Разработка установки для исследования и калибровки вакуумметров и вакуумных преобразователей

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2012

Серия: Физика

Вып. 2

УДК 533.59

Разработка установки для исследования и калибровки вакуумметров и вакуумных преобразователей

А. С. Агеев, К. В. Вяткин, Е. М. Вяткин

ООО НПП “Системы контроля”, 614031, Пермь, ул. Докучаева, 31а

В работе описана установка, разработанная авторами для исследований и калибровки вакуумных датчиков. Установка собрана на основе турбомолекулярного и пластинчато-роторного насосов и позволяет воспроизводить давление в рабочей камере в диапазоне 10-7 - 760 мм.рт.ст.

Ключевые слова: измерение вакуума, вакуумный преобразователь, вакуумный насос, вакуумметр.

1. Введение

В современном производстве широко используются вакуумные технологические процессы -вакуумное напыление, молекулярно-лучевая эпитаксия, электронно-лучевая сварка, вакуумный отжиг и многие другие. Исследовательская научная аппаратура также не может обходиться без вакуума - это электронные и туннельные микроскопы, ускорители элементарных частиц, масс-спектрометры. Трудно представить развитие нанотехнологий без вакуумной техники. Не последнюю роль в вакуумной технике и технологии играют средства измерения вакуума. Однако в настоящее время в России именно со средствами измерения вакуума сложилась катастрофическая ситуация. Если в прошлом веке вакуумные преобразователи (вакуумные лампы) выпускались объёмами в сотни тысяч штук в год, то на сегодня нет ни одного отечественного производителя. Промышленность и наука использует либо очень дорогие импортные преобразователи, либо старые иссякающие запасы устаревших физически и морально отечественных преобразователей. Мы поставили перед собой задачу разработать современный, технологичный и достаточно точный вакуумметрический преобразователь. Однако сразу столкнулись с серьёзной метрологической проблемой: для экспериментов исследований и калибровки датчиков нам понадобился инструмент - вакуумная установка с изме-

няемым давлением и средства измерения вакуума. Данная статья посвящена описанию установки, созданной нами для этих целей.

2. Описание установки

Установка должна была удовлетворять следующим требованиям:

- Воспроизводить давление в рабочей камере в диапазоне 10-7 - 760 мм.рт.ст.

- Конструкция рабочей камеры должна удовлетворять требованиям государственных стандартов [1]. В указанном документе описана методика поверки вакуумметров и требования к аппаратуре. Так, вакуумный объём должен иметь сферическую форму (по крайней мере частично). Вакуум должен создаваться безмасляными насосами. Указаны требования по глубине откачки и т.д.

- Проверка характеристик испытуемого вакуумметра (вакуумметров) должна проводиться методом сличения с показаниями образцовых средств измерения.

- Образцовые средства измерения должны иметь метрологические характеристики не хуже образцовых средств измерения 2-го разряда [2].

- Конструкция установки должна включать в себя средства для предотвращения попадания паров масла в рабочую камеру.

Структурная схема созданной вакуумной установки изображена на рис. 1. Установка состоит:

- из системы создания и поддержания давле-

© Агеев А. С., Вяткин К. В., Вяткин Е. М., 2012

- комплекса образцовых средств измерения;

- системы прогрева рабочей камеры.

патрубку приварен отвод (7) с фланцем Ду25 (8) для присоединения к форвакуумной магистрали.

Рис. 1. Структурная схема вакуумной установки

Система создания и поддержания давления включает в себя средства откачки, рабочую вакуумную камеру, средство управления подачей газа.

Общий вид вакуумной камеры представлен на рис. 2.

Рис. 2. Общий вид вакуумной камеры

Вакуумная камера изготовлена из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т. Детали камеры (кроме верхнего свода) и аргонодуговая сварка выполнены на предприятии РАР, г. Пермь. Основу камеры составляет отрезок трубы (1) диаметром 219 мм и высотой 200 мм. Толщина стенки 6 мм (рис. 3). В стенках трубы сделаны отверстия, в которые вварены отводы с фланцами Ду25 для присоединения преобразователей (6, 8).

Сверху к трубе приварен сферический свод (2) (рис. 4). В центре свода сделано отверстие и приварен отвод с фланцем Ду25 (10, 11), на который монтируется игольчатый натекатель, через который в камеру подается рабочий газ.

Нижний фланец (3) плоский (рис. 5), с отверстием для приваривания патрубка (9), с фланцем Ду63 (5), который соединяется с высоковакуумным затвором через металлическое уплотнение. К

Рис. 3. Основная часть вакуумной камеры

Рис. 4. Свод вакуумной камеры

Рис. 5. Нижий фланец камеры

На рис. 6 и 7 изображены фланцы Ду25 и Ду63 соответственно.

Рис. 6. Фланец Ду25

Рис. 8. Измерительная ячейка вакуумметра «Баратрон»

На рис. 9 представлен внешний вид и габаритные размеры вакуумметра «Баратрон» 626 серии.

Рис. 7. Фланец Ду63

Комплекс образцовых средств измерений состоит из трех вакуумметров: двух мембранноемкостных вакуумметров марки Baratron [3] производства фирмы MKS Instruments и одного ионизационного вакуумметра AIGX [4] производства фирмы Edwards.

Два вакуумметра Baratron серии 626 с верхними пределами измерения 760 мм.рт.ст. и 0.76 мм.рт.ст. обеспечивают измерение абсолютного давления в диапазоне 10-3 ^ 760 мм.рт.ст. Принцип действия этих вакуумметров основан на использовании зависимости между измеряемым давлением и упругой деформацией чувствительного элемента [5]. В качестве чувствительного элемента в вакуумметрах применяется плоская металлическая мембрана, которая разделяет камеру, изготовленную из нержавеющей стали, на две части: опорную и измерительную. С опорной стороны к мембране через изоляторы подведены электроды, которые образуют с мембраной две переменные емкости, включенные в плечи измерительного моста. На другую сторону мембраны подается измеряемое давление, вызывающее деформацию мембраны, которая приводит к изменению емкостей и разбалансу моста. Электрический сигнал разбаланса моста, пропорциональный измеряемому давлению, поступает на электронную схему для обеспечения температурной компенсации и преобразования в нормированный электрический выходной сигнал.

С опорной стороны мембраны (рис. 8) создается разрежение, не превышающее 10-7 мм. рт. ст., которое поддерживается в течение длительного времени химическим геттером (газопоглотителем).

Рис. 9. Внешний вид и габаритные размеры вакуумметра «Баратрон» 626 серии

Характеристики вакуумметров «Баратрон» приведены в табл. 1.

Таблица 1. Основные технические характеристики вакуумметров “Баратрон ”

Верхний предел измерения, мм.рт.ст 760 0.76

Нижний предел измерения, мм.рт.ст 10-1 10-4

Предел допускаемой основной относительной погрешности, % ±0.25 ±0.5

Порог чувствительности, % от ВПИ 10-3 10-3

Выходной сигнал, В 0..10 0..10

Напряжение питания постоянного тока, В 24 24

Потребляемая мощность, Вт, не более 1.1 1.1

Диапазон рабочих температур, °С 0..50 0..50

Пределы дополнительной погрешности, вызванной изменением температуры окружающей среды в диапазоне рабочих температур на каждые 10 °С, % от измеряемой величины ±0.4 ±0.4

Дрейф нуля, вызванный изменением температуры окружающей среды в диапазоне рабочих температур на каждые 10 °С, % от ВПИ ±0.1 ±0.1

Масса, кг, не более 0.75 0.75

Вакуумметры «Баратрон» подключаются к вакуумной камере через хомутное соединение Ду25. Питание вакуумметров осуществляется от источников постоянного тока 24В. Выходной сигнал напряжения вакуумметров регистрируется вольтметром, установленным на стойке управления установки. Далее после проведения испытания значения напряжения переводятся в значения давления по формулам:

- для «Баратрона» с верхним пределом измерения 0.76 мм.рт.ст

?! (мм.рт.ст.) = У (мВ) /13332, где У (мВ) -

показания вольтметра в мВ;

- для “Баратрона»” с верхним пределом 760 мм.рт.ст.

Р1 (мм.рт.ст.) = V (мВ) • 10/133.32 , где V (мВ) - показания вольтметра в мВ.

Ионизационный вакуумметр ЛЮХ обеспечивает измерение давления в диапазоне 10-7 ^ 10-3 мм.рт.ст. Принцип действия вакуумметра основан на зависимости тока положительных ионов, образованных в результате ионизации молекул разреженного газа, от измеряемого давления [6].

Ионизационный преобразователь представляет собой электронную лампу с горячим катодом. Под воздействием ускоряющего напряжения электроны с накаленного катода устремляются к аноду и соударяются на своем пути с молекулами остаточных газов. Образовавшиеся при этом положительные ионы попадают на коллектор, создавая ионный ток, пропорциональный давлению, который поступает на блок преобразования электрических сигналов. Блок формирует нормированный выходной сигнал напряжения. На рис. 10 представлены общий вид и габаритные размеры вакуумметра ЛЮХ.

Таблица 2. Основные технические характеристики вакуумметра AIGX

В.7 в

Ф

S

х

0J

*

о

10

Тс rr/mbc ir /

Pas ;al

1<Г 10" 10" 10"

10 10 10

Давление

Рис. 11. Зависимость выходного сигнала от измеряемого давления вакуумметра АЮХ

Характеристики вакуумметра AIGX представлены в табл. 2.

Верхний предел измерения, мм.рт.ст. 5 • 10-2

Нижний предел измерения, мм.рт.ст. 5-10"10

Предел допускаемой основной относительной погрешности, % ±15

Выходной сигнал, В 0.7..8.7

Напряжение питания постоянного тока, В 13.5-30

Потребляемая мощность, Вт, не более Режим работы: 7. Дегазация: 14

Диапазон рабочих температур, °С 0..+40

Ток эмиссии, мА 0.1 или 1

Катоды Иттрий, покрытый иридием

Масса, кг, не более 0.51

Рис. 10. Внешний вид и габаритные размеры вакуумметра АЮХ

На рис. 11 представлена зависимость выходного сигнала электронного блока вакуумметра от давления.

Вакуумметр AIGX подключается к контроллеру турбомолекулярного насоса TIC. Контроллером осуществляется питание вакуумметра, управление вакуумметром и отображение измеренного давления. Контроллер находится в стойке управления установкой.

Таким образом, комплекс средств измерений, включающий в себя два мембранно-емкостных вакуумметра марки Баратрон с верхними пределами измерений 760 мм.рт.ст. и 0.76 мм.рт.ст. и один ионизационный вакуумметр AIGX, обеспечивают измерение давления в необходимом диапазоне: 10-7 - 760 мм.рт.ст.

На рис. 12 представлена вакуумная схема экспериментальной установки.

Рис. 12. Вакуумная схема экспериментальной установки

Система откачки воздуха из вакуумной камеры представляет собой комбинацию последовательно включенных насосов форвакуумного NV1 и высоковакуумного NR1.

Форвакуумный насос марки RV3 производства фирмы Edwards [4] относится к типу механических двухступенчатых вакуумных пластинчатороторных насосов [7]. В насосах такого типа внутри цилиндрического корпуса эксцентрично вращается ротор, котором имеются пазы, и в них возв-

ратно-поступательно движутся стальные пластины. Для уменьшения трения пластин по зеркалу цилиндра в выточках цилиндра устанавливаются беговые кольца, вращаемые пластинами. При вращении ротора пластины под действием центробежной силы прижимаются к беговым кольцам и делят пространство между цилиндрическим корпусом и ротором на отдельные рабочие ячейки. На углу поворота, при котором объем рабочих ячеек увеличивается, они соединяются с всасывающим патрубком - происходит всасывание. Затем рабочие ячейки отсоединяются от всасывающего патрубка, объем их уменьшается, и в них происходит сжатие откачиваемого газа. На определенном участке поворота ротора ячейки соединяются с нагнетательным патрубком, и благодаря уменьшению объема рабочих ячеек газ выбрасывается в нагнетательный патрубок. Для уплотнения между элементами в рабочей камере используется масло.

Насос RV3 предназначен для откачки парогазовой смеси из вакуумных объёмов. Откачной механизм приводится в действие напрямую одно-или трёхфазным электродвигателем через гибкую муфту. В насосе предусмотрены два режима управления: с помощью газобалласта и переключателя рабочих режимов. Шесть возможных комбинаций положения газобалласта и переключателя рабочих режимов позволяют получить широкий набор рабочих характеристик. Наличие быстродействующего обратного клапана позволяет избежать попадания масла в вакуумную систему при неправильной эксплуатации насоса. Внешний вид и габаритные размеры насоса представлены на рис.

Рис. 13. Внешний вид и габаритные размеры насоса RV3

Высоковакуумный насос EXT75DX производства фирмы Edwards относится к типу механических турбомолекулярных насосов [7].

Механические насосы, предназначенные для получения высокого и сверхвысокого вакуума, называются молекулярными насосами, так как обязательным условием их откачивающего действия является молекулярный режим течения газа. В отличие от объемных насосов, перемещение газа которыми осуществляется за счет периодического изменения объема рабочей камеры, молекулярные насосы относятся к насосам непрерывного скоростного действия. Откачивающее действие молекулярного насоса основано на увлечении молекул га-

за непрерывно движущимися твердыми поверхностями.

Общим конструктивным признаком механических молекулярных насосов является ротор с рабочими каналами фиксированной формы, вращающийся в корпусе с зазором. Каналы ротора обязательно открыты к рабочей поверхности корпуса (статора), относительно которой перемещается газ. Первые молекулярные насосы имели низкую надежность из-за малых зазоров (менее 0,1 мм) между корпусом и ротором, вращавшимся с частотой 10...20 тысяч об./мин. При попадании в насос мелких частиц, загрязнений и неблагоприятном распределении температур деталей насоса не исключалось заклинивание ротора. Эти проблемы были решены с появлением турбомолекулярного насоса [8], отличавшегося большими зазорами (более 1 мм) и улучшенными рабочими характеристиками.

Современный турбомолекулярный насос состоит из серии пропеллеров - роторов и статоров. Пропеллеры ротора и статора чередуются и имеют противоположный наклон лопаток. Работа насоса основана на передаче момента энергии от поверхности быстро вращающегося пропеллера к молекуле газа. Скорость движения поверхности должна быть высокой для того, чтобы достичь оптимальной эффективности откачки - скорости откачки и отношения сжатия.

Рис. 14. Структура турбомолекулярного насоса

При столкновении молекулы газа с поверхностью пропеллера составляющая скорости движения молекулы, направленная вниз (рис. 14), увеличивается, вследствие чего вероятность движения молекулы в направлении А-В значительно возрастает в сравнении с вероятностью движения в направлении В-А. Чередование ступеней ротора и статора в обычном турбомолекулярном насосе обеспечивают отношение сжат ия.

Основное отличие механических молекулярных (турбомолекулярных) насосов от пароструйных высоковакуумных насосов [9] заключается в отсутствии паров масла в рабочей камере установки при работе насоса. Этим различием обоснован выбор турбомолекулярного насоса в качестве высо-

ковакуумного насоса в экспериментальной установке.

На рис. 15 представлены внешний вид и габаритные размеры турбомолекулярного насоса ЕХТ75ВХ. ’ ’

Рис. 15. Внешний вид и габаритные размеры насоса EXT75DX

Для управления процессом откачки в установке предусмотрены три электромагнитных вакуумных клапана (VE1, VE2, VE3 на рис. 12) и высоковакуумный затвор (VT1 на рис. 12).

Клапан (VE1) марки LCPVEK16 производства фирмы Edwards предназначен для подключения тур-бомолекулярного насоса к форвакуумной магистрали. Клапан открыт во время работы насоса.

Клапан (VE2) марки TAV5 производства фирмы Edwards устанавливается на турбомолекулярный насос. Клапан предназначен для продува насоса при его остановке. Автоматически открывается, когда обороты ротора насоса станут менее 50% от рабочего значения.

Клапан (VE3) марки VAT 26 производства фирмы VAT [10] предназначен для подключения рабочей камеры в форвакуумной магистрали. Используется во время работы установки в диапазоне выше 10"3 мм.рт.ст.

Высоковакуумный затвор (VT1) VAT 10 производства фирмы VAT предназначен для управления откачкой рабочей камеры турбомолекулярным насосом. Установлен между камерой и насосом. Позволяет отсекать насос от рабочей камеры и повышать давление в камере, не останавливая насоса.

Для регулируемой подачи газа в рабочую камеру на установке предусмотрен игольчатый натекатель (VF1 на рис.12) марки CMV производства фирмы Chell Instruments. Натекатель позволяет устанавливать необходимое давление в рабочей камере, изменяя подачу рабочего газа при непрерывной откачке камеры.

3. Выводы

Нами разработана и изготовлена сложная и дорогостоящая современная установка для испытания вакуумных первичных преобразователей и вакуумметров. Установка запущена в эксплуатацию. На ней проведена серия экспериментов. В результате разработан новый тонкоплёночный тепловой датчик вакуума. В дальнейшем планируется провести метрологическую аттестацию установки и использовать её для поверки вакуумметров и первичных преобразователей.

Список литературы

1. Государственная система обеспечения единства измерений. Вакуумметры. Методика поверки МИ 140-89 / Гос. комитет СССР по стандартам. М.,1988.

2. Государственная система обеспечения единства измерений. Государственный специальный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений абсолютного давления в диапазоне 1*10-8 - 1*103 Па. ГОСТ 8.107-81 / Гос. комитет СССР по стандартам. М., 1981.

3. http://www.mksinst.com/ Baratron Manometers.

4. http://www.edwardsvacuum.com/ Measurement & Control.

5. Датчики давления мембранно-емкостные «Ба-ратрон» серии 4х, 5х, 1хх, 2хх, 5хх, 6хх, 7хх, 8хх: прил. к свидетельству DE.C.30.001.A №24072 об утверждении типа средств измерений. 2006.

6. Вакуумметры ионизационные AIGX: прил. к свидетельству GB.C.30.001.A №39861 об утверждении типа средств измерений. 2010.

7. Лубенец В.Д., Васильев В.И., Автономова И.В., Беляев Л.А.. Механические вакуумные насосы. М.: Машиностроение, 1980. 52 с.

8. Becker W. A new molecular pump // Vakuum-Tech. 1958. Vol. 7. P. 149 - 152.

9. Цейтлин А.Б. Пароструйные вакуумные насосы. М.: Машиностроение, 1980. 51 с.

10. http://www.vatvalve.com/ Gate valves, pendulum valves.

Development of system for research and calibration of vacuum gauges

A. S. Ageev, K. V. Vyatkin, E. M. Vyatkin

Control Systems, LTD, Dokuchaeva St. 31a, 614031, Perm

In article the system for research and calibration of vacuum gauges is presented. The system includes turbomolecular vacuum pump and rotary vane vacuum pump and managed to produce pressure in range 10-7 - 760 torr.

Keywords: vacuum measurement, vacuum gauge, vacuum pump.