Введение
Изобретение “универсальный вакуумный стенд” относится к области вакуумной техники. Целью изобретения является обеспечение определения величины и состава газовыделения в вакуумной камере.
Рис. 1. Пример вакуумного стенда
Вакуумный стенд состоит из рабочей вакуумной камеры, соединенной с системой откачки, датчиками давления и масс-анализатором. Рассмотрим составляющие стенда и виды этих составляющих подробнее.
Основная часть
Вакуумные насосы:
Вакуумные насосы классифицируются по диапазону рабочих давлений:
− первичные (форвакуумные) насосы
− дожимные насосы
− вторичные насосы
В различных диапазонах давлений применяются определенные типы вакуумных насосов, которые отличаются друг от друга по конструкции. Каждый тип имеет свое преимущество по одному из пунктов: возможный диапазон давления, производительность, цена и периодичность и простота технического обслуживания.
Основной принцип работы один и тот же, вне зависимости от конструкции вакуумных насосов. Вакуумный насос удаляет молекулы воздуха и других газов из вакуумной камеры. При дальнейшем снижении давления в камере, сложность последующего удаления дополнительных молекул экспоненциально возрастает. По этой причине промышленные вакуумные системы охватывают большой диапазон давлений от 1 до 11 Торр.
Выделяют следующие диапазоны давления [1]:
− Низкий вакуум: > от атмосферного давления до 1 торр
− Средний вакуум: от 1 торр до 10–3 торр
− Высокий вакуум: 10–3 торр до 10–7 торр
− Сверхглубокий вакуум: от 10–7 торр до 10–11 торр
− Экстремальный высокий вакуум: < 10–11 торр
Соответствие вакуумных насосов диапазонам давления:
− Первичные (форвакуумные) насосы — низкий вакуум.
− Дожимные (бустерные) насосы — низкий вакуум.
− Вторичные (высоковакуумные) насосы: Высокий, сверхглубокий и экстремально высокий вакуум.
Рис. 2. Система откачки воздуха из вакуумной камеры
Выделяют две основные технологии работы с газом в вакуумных насосах:
− Перекачка газа
− Улавливание газа
Насосы, которые работают по технологии перекачки газа, подразделяются на кинетические насосы и насосы объемного вытеснения.
Рис. 3. Классификация насосов по принципу работы с газом
Кинетические насосы работают по принципу передачи импульса молекулам газа от высокоскоростных лопастей для обеспечения постоянного перемещения газа от входного патрубка насоса к выходному. Кинетические насосы обычно не имеют герметичных вакуумных камер, но могут достигать высоких коэффициентов сжатия при низких давлениях.
Насосы объемного вытеснения работают за счет механического улавливания объема газа и перемещения его через насос. В герметичной камере газ ужимается до меньшего объема при более высоком давлении. После этого, сжатый газ вытесняется в атмосферу (или в следующий насос).
Обычно кинетические и объемные насосы работают последовательно, обеспечить более высокий вакуум и расход.
Насосы, которые работают по технологии улавливания газа, захватывают молекулы газа на поверхности в вакуумной системе. Эти насосы работают при меньших расходах, чем перекачивающие насосы, но при этом создают сверхвысокий и безмасляный вакуум. Улавливающие насосы не имеют движущихся частей и работают с использованием криогенной конденсации, ионной реакции или химической реакции. [4]
Вакууметры:
Вакуумметр — это специальный прибор, способный измерять давление. Он представляет собой манометр с некоторыми техническими особенностями. Устройство служит для измерения давление жидкости или газа.
Вакуумметры показывают общее или полное давление. Второй параметр представляет собой сумму нескольких парциальных давлений. Для измерения последнего показателя применяются спектрометрические методики.
От особенностей конструкции и методики измерения — все вакуумметры делятся на несколько групп, в каждой из них будет насчитываться по несколько уникальных модификаций. [6]
Механические вакууметры:
Открывают данную группу жидкостные манометры. Они способны измерять разность давлений поверхности жидкости. Основной элемент конструкции — трубка в форме буквы U. На данный момент такие вакуумметры практически не используются.
Рис. 4. Механический вакууметр
Тепловые вакууметры:
Вакууметры этой группы наиболее распространены. Они способны измерять низкий и средний вакуум. Устройства обладают хорошей точностью и небольшой стоимостью.
Показываемое данными манометрами давление во многом зависит от типа газовой субстанции. На рынке возможно отыскать три основных вида данного манометра:
− Термопарный вакуумметр. Считается самым дешёвым в своей группе, однако способен довольно точно измерять низкое и среднее давление.
− Вакуумметр Пирани — это датчик, фиксирующий сопротивление. Он анализирует зависимость температуры нити и давления газа. В конструкции используется мостовая схема, работающая за счёт электрических импульсов.
− Конвекционный вакуумметр. Данный манометр осуществляет свою работу за счёт конвекции. Тепло переносится благодаря перемешиванию газа. Отмечается высокая точность прибора. [6]
Рис. 5. Тепловой вакууметр
Пьезорезистивные вакууметры:
Эти манометры можно назвать наиболее точными. Они способны измерять вакуум в диапазоне от 1 атмосферы до 1 миллиметра ртутного столба. Наиболее продвинутые модели способны определить давление даже 0,1 торр. [6]
Рис. 6. Пьезорезистивный вакууметр
Газоанализаторы:
Газоанализаторы — приборы, измеряющие содержание (концентрацию) одного или нескольких компонентов в газовых смесях. Каждый газоанализатор предназначен для измерения концентрации только определенных компонентов на фоне конкретной газовой смеси в нормированных условиях. Наряду с использованием отдельных газоанализаторов создаются системы газового контроля, объединяющие десятки таких приборов. [5]
Термокондуктометрические газоанализаторы.
Их действие основано на зависимости теплопроводности газовой смеси от ее состава. Данные газоанализаторы используются, если контролируемый компонент по теплопроводности существенно отличается от остальных. [5]
Термохимические газоанализаторы.
В этих приборах измеряют тепловой эффект химической реакции, в которой участвует определяемый компонент. В большинстве случаев используется окисление компонента кислородом воздуха; катализатор — мелкодисперсная Pt, которая нанесена на поверхность пористого носителя. Изменение температуры Δt при окислении измеряют с помощью металлического или полупроводникового терморезистора. По возможности поверхность платинового терморезистора используют как катализатор. Величина Δt связана с числом молей М окислившегося компонента и тепловым эффектом q соотношением: Δt = kMq, где k — коэффициент, учитывающий потери тепла, зависящие от конструкции прибора. [5]
Магнитные газоанализаторы.
Данный тип применяют для определения О2. Действие анализатора основано на зависимости магнитной восприимчивости газа от концентрации О2 (его объемная магнитная восприимчивость на несколько порядков больше, чем у большинства остальных газов). Такие газоанализаторы позволяют избирательно находить О2 в сложных газовых смесях. Диапазон измеряемых концентраций 10–2 -100 %. Более всего распространены магнитомеханические и термомагнитные газоанализаторы.
В магнитомеханических газоанализаторах измеряют силы, которые действуют на помещенное в анализируемую смесь тело (обычно ротор) в неоднородном магнитном поле.
Роторные газоанализаторы ненадежны в промышленных условиях, наблюдается сложность в юстировке. [5]
Пневматические газоанализаторы. Действие анализаторов основано на зависимости плотности и вязкости газовой смеси от ее состава. Изменения плотности и вязкости определяют, измеряя гидромеханические параметры потока.
Газоанализаторы с дроссельными преобразователями измеряют гидравлическое сопротивление дросселя (капилляра) при пропускании через него анализируемого газа.
Струйные газоанализаторы определяют динамический напор струи газа, выходящий из сопла. Их используют, например, в азотной промышленности для измерения содержания Н2 в азоте (диапазон измерения 0–50 %). [3]
Инфракрасные газоанализаторы. Их действие основано на избирательном поглощении ИК-излучения в диапазоне 1–15 мкм молекулами газов и паров. Данное излучение поглощают все газы, чьи молекулы состоят не менее чем из двух различных атомов. Данные газоанализаторы широко применяются в лабораториях и промышленности, имеют высокую избирательность, по причине высокой специфичности молекулярных спектров поглощения различных газов. Диапазон измеряемых концентраций 10–3 -100 %. В дисперсионных газоанализаторах используется излучение одной длины волны, которое получают с помощью монохроматоров. В не дисперсионных газоанализаторах, из-за особенностей оптической схемы прибора (применению светофильтров, специальных приемников излучения и т. д.), используют немонохроматическое излучение. [3]
Ультрафиолетовые газоанализаторы.
Принцип действия основан на избирательном поглощении молекулами газов и паров излучения в диапазоне 200–450 нм. Избирательность определения одноатомных газов весьма велика. Двух- и многоатомные газы имеют в УФ-области сплошной спектр поглощения, это снижает избирательность их определения. Однако отсутствие УФ-спектра поглощения у N2, O2, СО2 и паров воды дает возможность во многих важных случаях проводить селективные измерения в присутствии этих компонентов. Диапазон определяемых концентраций обычно 10–2–100 % (для паров Hg нижняя граница диапазона 2,5–10–6 %).
Ультрафиолетовые газоанализаторы используются главным образом для автоматического контроля содержания С12, О3, SO2, NO2, H2S, C1O2, дихлорэтана, в частности в выбросах промышленных предприятий, а также для обнаружения паров Hg, реже Ni (СО)4, в воздухе помещений. [3]
Электрохимические газоанализаторы.
Действие основано на зависимости параметров электрохимической системы и составом анализируемой смеси, которая поступает в эту систему.
В кондуктометрических газоанализаторах измеряется электропроводность раствора при селективном поглощении им определяемого компонента. Недостатком данных газоанализаторов. является низкая избирательность и продолжительная длительность установления показаний при измерении малых концентраций. Кондуктометрические газоанализаторы широко применяют для определения О2, СО, SO2, H2S, NH3 и др. [3]
Ионизационные газоанализаторы.
Действие основано на зависимости электрической проводимости газов от их состава. Появление примесей в газе оказывает воздействие на процесс образования ионов или их подвижность. Это оказывает влияние на их рекомбинацию. Возникающее при этом изменение проводимости пропорционально содержанию примесей.
Все ионизационные газоанализаторы содержат проточную ионизационную камеру. На электроды камеры накладывают определенную разность потенциалов. Эти приборы широко применяют для контроля микропримесей в воздухе, а также в качестве детекторов в газовых хроматографах. [3]
Рис. 7. Пример газоанализатора
Заключение
Выбор компонентов для вакуумного стенда весьма обширен, что позволяет сделать изобретение еще более универсальным. Есть возможность создать стенд под определенные цели и задачи. Все компоненты изобретения взаимозаменяемы и относительно просты в установке.
Литература:
1. Розанов Л. Н. Вакуумная техника: Учеб. для вузов по спец. «Вакуумная техника». — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк. 1990. — 320 с.
2. Сайт компании КРИОСИСТЕМЫ [электронный ресурс].- Режим доступа URL: http://www.cryosystems.ru, свободный.
3. URL: Gazoanalizators.ru [Электронный ресурс]. — Режим доступа http://www.gazoanalizators.ru/poleznoe.html %26art %3D28, свободный.
4. URL: Rupumps [Электронный ресурс]. — Режим доступа https://rupumps.com/nasosyi/po-tipu/vakuumnyiy-nasos.html, свободный.
5. URL: http://eurolabgas.ru/tipy_gazoanalizatorov [Электронный ресурс] — Режим доступа, свободный.
6. URL: https://bouw.ru/term/vakuummetr [Электронный ресурс] — Режим доступа, свободный.
