автоматизации, она снабжена коммутационным устройством подачи теплового или пневматического потока в сосуд хладагента, третьим термодатчиком, установленным на дне сосуда для

5 хладагента, и соединенными с ним второй регистрирующей аппаратурой и второй командной аппаратурой воздействия на коммутационное устройство, а второй термодатчик также соединен с второй ко0 мандной аппаратурой.

3.Система попп. 1 и2,отличающа- я с я тем, что, с целью снижения затрат и экономии ресурса откачной системы при вакуумной осушке азотной ловушки, она снаб5 жена аппаратурой блокировки системы откачки по давлению и третьей командной аппаратурой воздействия на аппаратуру блокировки, а третий термодатчик и вакуумный датчик пароструйного насоса соединены с третьей командной аппаратурой.

Использование: контрольно-измерительные вакуумные приборы. Сущность: вакуумная система содержит механический насос 1, паромаслян ый насос 2, азотную ловушку 4, масс-спектрометрическую камеру 8, вакуумные клапаны 3, 6 и 7, термодатчики 11 и 12 и устройство подачи теплового или пневматического потока в криогенный сосуд 5 ловушки 4. Термодатчики 11 и 12 размещены в нижней части криогенного сосуда 5 на различных высотах, соответствую