Испытание вакуумной системы среднего вакуума на наличие течи, выбор насосов, манометров и средств течеискания

• 1. Выбор вакуумных насосов по расчетам их быстроты откачки
• 1.1 Выбор высоковакуумного насоса
• 1.2 Выбор механического насоса
• 2. Выбор манометров и их расстановка на вакуумной арматуре и вакуумной камере
• 3. Расчет натеканий в вакуумной системе в различных режимах течения газов
• 4. Выбор методов течеискания и течеискателя
• 5. Описание принципа работы течеискателя и технологии течеискания
• Список литературы
• ВВЕДЕНИЕ
• Вакуумные технологии и оборудование применяется в машиностроении, электронике, металлургии, а также в химической, оптической, легкой, пищевой промышленности и медицине.
• В настоящее время вакуумную технику широко используют для обеспечения технологических процессов или обеспечения работы установок различного назначения, а также в установках для имитации космических условий, ускорителях элементарных частиц. Новые типы полупроводниковых структур, особо чистые материалы, сплавы, специальные покрытия изготавливаются в вакууме. Вакуум является идеально чистой технологической средой, в которой можно осуществить электрохимические и электрофизические процессы при изготовлении изделий микроэлектроники.
• Одним из важнейших условий получения и сохранения заданной среды в рабочих объемах различных вакуумных систем является герметичность их конструкций. В вакуумной технике герметизация осуществляется ради получения и сохранения необходимого вакуума. Контроль герметичности относится к числу испытаний необходимых для нормального функционирования вакуумных систем.
• Под герметичностью понимают непроницаемость конструкций для газов и жидкостей. Абсолютная герметичность недостижима, поэтому герметичными считают конструкции, газовый или жидкостный обмен через которые достаточно мал для того, чтоб мешать нормальному процессу их работы.

Требования к степени герметичности устанавливаются исходя из назначения конструкций и условий работы вакуумной системы. Нарушение герметичности конструкций определяется наличием течи или проницаемостью отдельных элементов. Природа проницаемости отдельных элементов и конструкций может быть различна.

• Проникновение газов и жидкостей через течи происходит гораздо быстрее, чем через сплошной материал. Поэтому обнаружение обоих видов нарушения герметичности одновременно исключено. При контроле герметичности решается только одна задача: обнаружение течи. Поскольку формы и размеры каналов течи разнообразны, их принято характеризовать количеством протекающих через них газообразных или жидких веществ в единицу времени. При заданной температуре расход (поток) газа через течь измеряется в м3*Па/с или в Вт.
• Задачей курсовой работы является теоретическая разработка вакуумной системы с выбором конкретного оборудования (насосов, манометров, течеискателя) и выбор метода проверки данной системы на наличие течей.
• 1. Выбор вакуумных насосов по расчетам их быстроты откачки

1.1 Выбор высоковакуумного насоса Выберем для проектировочного расчета вакуумную систему, обеспечивающую возможность получения высокого вакуума.

Исходные данные:

1. Суммарное газовыделение и натекания Q=4*10 — 5 м³ Па/с;

2. Рабочее давление Р1= 6*10 — 3 Па.

В соответствии с условием для высоковакуумной откачки выбираем турбомолекулярные насосы серии ТМН с предельным давлением рпр =10−7 Па и диапазоном быстроты действия от 0,1 до 18 м3/с.

Эффективную быстроту откачки в откачиваемом объекте определяем по формуле [1]

Sэф1 = Q/Р1=4*10 -5/6*10 -3 =0,66*10 -2 м3/с.

Для нахождения номинальной быстроты действия воспользуемся формулой:

Sm1 = = 4*10 -5/(0,5*6*10 -3 — 0,0001*10- 3) = 1,33*10 -2 м3/с, где Рпр1 =10 -7 Па — предельное давление насоса, Р1=6*10 — 3 Па — рабочее давление в камере, Кu1 =0,5 — коэффициент использования насоса.

Ближайший по быстроте действия турбомолекулярный насос ТМН-100 имеет следующие характеристики:

Таблица1. Характеристики Турбомолекулярного насоса ТМН-100

Турбо молекулярные насосы (ТМН), благодаря их способности откачивать любые газы, являются эффективным средством получения высокого и сверхвысокого вакуума в разнообразных установках различных отраслей науки и техники. Широта применяемости ТМН определяется их эксплуатационными особенностями, а именно:

· простотой конструкции

· высокой надежностью

· отсутствием необходимости регенерации

· возможностью безмасляной откачки объектов

· дешевизной эксплуатации.

Молекулярные насосы с одинаковым направлением движения газа и стенки канала имеют много конструктивных разновидностей, часть из которых показана на рис. 1

Насос (рис. 1, а) имеет в статоре 3 набор цилиндрических канавок, входные и выходные отверстия в которых разделены перегородкой. Ротор 2 вращается с большой частотой так, что его линейная скорость близка к тепловой скорости молекул. Спиральный паз на поверхности статора 2 и цилиндрическая поверхность ротора 3 образуют рабочий канал (схема на рис. 1, б). Спиральные канавки на торцевых поверхностях статора 1, отстоящие на минимальном расстоянии от вращающегося диска 2, используются для молекулярной откачки в схеме рис. 1, в.

Через зазор между статором и ротором происходит возврат газа из камеры сжатия в камеру всасывания, что ухудшает реальные характеристики насосов. Нормальная работа таких насосов возможна при зазоре между ротором и статором, не превышающем 0,1 мм.

Такие насосы применяются в качестве ступеней высокого давления при совместной работе с насосами, имеющими взаимно перпендикулярное перемещение газа и рабочих поверхностей, а также при откачке газов с большой молекулярной массой.

Проникновение паров масел, применяемых для смазки подшипниковых узлов, в откачиваемый объект во время работы насоса очень мало, но сильно возрастает при остановке насоса.

Молекулярные насосы взаимно перпендикулярным движением рабочих поверхностей и потока откачиваемого газа получили широкое распространение. Конструкции турбомолекулярного насоса, использующие этот принцип, классифицируются по расположению вала ротора: горизонтальные или вертикальные; по устройству и форме рабочих органов: циндровые, конусные, дисковые с радиальным потоком, дисковые с осевым потоком, барабанные. Большое влияние на характеристики насоса оказывает конструкция опорных узлов: на смазываемых подшипниках качения, на магнитных опора или газовой подушке.

Схемы насосов с горизонтальным и вертикальным расположением вала ротора показаны на рис.2

Рис 2 Схемы турбомолекулярнык насосов: а) с горизонтальным валом, б) с вертикальным валом В корпусе 2 установлены неподвижные статорные колеса 4, между которыми вращаются колеса 3, закрепленные на роторе 1. Роторные колеса выполняются в виде дисков с прорезями. В статорных колесах имеются зеркально расположенные прорези такой же формы. Для удобства монтажа статорные колеса разрезаются по диаметру.

При горизонтальном положении ротора движение газа в насосе после входа во всасывающий патрубок разветвляется на два потока, которые соединяются в выхлопном патрубке.

Недостатком насоса является наличие высокоскоростного ротора со смазываемыми быстро изнашивающимися подшипниками или сложными системами подвеса.

В таблице 3 приведены графические изображения некоторых насосов Таблица 2

1.2 Выбор механического насоса Выбираем механический насос для области среднего вакуума. Рабочее давление насоса выбираем по наибольшему выпускному давлению турбомолекулярного насоса ТМН-100 с коэффициентом запаса ц=2.:

Р2= Рпр.р.1/ ц = 1 /2= 0,5 Па

Выбираем пластинчато-роторные насосы с предельным давлением рпр =5*10−1…1*10 -2 Па и диапазоном быстроты действия от 0,001 до 0,0050 м3/с.

Рабочее давление Р2 может обеспечить пластинчато-роторный насос 2НВР-5ДМ имеет следующие характеристики:

Таблица3. Характеристики Пластинчатороторного насоса 2НВР-5ДМ

Определяем эффективную быстроту откачки в откачиваемом объекте вакуумный насос система манометр

Sэф1 = Q/Р2 =4*10 -5 /0,5 = 2*10 -5 м3/с.

Номинальная быстрота действия равна:

Sm2 = = 4*10 -5/(0,5* 0,5 -1*10 — 2) = 1,6*10 -4 м3/с, где Рпр2 =1*10 -2 Па — предельное давление насоса, Р2 = 0,5 Па — рабочее давление в камере, Кu1 =0,5 — коэффициент использования насоса.

Пластинчатороторные вакуумные насосы (ПРВН) выпускают с числом пластин четыре и более. ПРВН предназначены для откачки воздуха и неагрессивных газов, предварительно очищенных от механических загрязнений и капельной жидкости.

ПРВН с масляным уплотнением выполняют обычно с двумя пластинами в роторе, а пластинчато-статорные — с одной пластиной в корпусе. Эти насосы предназначены для откачки воздуха, газов, не вступающих в реакции с маслами и материалом деталей насосов, и парогазовых смесей, предварительно очищенных от капельной влаги и механических примесей, а также для поддержания низкого и среднего вакуума в герметичных объемах.

Рис. 3 Схемы ПРВН с радиальными (а) и наклонными (б) пластинами

Рис. 4 Схема пластинчато-роторного вакуумного насоса В цилиндрической расточке корпуса 1 ПРВН (рис. 3, а) эксцентрично расположен цилиндрический ротор 2. В роторе выполнены пазы, в которые вставлены пластины 3 из металла, асботекстолита или пластмассы. При вращении ротора пластины под действием центробежной силы выходят из пазов н прижимаются к цилиндрической поверхности расточки корпуса. При этом серпообразное пространство между ротором и цилиндрической расточкой корпуса делится на отдельные рабочие ячейки. При угле поворота ротора ф = 180°… 0 объемы рабочих ячеек увеличиваются, они соединяются со всасывающим окном и заполняются откачиваемым газом. Когда объем рабочей ячейки достигает максимального значения, она отходит от всасывающего окна. При дальнейшем вращении ротора объемы рабочих ячеек уменьшаются и в них происходит процесс вкутреннего сжатия.

При соединении рабочих ячеек с нагнетательным окном начинается процесс нагнетания, в течение которого газ подается в нагнетательный трубопровод. В вакуумных насосах выполняют перепускной какал, через который газ из «мертвого» объемапоступает в первую ячейку сжатая. Перепуск газа увеличивает коэффициент откачки, а следовательно, и быстроту действия вакуумного насоса. Пластины ПРВН выполняют радиальными (рис. 3, а) и наклонными (рис. 3, б).

В таблице 4 приведены графические изображения некоторых пластинчато-роторных насосов

2. Выбор манометров и их расстановка на вакуумной арматуре и вакуумной камере Исходя из того, что диапазон рабочих давлений для турбомолекулярного насоса: 5*10 — 7 …1*10 — 2 Па, следует применить преобразователь из серии магнитных с диапазоном измеряемых давлений 1* …Па.

Простейший магнитный электроразрядный преобразователь давления представляет собой помещенную в магнитное поле двухэлектродную систему (катод и анод). В системе возникает самостоятельный разряд при высоком напряжении между ее электродами.

Принципиальные схемы преобразователей приведены на рис. 5,6

Рис. 5 Электродные системы магнитных преобразователей а) ячейка Пеннинга; б) магнетронная; в) инверсно-магнетронная.

Рис. 6Схема магнетронного преобразователя с уменьшенными фоновыми токами Выбираем вакуумметр ВМБ-8

Вакуумметр (рис.7) магнитный блокировочный ВМБ-8 предназначен для измерения давлений в диапазоне 1*10−8- 1*10−1 Па и использования в качестве датчика автоматики в автоматизированных вакуумных системах.

Возможность автоматизации обеспечивается наличием в вакуумметре двух каналов блокировки и аналогового выхода.

Вакуумметр состоит из магнитного электроразрядного манометрического преобразователя ПММ-32 1, измерительного блока БИВ-1, соединителя и соединителя термостойкого.

Вакуумметр рассчитан на эксплуатацию в следующих условиях:

температура окружающей среды +10о…+35оС;

относительная влажность воздуха до 80%

при температуре +20 С;

атмосферное давление 750±30мм рт. ст.

Вакуумметр позволяет измерять давление во время прогрева манометрического преобразователя до +200оС.

Характеристики ВМБ-8

Диапазон рабочих давлений, Па — 1*10−8- 1*10−1 Па Погрешность измерения — -55- +130%

Габариты (длина*высота*ширина), мм — 240*158*335 мм Масса, кг — 35 кг Потребляемая мощность, Вт — 75 Вт Тип преобразователя — ПММ-321

Рисунок 7 Общий вид вакуумметра ВМБ-8

Для механического насоса диапазон рабочих давлений 5*10 — 1 …1*10 5 Па следует применить преобразователь серии деформационных мембранных преобразователей, диапазон давлений которых составляет 10 5 …1*10 — 1 Па.

Используются в сложных эксплуатационных и технологических условиях, в пищевой, пивоваренной и фармацевтической промышленности, в энергетической технике, химической и нефтехимической индустрии, в очистительных и фильтрующих установках, в деревообрабатывающей, целлюлозо-бумажной, сахарной, цементной и других отраслях перерабатывающей промышленности.

В деформационных вакуумметрах давление определяют по деформации упругого элемента под действием разности давлений. Их показания зависят от рода газа. Такие вакуумметры различают по типу чувствительного элемента и способу измерения деформации. По типу чувствительного элементы вакуумметры подразделяют на трубчатые, сильфонные и мембранные. Деформацию чувствительного элемента определяют механическими, оптическими или электрическими способами.

Рис. 8Деформационные мембранные преобразователи Выбираем манометр ДММ (100) (рис. 9)

Диапазоны измерений:

Нижние пределы измерений: минус 0,1 или 0,06…0 МПа (минус 1 или 0,60 бар) или другие эквивалентные единицы давления.

Верхние пределы измерений: 0,06 или 4,0 МПа (0,6 или 40 бар) или другие эквивалентные единицы давления.

Рекомендуемые диапазоны измерений давления:

Измеряемое давление до 75% от конечного значения шкалы.

Перегрузка по давлению:

Кратковременно до 30% конечного значения шкалы.

Допустимые температуры:

Окружающая среда: минус 40…+65 °С.

Измеряемая среда: максимум +120 °С.

Влияние температуры:

Предел дополнительной погрешности, вызванной изменением температуры окружающего воздуха от +20 °С +/-2 °С в диапазоне рабочих температур в соответствии с ГОСТ 2405.

Рисунок 8 Манометр типа ДММ

3. Расчет натеканий в вакуумной системе По условию течь образовалась в области трещины, размеры которой:

r=6,3 мм, L=7,5 мм Рассчитаем поток через течь при молекулярном режиме:

QМ =

где P2 — давление на входе,

P1 — давление на выходе,

r — радиус канала течи,

T — температура, М — молекулярная масса газа,

R= 8,31 Дж/моль*К При вязкостном режиме:

Qвз =)

где r — радиус канала течи,

L — длина канала течи, з — динамическая вязкость газа (для воздуха з=1,7· Н· с/м2).

Qвз== 0,0024* м3Па/с.

4. Выбор методов течеискания и течеискателя Масс-спектрометрический метод течеискания находит широкое применение всюду, где эксплуатируется вакуумная аппаратура. Применение его, однако, не ограничивается испытанием вакуумного оборудования.

Он оказывается полезным при проверке герметичности отпаянных объёмов вакуумных и невакуумных холодильников и резервуаров, предназначенных для хранения газов под большим давлением, а также для обнаружения течей в подземных трубопроводах. В зависимости от условий проведения испытаний и конструктивных особенностей испытуемой аппаратуры приходится пользоваться различными приёмами течеискания; так, существует приём обдувания наружной поверхности откачанного объёма, подсоединённого к течеискателю; метод гелиевой камеры, позволяющий быстро определять общее натекание в объём; метод щупа, связанный с напуском гелия в испытуемую аппаратуру и ощупыванием её наружной поверхности; метод выдержки деталей в атмосфере гелия с последующим помещением их в вакуумную камеру, соединённую с течеискателем; специальная методика испытания большого количества мелких деталей в массовом производстве и др. .

Чувствительность масс-спектрометрического метода зависит от чувствительности масс-спектрометра, от выбранного метода испытаний, от общего натекания и газоотделения аппаратуры, от качества пробного газа и других факторов. Но принципиальным ограничением чувствительности метода является не чувствительность масс-спектрометра, которая может быть сделана очень большой, а содержание гелия в атмосфере.

Для уверенного обнаружения течи необходимо, чтобы проникновение гелия через течь приводило к отсчёту выходного прибора течеискателя, по крайней мере в два раза превышающему отсчёт, вызываемый атмосферным гелием. Это значит, что течеискатель способен обнаружить течь, пропускающую такое количество гелия, которое составит 1/200-ую общего потока в вакуумной системе.

Произведем выбор течеискателя для данного случая. Исходя из того, что поток через течь равен Q=0,0024*м3Па/с, следовательно выбираем масс-спектрометрический течеискатель ПТИ-10 (наименьший регистрируемый поток 7*10−13 м3Па/с).

5. Принцип действия течеискателя Течеискатель представляет собой высокочувствительный магнитный массспектрометр, настроенный на регистрацию гелия, с автономной системой откачки. Для проведения испытаний на герметичность вакуумным методом предварительно откачанный испытуемый объем соединяется с масс-спектрометрической камерой течеискателя и обдувается гелием (или помещается в чехол, заполненный гелием). Течь индицируется по увеличению сигнала масс-спектрометра, вызываемому повышением парциального давления гелия в масс-спектрометрической камере. Основным элементом течеискателя является массспектрометрическая камера, содержащая ионный источник и приемник ионов.

Камера помещается между полюсами постоянного магнита. Накаленный вольфрамовый катод ионного источника эмиттирует электроны, которые ускоряются в электрическом поле между катодом и коробкой ионизатора. Магнитное поле, действующее вдоль направления движения электронов, фокусирует электроны в узкий пучок, поступающий в коробку ионизатора через отверстие, расположенное под катодом (см. рис.

Рис. 9

В камере ионизатора электроны сталкиваются с молекулами газа, поступающего в течеискатель из проверяемого объема, и вызывают их ионизацию. Образовавшиеся ионы вытягиваются из камеры ионизации ускоряющим электрическим полем, действующим направлении, перпендикулярном электронному пучку. Поток ионов через выходнуюдиафрагму источника поступает в анализатор.

В анализаторе (анализатором здесь называется область масс-спектрометрической камеры, в которой ионы движутся от источника к коллектору ионов) происходит пространственное разделение ионов по массам под действием постоянного магнитного поля, направленного перпендикулярно направлению движения ионов и заставляющего их двигаться по круговым траекториям. В магнитном поле происходит разделение ионного пучка на ряд отдельных лучей.

Анализатор масс-спектрометрической камеры течеискателя 180-ти градусного типа. Траектории ионов в нем от ионного источника к приемнику ионов имеют вид полуокружностей. Анализатор такого типа обладает фокусирующим действием; ионы определенной массы, выходящие из источника расходящимся пучком, вновь собираются в узкий сходящийся пучок в плоскости входной диафрагмы коллектора.

Чтобы на коллектор попадали только ионы гелия, обладающие полным запасом энергии, и отсеивались и задерживались рассеянные ионы, потерявшие часть своей энергии в результате соударения со стенками камеры или с нейтральными молекулами газа, и случайно попавшие на рабочую траекторию, перед коллектором помещают т.н. супрессорную систему. Величина напряжения, подаваемого на супрессор, может меняться в пределах от 40 до 100 В. Коллектор ионов соединен со входом электрометрического каскада усилителя постоянного тока. Для обеспечения высокой чувствительности регистрации предусмотрена электронная компенсация тоновых сигналов, дающая возможность регистрировать сигналы, вызываемые течами, на чувствительных шкалах выходного прибора блока измерения ионного тока. Выбор рабочей шкалы осуществляется в соответствии с уровнем флуктуаций фонового сигнала течеискателя и необходимой чувствительностью регистрируются выходным прибором БИИТ, звуковым и световым индикаторами. Рабочее давление в масс-спектрометрической камере обеспечивается откачной системой. Контроль давления в линии предварительного разрежения и в высоковакуумной объеме течеискателя осуществляется с помощью манометрического преобразователя ПМТ-4М и магнитного электроразрядного преобразователя. Управление вакуумной системой течеискателя при его включении и работе производится с помощью клапанов.

1. Л. Н. Розанов «Вакуумная техника», изд. 2, Москва 1990 г., 320 с.

2. Левин Л. Е., Пименов В. В. «Методы и аппаратура контроля герметичности вакуумного оборудования и изделий приспособления» Москва 1985 г, 72с

3. Ланис В. Л., Левин Л. Е. «Технология вакуумных испытаний», Москва 1963 г, 264с.

4. Ерюхин А. В. «Основы вакуумных измерений», Москва 1977 г, 40с.

5. Гуляев М. А., Ерюхин А. В. «Измерение вакуума», Москва 1967 г, 148с.

6. Востров Г. А., Розанов Л. М. «Вакууметры», Москва 1967 г, 236с.