Способ испытания на герметичность и вакуумная система течеискателя, реализующая его
Изобретение относится к вакуумной технике. Изобретение направлено на повышение чувствительности течеискателя и повышение точности испытания на герметичность. Согласно изобретению способ испытания на герметичность, содержащий статическую калибровку течеискателя, напуск в масс-спектрометрическую камеру разреженной исследуемой смеси газов с пробным газом от объекта, выделение в масс-спектрометрической камере электрического сигнала от парциального давления пробного газа, причем при увеличении электрического сигнала от найденной течи его регистрируют и рассчитывают поток газа через течь, отличается тем, что выделяют пробный газ из потока исследуемой смеси газа в форбачке сепарированием с помощью первого высоковакуумного насоса, подают его в масс-спектрометрическую камеру, проводят статическую и динамическую калибровку течеискателя по контрольной течи пробного газа или по парциальному давлению пробного газа из газовой среды, окружающей течеискатель путем накопления смеси с пробным газом в форбачке при различных давлениях, измеряемых датчиками давления как в форбачке, так и перед вторым высоковакуумным насосом, при этом каждый раз фиксируют масс-спектрометром изменение сигнала от пробного газа при калибровках, ведут поиск мест негерметичности объекта, пропуская через второй высоковакуумный насос поток исследуемой смеси газа от объекта в форбачок и в форвакуумный насос, выделяют пробный газ из исследуемой смеси в форбачке сепарированием первым высоковакуумным насосом, подают его в масс-спектрометрическую камеру, фиксируют от него сигнал и сравнивают с сигналом от статической калибровки при соответствующих давлениях в форбачке и перед вторым высоковакуумным насосом, при увеличении сигнала от найденной течи рассчитывают поток газа через течь, если необходимо уточнить величину потока газа через течь, то увеличивают давление смеси газа в форбачке при помощи дросселирующих вентилей, фиксируют увеличение сигнала, сравнивают его со статической калибровкой при соответствующих давлениях и, если изменение сигнала признано достоверным и достаточным, то рассчитывают поток газа через течь, если изменение сигнала признано не достаточным, то вновь производят повышение давления потока газа в форбачке или накапливают смесь газов в форбачке при полностью закрытом дросселирующем вентиле на форвакуумной магистали, регулируют время накопления смеси газов в форбачке при помощи дросселирующего вентиля на высоковакуумной магистрали или проводят дополнительную динамическую калибровку течеискателя для нахождения достоверного и достаточного изменения сигнала от пробного газа и рассчитывают поток газа через течь, если необходимо дополнительное уточнение величины потока газа через течь, то изменяют откачные характеристики первого высоковакуумного насоса с повторением определения достоверной величины потока газа через течь. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к вакуумной технике и может быть использовано в конструкциях масс-спектрометрических течеискателей.
Известен способ [1], заключающийся в том, что: включают течеискатель ПТИ-6 в соответствии с его инструкцией по эксплуатации; калибруют его статически по контрольной гелиевой течи или по атмосферному воздуху, содержащему гелий; подсоединяют его к испытуемому объекту или устройству для испытания объекта; дросселирующим вентилем напускают до рабочего давления (примерно 4.10-2 Па) в масс-спектрометрическую камеру разреженную исследуемую смесь газов от объекта; выделяют в масс-спектрометрической камере электрический сигнал от парциального давления гелия; ведут на объекте поиск мест негерметичности; при увеличении электрического сигнала от найденной течи регистрируют его и рассчитывают поток газа через течь.
Вакуумная система для осуществления этого способа представляет собой высоковакуумный диффузионный насос, к которому с высоковакуумной стороны присоединена высоковакуумная магистраль для газа, содержащая азотную ловушку, к которой присоединены два клапана - один дросселирующий для присоединения к контрольной гелиевой течи, к объекту, испытуемому на герметичность, или к устройству для испытания объекта, второй для присоединения к масс-спектрометрической камере с датчиком давления; с форвакуумной стороны диффузионного насоса присоединена форвакуумная магистраль для газа с расположенными на ней датчиком давления и четырьмя клапанами для присоединения к форвакуумному насосу, масс-спектрометрической камере и к устройству для напуска атмосферного воздуха или другого газа в форвакуумную магистраль.
Для повышения чувствительности течеискателя измененяют откачные характеристики диффузионного насоса по различным газам изменением мощности его подогрева.
Вакуумная система этого течеискателя позволяет находить крупные течи, если объект или устройство для его испытания присоединены не к азотной ловушке, а к устройству для напуска газа в форвакуумную магистраль, т.к. это позволяет увеличить поток исследуемой смеси газов через течеискатель. Однако это требует большого опыта работы по течеисканию и хороших знаний всего течеискателя, чтобы не допустить обратного прорыва потока смеси газов в масс-спектрометрическую камеру через диффузионный насос, т.к. такой прорыв часто приводит в нерабочее состояние как масс-спектрометрическую камеру, так и диффузионный насос. Поэтому такой вид работы не рекомендуется и редко используется на практике.
Недостатком известного технического решения являются: высокий фон гелия в высоковакуумной магистрали течеискателя; малое процентное содержание гелия в смеси потоков газов, идущих от исследуемого объекта в масс-спектрометрическую камеру, поэтому течеискатель обладает недостаточной чувствительностью, т.к. его вакуумная система не позволяет в динамике (при накоплении) исследовать поток газа из найденной течи; байпасная откачка масс-спектрометрической камеры загрязняет ее; отсутствие на высоковакуумной магистрали штатной контрольной гелиевой течи с клапаном и защитного устройства от прорывов давления смеси газов при поиске течей, а также расположение датчика давления на масс-спектрометрической камере затрудняют работу.
Фон гелия в высоковакуумной магистрали течеискателя, изолированной от объекта, характеризуется величиной пика гелия в масс-спектрометрической камере, т.е. определяет в камере величину парциального давления гелия. Величина этого фона зависит от: парциального давления гелия в той среде, в которой находится вся вакуумная система течеискателя, например в атмосферном воздухе; величины "памяти" гелия внутренними поверхностями различных частей вакуумной системы; величин негерметичности отдельных участков вакуумной системы и мест их соединений; наличия устройств, изменяющих концентрацию гелия в различных частях вакуумной системы и т.д. Поэтому в различных частях изолированной вакуумной системы течеискателя величина фона гелия может быть различна особенно перед, за и в самом высоковакумном насосе. Внутренние объемы различных частей вакуумной системы течеискателя неизменны, следовательно, количество гелия в них будет определяться его концентрацией, т.е. парциальным давлением гелия.
Дополнительный "фон гелия" может также вызываться ионизированными осколками молекул масел, поэтому желательно использование ловушек масляных паров или безмасляных средств откачки.
При низком вакууме стандартная, гелиевая, течь должна выдавать поток гелия определенной и постоянной величины в единицу времени, т.е. при накоплении ее потока в замкнутой вакуумной системе количество гелия в различных частях вакуумной системы может увеличиваться не одинаково, но пропорционально увеличению времени истечения гелия из течи. Если знать закон распределения величины парциальных давлений гелия в различных частях вакуумной системы, то по изменению парциального давления в одной из них, при накоплении гелия, можно определить величину потока гелия, где-то натекающего в вакуумную систему. Если этот поток считать фоном другого потока и подавлять его противовключением полярности сигнала от его увеличения, то по увеличению сигнала от гелия при накоплении исследуемой смеси можно определить величину натекания этого гелия и от другого места негерметичности.
"Память" гелия различными внутренними поверхностями вакуумной системы от потоков гелия может быть также различной. Ее можно отождествить с потоками газоотделения и выделения с внутренних поверхностей вакуумной системы, т.е. аналогично избавляться и учитывать ее. Отсюда, например, сжатие гелия высоковакуумным насосом необходимо определять не величиной 
=P 2/P1, а величиной
где P2 и P1 - парциальные давления гелия за и перед высоковакуумным насосом соответственно;
- разность давлений при изменении концентрации гелия за и перед высоковакуумным насосом соответственно [2].
Известно устройство течеискателя [3], в вакуумной системе которого применен сорбционный насос в качестве второго высоковакуумного насоса с целью накопления и увеличения содержания гелия в исследуемой смеси газа. Основными недостатками этого устройства и способа его работы являются: нет течения исследуемой смеси газов вдоль масс-спектрометрической камеры; быстрое замасливание и, следовательно, быстрый выход в нерабочее состояние сорбционного насоса и масс-спектрометрической камеры.
Известны вакуумные схемы течеискателей [4], у которых в качестве высоковакуумных насосов используются другие средства откачки, например турбомолекулярные (ТМН), позволяющие получать безмасляный вакуум, т.е. работать без азотной ловушки, управляться от ЭВМ и с минимальной инерционностью изменять свои откачные характеристики по различным газам [5].
Высоковакуумные насосы - диффузионные и турбомолекулярные - имеют очень много общих свойств при откачке и сжатии газов, а поэтому их расчеты и рекомендации по работе будут практически одинаковы, если исходить из того, что для работы одного необходимо движение молекул рабочего пара, а для другого относительное вращение наклонных каналов ступеней. Несмотря на это каждый из них обладает рядом преимуществ и недостатков. Основной недостаток паромасляных диффузионных насосов - замасливание вакуумной системы (со всеми вытекающими из этого последствиями), а турбомолекулярных - их стоимость. Их общее преимущество перед другими средствами откачки в области течеискания - возможность откачки всех газов с изменением по желанию величины их сжатия и быстроты действия. Замена в вакуумной системе течеискателя высоковакуумного диффузионного насоса с азотной ловушкой, например, на ТМН без ловушки ничего нового, неизвестного не внесет, поэтому технические решения с такой заменой не рассматриваются.
Следует также отметить, что применение различных ловушек масляных паров при использовании диффузионных насосов в вакуумных системах течеискателей желательно, но не обязательно, т.к. можно работать и без них.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ [6], заключающийся в том, что включают течеискатель ТИ1-14 в соответствии с его инструкцией по эксплуатации; калибруют статически по контрольной гелиевой течи или по атмосферному воздуху, содержащему гелий; подсоединяют его к испытуемому объекту или устройству для испытания объекта; дросселирующим вентилем напускают до рабочего давления (примерно 4.10-2 Па) в масс-спектрометрическую камеру разреженную исследуемую смесь газов от объекта; выделяют в масс-спектрометрической камере электрический сигнал от парциального давления гелия; ведут на объекте поиск мест негерметичности; при увеличении электрического сигнала от найденной течи регистрируют его и рассчитывают поток газа через течь.
Наиболее близкой к предлагаемой вакуумной системе является вакуумная система этого течеискателя, содержащая: высоковакуумный диффузионный насос, к которому с высоковакуумной стороны присоединена высоковакуумная магистраль для газа, содержащая азотную ловушку, к которой присоединены датчик давления и два клапана - один дросселирующий для присоединения к контрольной гелиевой течи, к устройству блокировки, к объекту, испытуемому на герметичность, или к устройству для испытания объекта, второй для присоединения к масс-спектрометрической камере; с форвакуумной стороны диффузионного насоса присоединена форвакуумная магистраль для газа с расположенными на ней датчиком давления и двумя клапанами для присоединения к форвакуумному насосу и к устройству для напуска атмосферного воздуха или другого газа в форвакуумную магистраль.
На течеискателе ТИ1-14 работают так: включают течеискатель в соответствии с его инструкцией по эксплуатации; калибруют его статически по контрольной гелиевой течи или по атмосферному воздуху, содержащему гелий; подсоединяют его к испытуемому объекту или устройству для испытания объекта; дросселирующим вентилем напускают до рабочего давления (примерно 4.10-2 Па) в масс-спектрометрическую камеру разреженную исследуемую смесь газов от объекта; выделяют в масс-спектрометрической камере электрический сигнал от парциального давления гелия; ведут на объекте поиск мест негерметичности; при увеличении электрического сигнала от найденной течи регистрируют его и рассчитывают поток газа через течь.
Недостатками известных технических решений являются высокий фон гелия в высоковакуумной магистрали течеискателя, малое процентное содержание гелия в смеси потоков газов, идущих от исследуемого объекта в масс-спектрометрическую камеру, поэтому течеискатель обладает недостаточной чувствительностью, т.к. его вакуумная система не позволяет в динамике (при накоплении) исследовать поток газа, идущий из найденной течи.
Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности течеискателя и повышение точности испытания на герметичность, что обеспечивается за счет:
1 - повышение сепарированием процентного содержания пробного газа в потоке, идущем от исследуемого объекта в масс-спектрометрическую камеру и одновременное уменьшение процентного содержания других газов, если их молекулярный вес больше молекулярного веса пробного газа;
2 - отделение калибровкой фона пробного газа от пробного газа, идущего непосредственно из течей объекта;
3 - расширение диапазона регулирования накопления смеси газов в форбачке и откачных характеристик сепарирующего насоса;
4 - замер увеличения парциального давления пробного газа в масс-спектрометрической камере при накоплении исследуемой смеси в форбачке в течение длительного времени;
5 - отделение регистрируемого фона пробного газа в масс-спектрометрической камере от пробного газа, идущего непосредственно из течей объекта;
6 - увеличение потока исследуемого газа и чувствительности течеискателя при увеличении скорости откачки второго высоковакуумного насоса;
7 - уменьшение величины фона в высоковакуумных магистралях течеискателя, упрощение и улучшение его калибровки при расположении контрольной течи пробного газа на форвакуумном насосе;
8 - повышение давления и накопление исследуемой смеси газа в форбачке дросселирующим вентилем;
9 - возможность изменения концентрации исследуемой смеси газа в масс-спектрометрической камере изменением величины сжатия первым высоковакуумным насосом;
10 - применение в вакуумной схеме в качестве высоковауумных насосов турбомолекулярных, диффузионных насосов, а также их комбинаций.
Способ испытания на герметичность содержит статическую калибровку течеискателя, напуск в масс-спектрометрическую камеру разреженной исследуемой смеси газов с пробным газом от объекта, выделение в масс-спектрометрической камере электрического сигнала от парциального давления пробного газа, причем при увеличении электрического сигнала от найденной течи его регистрируют и рассчитывают поток газа через течь, выделяют пробный газ из потока исследуемой смеси газа в форбачке сепарированием с помощью первого высоковакуумного насоса, подают его в масс-спектрометрическую камеру, проводят статическую и динамическую калибровку течеискателя по контрольной течи пробного газа или по парциальному давлению пробного газа из газовой среды, окружающей течеискатель путем накопления смеси с пробным газом в форбачке при различных давлениях, измеряемых датчиками давления как в форбачке, так и перед вторым высоковакуумным насосом, при этом каждый раз фиксируют масс-спектрометром изменение сигнала от пробного газа при калибровках, ведут поиск мест негерметичности объекта, пропуская через второй высоковакуумный насос поток исследуемой смеси газа от объекта в форбачок и в форвакуумный насос, выделяют пробный газ из исследуемой смеси в форбачке сепарированием первым высоковакуумным насосом, подают его в масс-спектрометрическую камеру, фиксируют от него сигнал и сравнивают с сигналом от статической калибровки при соответствующих давлениях в форбачке и перед вторым высоковакуумным насосом, при увеличении сигнала от найденной течи рассчитывают поток газа через течь, если необходимо уточнить величину потока газа через течь, то увеличивают давление смеси газа в форбачке при помощи дросселирующих вентилей, фиксируют увеличение сигнала, сравнивают его со статической калибровкой при соответствующих давлениях и, если изменение сигнала признано достоверным и достаточным, то рассчитывают поток газа через течь, если изменение сигнала признано не достаточным, то вновь производят повышение давления потока газа в форбачке или накапливают смесь газов в форбачке при полностью закрытом дросселирующем вентиле на форвакуумной магистрали, регулируют время накопления смеси газов в форбачке при помощи дросселирующего вентиля на высоковакуумной магистрали или проводят дополнительную динамическую калибровку течеискателя для нахождения достоверного и достаточного изменения сигнала от пробного газа и рассчитывают поток газа через течь, если необходимо дополнительное уточнение величины потока газа через течь, то изменяют откачные характеристики первого высоковакуумного насоса с повторением определения достоверной величины потока газа через течь. Вакуумная система течеискателя содержит два высоковакуумных насоса, к первому высоковакуумному насосу с высоковакуумной стороны присоединена первая высоковакуумная магистраль, соединяющая первый высоковакуумный насос с масс-спектрометрической камерой и включающая датчик давления и клапан, ко второму высоковакуумному насосу с высоковакуумной стороны присоединена магистраль, включающая датчик давления, дросселирующий вентиль и устройство блокировки для присоединения к испытуемому объекту или к устройству для испытания объекта, первый и второй высоковакуумные насосы с форвакуумной стороны присоединены к форбачку, к которому также присоединены контрольная течь пробного газа с клапаном, датчик форвакуумного давления, а также форвакуумная магистраль с дросселирующим вентилем, форвакуумным насосом и устройством напуска атмосферного воздуха или другого газа в форвакуумную магистраль.
На чертеже изображено описываемое устройство вакуумной системы течеискателя. Вакуумная система течеискателя, содержащая два высоковакуумных насоса 11 и 4, к первому высоковакуумному насосу 11 с высоковакуумной стороны присоединена первая высоковакуумная магистраль, соединяющая первый высоковакуумный насос 11 с масс-спектрометрической камерой 14 и включающая датчик давления 12 и клапан 13, ко второму высоковакуумному насосу 4 с высоковакуумной стороны присоединена магистраль, включающая датчик давления 3, дросселирующий вентиль 2 и устройство блокировки 1 для присоединения к испытуемому объекту или к устройству для испытания объекта, первый и второй высоковакуумные насосы с форвакуумной стороны присоединены к форбачку 9, к которому также присоединены контрольная течь пробного газа 10 с клапаном, датчик форвакуумного давления 8, а также форвакуумная магистраль с дросселирующим вентилем 7, форвакуумным насосом 6 и устройством 5 напуска атмосферного воздуха или другого газа в форвакуумную магистраль.
При осуществлении способа испытания на герметичность калибруют течеискатель по контрольной течи с пробным газом 10 или по парциальному давлению пробного газа в газовой среде, окружающей течеискатель, накапливая смесь газов с пробным газом в форбачке 9 при различных давлениях смеси, измеряемых датчиками давления 8 и 3 как в форбачке, так и перед вторым высоковакуумным насосом 4 соответственно, каждый раз фиксируя масс-спектрометром 14 изменение сигнала от пробного газа, подсоединяют течеискатель к испытуемому объекту или устройству для испытания объекта на герметичность, открывают устройство блокировки 1 и дросселирующий вентиль 2 на второй высоковакуумной магистрали для поиска мест негерметичности объекта, устанавливают второму высоковакуумному насосу 4 максимальное рабочее давление по высоковакуумному датчику 3 для поиска больших течей, выделяют пробный газ из исследуемой смеси в форбачке сепарированием первым высоковакуумным насосом, подают его в масс-спектрометрическую камеру, фиксируют от него сигнал, ведут на объекте поиск мест негерметичности, регистрируют увеличение электрического сигнала от найденной течи, сравнивают с сигналом калибровки, при соответствующих давлениях в форбачке и перед вторым высоковакуумным насосом, если необходимо, рассчитывают поток газа через течь, уточняют величину потока газа через течь, увеличением давления смеси газа в форбачке, при помощи дросселирующего вентиля 7, если изменение сигнала признано не достаточным; фиксируют увеличение сигнала. Если изменение сигнала признано достоверным и достаточным, то при необходимости рассчитывают поток газа через течь; увеличивают вновь давление газа в форбачке или накапливают смесь газов в форбачке при полностью закрытом дросселирующем вентиле 7, если изменение сигнала признано не достаточным, достигают максимальной чувствительности течеискателя при длительном накоплении смеси газа в форбачке, при полностью закрытом дросселирующем вентиле 7, регулируя время накопления смеси газов в форбачке при помощи дросселирующего вентиля 2, рассчитывают увеличение парциального давления в форбачке за время накопления и определяют величину найденной течи; изменяют сжатие пробного газа первым высоковакуумным насосом 11 по формуле =Р 2/P 1, изменяя обороты ротора турбомолекулярного насоса или мощность подогрева диффузионного насоса, если необходимо дополнительное уточнение величины потока пробного газа через течь, где
P2 и P1 - парциальные давления пробного газа за и перед высоковакуумным насосом соответственно;
- разность давлений при изменении концентрации пробного газа за и перед высоковакуумным насосом соответственно.
В вакуумной системе течеискателя в качестве высоковауумных насосов могут быть примены турбомолекулярные, диффузионные насосы, а также их комбинации.
Источники информации
1. Ланис В.А. и Левина Л.Е. Техника вакуумных испытаний. Госэнергоиздат, 1963 г., с.199-211).
2. Леонов Л.Б. Расчет проточной части турбомолекулярного вакуумного насоса. Деп. - М.: ЦНИИ "Электроника", ДЭ-2197, 1976.
3. Авторское свидетельство СССР №1504527, кл. G 01 М 3/02, 1989.
4. Каталог фирмы "CIT ALCATEL. Технология высокого вакуума. Гелиевые течеискатели".
5. Леонов Л.Б. Зависимость вакуумных характеристик турбомолекулярных насосов от условий работы. - Электронная техника. Сер. 4. Электровакуумные и газоразрядные приборы. 1986. Вып.3.
6. Паспорт и инструкция по эксплуатации гелиевого течеискателя ТИ1-14. Л., 1990, с.104.
Формула изобретения
1. Способ испытания на герметичность, содержащий статическую калибровку течеискателя, напуск в масс-спектрометрическую камеру разреженной исследуемой смеси газов с пробным газом от объекта, выделение в масс-спектрометрической камере электрического сигнала от парциального давления пробного газа, причем при увеличении электрического сигнала от найденной течи его регистрируют и рассчитывают поток газа через течь, отличающийся тем, что выделяют пробный газ из потока исследуемой смеси газа в форбачке сепарированием с помощью первого высоковакуумного насоса, подают его в масс-спектрометрическую камеру, проводят статическую и динамическую калибровку течеискателя по контрольной течи пробного газа или по парциальному давлению пробного газа из газовой среды, окружающей течеискатель, путем накопления смеси с пробным газом в форбачке при различных давлениях, измеряемых датчиками давления как в форбачке, так и перед вторым высоковакуумным насосом, при этом каждый раз фиксируют масс-спектрометром изменение сигнала от пробного газа при калибровках, ведут поиск мест негерметичности объекта, пропуская через второй высоковакуумный насос поток исследуемой смеси газа от объекта в форбачек и в форвакуумный насос, выделяют пробный газ из исследуемой смеси в форбачке сепарированием первым высоковакуумным насосом, подают его в масс-спектрометрическую камеру, фиксируют от него сигнал и сравнивают с сигналом от статической калибровки при соответствующих давлениях в форбачке и перед вторым высоковакуумным насосом, при увеличении сигнала от найденной течи рассчитывают поток газа через течь, если необходимо уточнить величину потока газа через течь, то увеличивают давление смеси газа в форбачке при помощи дросселирующих вентилей, фиксируют увеличение сигнала, сравнивают его со статической калибровкой при соответствующих давлениях и если изменение сигнала признано достоверным и достаточным, то рассчитывают поток газа через течь, если изменение сигнала признано недостаточным, то вновь производят повышение давления потока газа в форбачке или накапливают смесь газов в форбачке при полностью закрытом дросселирующем вентиле на форвакуумной магистали, регулируют время накопления смеси газов в форбачке при помощи дросселирующего вентиля на высоковакуумной магистрали или проводят дополнительную динамическую калибровку течеискателя для нахождения достоверного и достаточного изменения сигнала от пробного газа и рассчитывают поток газа через течь, если необходимо дополнительное уточнение величины потока газа через течь, то изменяют откачные характеристики первого высоковакуумного насоса с повторением определения достоверной величины потока газа через течь.
2. Вакуумная система течеискателя, содержащая два высоковакуумных насоса, к первому высоковакуумному насосу с высоковакуумной стороны присоединена первая высоковакуумная магистраль, соединяющая первый высоковакуумный насос с масс-спектрометрической камерой и включающая датчик давления и клапан, ко второму высоковакуумному насосу с высоковакуумной стороны присоединена магистраль, включающая датчик давления, дросселирующий вентиль и устройство блокировки для присоединения к испытуемому объекту или к устройству для испытания объекта, первый и второй высоковакуумные насосы с форвакуумной стороны присоединены к форбачку, к которому также присоединены контрольная течь пробного газа с клапаном, датчик форвакуумного давления, а также форвакуумная магистраль с дросселирующим вентилем, форвакуумным насосом и устройством напуска атмосферного воздуха или другого газа в форвакуумную магистраль.
РИСУНКИ
