Измерение газовых потоков Прецизионные регулируемые вакуумные натекатели

Измерение газовых потоков

Прецизионные регулируемые вакуумные натекатели микропотоков Современный этап развития измерительной и в особенности газоаналитической техники характеризуется значительным повышением требований к – – точности, надежности, чувствительности и быстродействию аппаратуры газового анализа.

Дополнительные требования к газоаналитическим системам • сохранение работоспособности в сложных условиях при ограниченных возможностях обслуживания, что может быть достигнуто – повышением степени автоматизации процесса измерений; резким повышением ремонтопригодности, – резервированием наименее надежных блоков и узлов; • обеспечение возможности автоматической проверки основных метрологических параметров и работоспособности; • обеспечение самоконтроля и прогнозирования технического состояния измерительных трактов и приборов в целом; • повышенная стабильность коэффициентов преобразования измерительных трактов (метрологическая надежность); • увеличение быстродействия газоаналитической аппаратуры. • (Р. Т. Франко, 1983)

Вакуумный натекатель • Наиболее ответственным и наиболее уязвимым узлом любой газоаналитической системы является устройство забора проб – в рассматриваемом случае - вакуумный натекатель. • Натекатели по уровню стоимости можно приравнять к немногочисленным изделиям, которые относятся к high-tech классу. – Если условно оценивать изделия удельным показателем стоимость/килограмм веса, то для high-tech–изделий такой показатель составляет порядка 1000 долларов за килограмм. • В настоящее время в России весьма трудно найти хороший прецизионный натекатель. • Основными производителями прецизионных натекателей в мире являются английская фирма “Edwards” и фирма “Balzers” (Лихтенштейн)

ВИДЫ НАТЕКАТЕЛЕЙ Игольчатый натекатель Капиллярный натекатель Щелевые дроссели Дроссели с пористыми элементами и ртутным уплотнением • Дроссели, управляемые изменением температуры • Диффузионные дроссели • Термодиффузионные натекатели • • [А. Л. Гусев. Прецизионные регулируемые вакуумные натекатели микропотоков газов и паров для контроля герметичности энергетических объектов]

Игольчатый натекатель Основные характеристики • • • Наиболее распространенными натекателями являются устройства с конусообразной регулировочной иглой и соответствующим отверстием - так называемые игольчатые затворы. Обязательными и трудновыполнимыми элементами этих систем являются механизмы прецизионной регулировки подачи подвижных элементов Подвижная система игольчатого затвора обычно приводится в действие с помощью резьбовых механизмов Принципиальная Схема

Игольчатый натекатель Недостатки а) Не обеспечивается необходимый малый шаг изменения газового потока при регулировке пропускной способности механизмом подачи с обычной резьбой. б) Деформация резьбового соединения и возникновение микролюфтов при воздействии динамических факторов (удары, вибрации) на подвижную систему, что приводит к скачкообразной перенастройке регулируемого дросселя. в) Самопроизвольная скачкообразная перенастройка регулируемого дросселя из-за температурных флюктуаций. г) Невозможность обеспечить плавное приближение и касание поверхностью иглы поверхности седла при использовании механизма обычной резьбовой регулировки. Это приводит к созданию гигантского давления между контактными поверхностями, достигающего иногда миллиона атмосфер, что вызывает отрыв частиц металла с поверхности седла при отходе от него иглы. Вследствие этого происходит потеря воспроизводимости потока при очередном цикле регулирования. Кроме того, в конструкциях вакуумных натекателей, имеющих резьбовую регулировку, как правило, отсутствует возможность прецизионного автоматического регулирования потока газа.

Игольчатый натекатель Удобства в эксплуатации • широкий диапазон регулирования 1 - для отверстия в платиновом диске (0, 6 -30), 2 - для капилляра конической формы (1 -0, 0009), 3 - для трещины в стеклянной капиллярной трубке (0, 002 -1, 8), 4 - для трещины в стеклянной трубке (0 -380), 5 - для капилляра круглого сечения (7 • 10 -7 -0, 02), 6 - для сплющенной медной трубки (0, 003 – 3), 7 - для капиллярной трубки в сочетании со стеклянной иглой (0, 02 -5), 8 -для вставки (пробки) из пористого металла (0, 00005 – 0, 01), 9 - для пористого керамического стержня (0, 001 -10), 10 – для устройства с кольцевыми вставками, функционирующими при регулируемой нагрузке (0, 002 – 0, 00005), 11 - для устройства с пружинящей шайбой (0, 0005 – 0, 07), 12 - для устройства со стальным шариком на сферическом седле (0, 7 - 0, 007), 13 - для игольчатого натекателя (0, 02 -1), 14 - для игольчатого натекателя с сильфонным уплотнением (0, 00006 -40), 15 - для платиновой проволоки, расширяющейся в стеклянном капилляре (0, 03 -0, 25), 16 - для вольфрамового стержня, расширяющегося в стальной оболочке (0, 1 -0, 9), 17 - для нагреваемого капилляра (4 -40).

Капиллярные натекатели • Конструкции капиллярных натекателей [6], особенно, при использовании их в наборе, позволяют несколько повысить производительность. • Такие конструкции предназначены в основном для генерирования дискретных течей в вакуумный объем.

Щелевые дроссели [5], регулируемые изменением степени искривления трубки обладают недостатками, присущими натекателям с резьбовой подвижной системой: • а) Не обеспечивается необходимый малый шаг изменения газового потока. • б) Самопроизвольная скачкообразная перенастройка регулируемого дросселя из-за температурных флюктуаций и деформации резьбового соединения. • в) потеря воспроизводимости потока при очередном цикле регулирования вследствие невозможности обеспечить плавное приближение и касание поверхностью иглы поверхности седла. • г) отсутствует возможность прецизионного автоматического регулирования потока газа.

Дроссели с пористыми элементами и ртутным уплотнением • Дроссели с пористыми элементами и ртутным уплотнением [5] с механической регулировкой также нестабильны по потоку при воздействии возмущающих факторов.

Дроссели, управляемые изменением температуры • • Дроссели, управляемые изменением температуры [5, 11] позволяют осуществить чрезвычайно тонкую регулировку путем изменения температуры изделия, в котором наружная и внутренняя трубки изготовлены из материалов, обладающих различными температурными коэффициентами расширения. Однако результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о наличии очень узкого интервала регулирования потока и неустойчивостей при регулировании, определяемых температурным гистерезисом натекания [3, 12]

Нитевидный натекатель • Для прецизионного дозирования в сравнительно узком диапазоне регулирования может использоваться нитевидный натекатель [8, 9],

Диффузионные дроссели • В конструкциях диффузионных дросселей [3, 5, 13, 14] использована газопроницаемость твердых веществ. • Для подачи чистых газов в вакуумную систему может быть использована их диффузия через некоторые материалы. • Так, через палладий и сплав палладийсеребро [15] свободно диффундирует водород, • через серебро - кислород, • через тонкое кварцевое стекло - гелий, • через железо – азот и двуокись углерода и т. д. [8]

Термодиффузионный натекатель • • • В основе действия термодиффузионных натекателей лежит явление избирательной диффузии газов через некоторые материалы при нагреве. Недостатками этих натекателей являются малая величина генерируемого газового потока и узкий интервал изменения газового потока. Известно, что тонкостенные сосуды из кварца проницаемы для гелия, водорода и некоторых других газов, особенно, при повышенных температурах (Дэшман, 1964).

Комбинированный дифузионный и термодифузионный натекатель • • • лабораторный комбинированный дифузионный и термодифузионный натекатель , выполненый с рабочим элементом из тонкостенных кварцевых сфер соединенных последовательно кварцевым капилляром. На рисунке снизу он представлен в собранном виде, а сверху в разобранном виде. Такая конструкция может выдержать нагрев до 700 0 С. Регулирование расхода через тонкостенную кварцевую оболочку может осуществляться как давлением, так и температурой. Натекатель может работать как без нагрева, так и с нагревом.

Щуп-натекатель • • • Устройство изготовлено на основе щупанатекателя для течеискателя ПТИ-10. пропускная способность регулируется с помощью мелкой резьбы, имеющейся на хвостовой части емкости и регулировочной гайке. Постоянство величины зазора обеспечивается стабилизирующим действием емкости с жидким азотом на температуру иглы и конического отверстия. Для обеспечения защиты заборного отверстия щупа-натекателя при поиске локальной течи от мигрирующего облака, образованного течами с соседних участков, конструкция снабжена газовой завесой. Газовая завеса создается путем подачи испаряющегося азота через периферийные сопла, находящиеся вблизи заборного микроотверстия.

Измерение газовых потоков • Измерение потоков разреженного газа можно проводить с использованием датчиков расхода газа при известном давлении

Датчики расхода газа компании Honeywell • • • Конструкция датчиков расхода газа компании Honeywell включает чувствительный элемент, выполненный на кристалле кремния, схему обработки и нормализации сигнала на том же кристалле и пластмассовый корпус со штуцерами для подключения к магистрали. не имеют подвижных частей и основаны на термоанемометрическом принципе работы. Микромостовой чувствительный кремниевый элемент измеряет теплоту потока воздуха или газа, проходящего через измерительную камеру датчика. Встроенный нагревательный элемент обеспечивает постоянную температуру +160°С, которая сравнивается с более низкой температурой потока измеряемого газа. Датчики расхода газа выпускаются как со встроенными цепями управления нагревателем, так и с внешними. линейка датчиков включает модели со встроенной схемой усиления выходного сигнала (1… 5 В) и без усилителя (в диапазоне до 30 м. В) Датчики расхода газа предназначены для работы в среде различных газов (водород, гелий, азот, воздух и др. ) в широком диапазоне температур.

Датчики расхода газа компании Honeywell Наим-е Диап. измер. см 3/мин Выходное Время напряж. , м. В отклика, мс Погрешность, % Точность и гистерезис, % Датчики на сухие газы AWM 1100 V ± 200 30 1… 3 ± 4 ± 1 AWM 1300 V +1000 - 600 50 1… 3 ± 4 ± 1 AWM 2150 V ± 30. 0 11, 8 1… 3 ± 5 ± 0, 35 AWM 2300 V ± 1000 50 1… 3 ± 5 ± 1 Датчики на водород AWM 2100 VH ± 200 30 1… 3 ± 2, 5 ± 0, 35 AWM 2300 VH ± 1000 50 1… 3 ± 5 ± 1 AWM 42150 VH ± 25 8, 5 1… 3 ± 2, 5 ± 0, 35 Примечание: Температура измеряемого газового потока должна находиться в диапазоне -25… 85°С (-40… 125°С для датчиков серии AWM 40000)

Расходомеры и регуляторы расхода газа компании «MKS Instruments» • обеспечивают измерение и регулирование расхода газа с точностью от 1% до 0, 5% от верхнего предела (ВП) в диапазоне от 0, 001 стандартных см 3/мин до 400 стандартных л/мин. • Массовый расход газа определяется в единицах объёмного расхода при стандартных условиях: температуре 0°С и давлении 1 атм, т. е. прибор всегда измеряет расход газа в приведённых к стандартным условиям единицах объёма, что однозначно соответствует массовому расходу газа.

Расходомеры и регуляторы расхода газа компании «MKS Instruments» Таблица из Измерения_1 Примечания: 1. Диапазон рабочих температур: 0. . 50 °C 2. Максимальное давление на входе: 10 бар 3. Приборы выпускаются с верхним пределом измерения/регулирования, равным одному из значений ряда: 10, 20, 50, 100, 200, 500 ст. см 3/мин; 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 400 ст. л/мин. 4. Внешний клапан регулирования: легкодоступность, простота обслуживания и чистки. Встроенный клапан регулирования: минимальное расстояние между элементами крепления регулятора (3 дюйма), экономия места. 5. ВПИ – верхнего предела измерений