ПРЕЦИЗИОННЫЕ РЕГУЛИРУЕМЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАТЕКАТЕЛИ МИКРОПОТОКОВ ГАЗОВ И ПАРОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ (КРАТКИЙ ОБЗОР) Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

E-mail:

а.Л. Гусев.

Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно -исследовательский институт экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ)

Россия, Нижегородская обл., Саров

Прецизионные регулируемые вакуумные натекатели микропотоков газов и паров для контроля герметичности энергетических объектов (краткий обзор)

■зо

Обсуждены вопросы генерации микропотоков газов для объектов водородной энергетики, водородного транспорта и космических исследований.

Рассматривается современное состояние и перспективы развития исследований в области газогидродинамики физических сред, проникающих через регулируемые кольцевые конические микроотверстия.

Проанализирован спектр возмущающих факторов, изменяющих установившееся течение жидкостей и газов через профилированные микроотверстия. Описаны исследования, проведенные при разработке прецизионного регулируемого дросселя, в основе которых была заложена идея термо- и вибростабилизации регулировочной иглы, а также принципы повышения точности механизма ее подами. Традиционный резьбовой механизм подачи иглы имеет низкую воспроизводимость из-за появления микролюфтов, он также подвержен влиянию вибраций. В ходе исследований регулировочная игла термо-стабилизировалась на различных температурных уровнях, проводились: криостабилизация, термостабилизация при комнатных, а также при повышенных температурах.

Криостабилизация регулировочной иглы, не всегда отвечает требованиям эргономики, а, кроме того, образование кристалликов льда в дросселирующем отверстии приводит к срыву заданного установившегося микропотока. Термостабилизация дросселя в области комнатных температур не устраняет изменяющейся поверхностной влажностной пленки. Свойства этой пленки в пределах приповерхностного слоя существенно меняются. Они зависят как от характера межмолекулярного взаимодействия в жидкости, так и от взаимодействия молекул жидкости с молекулами стенки, а так же от размеров микроотверстий. Поэтому наличие влажностной пленки не позволяет обеспечить надежность и точность регулирования микроотверстий. Наиболее оптимальной является термостабилизация дросселя в районе 70 -750С и выше.

Представлена методика синтеза конструкций натекателей с одновременным выбором закона управления.

ABSTRACT

Generation of gas microflows for hydrogen energy objects, hydrogen transport and space exploration are discussed. The present state of studies in the field of gas and fluid dynamics of physical environments penetrating through adjustable ring-shaped conic microholes and their future opportunities are discussed. The disturbing factors changing the steady flow of fluids and gases through profiled micro-holes have been analyzed. The studies are described that were carried out during development of the precision adjustable throttle. The idea of thermal and vibration stabilization of the regulator needle as well as the principles of increasing its feeding mechanism accuracy were used as their basis. The conventional threaded mechanism for the needle feeding has a low reproducibility because of microgaps. It is also subject to vibration effects. In the course of studies the regulator needle experienced thermal stabilization at different temperature levels. Cryostabilization, thermal stabilization at room and elevated temperatures were performed.

Cryostabilization of the regulator needle is not always compatible with the ergonomics requirements. Besides, formation of ice crystals in the throttling hole results in interruption of the steady microflow. Thermal stabilization of the throttle in the range of room temperatures does not remove the changing surface moist film. The properties of this film change greatly within the layer near the surface. They depend on the character of intermolecular interaction in the fluid, on interaction between the fluid molecules and the wall molecules and on the size of microholes. Therefore, the presence of a moist film prevents from reliable and accurate adjusting of microholes. Thermal stabilization of the throttle at 70-75° and over is most optimal. The procedure of synthesizing leak designs is presented with simultaneous selection of the control law.

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития измерительной и в особенности газоаналитической техники характеризуется значительным ужесточением условий эксплуатации, определяемых влиянием температуры, давления, влажности, напряжения питания, значительным загрязненностью и сложностью анализируемых проб, повышенным уровнем радиации, запыленностью, загазованностью, изменяющимися в широких пределах. Вместе с тем значительно повышаются требования к точности, надежности, чувствительности и быстродействию аппаратуры газового анализа. В связи с этим к газоанализаторам и газоаналитическим системам предъявляются дополнительные требования (Р. Т. Франко, 1983):

щ 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; щ обеспечение возможности автоматической проверки основных метрологических параметров и работоспособности;

щ обеспечение самоконтроля и прогнозирования технического состояния измерительных трактов и приборов в целом;

щ повышенная стабильность коэффициентов преобразования измерительных трактов (метрологическая надежность);

щ увеличение быстродействия газоаналитической аппаратуры.

Наиболее ответственным и наиболее уязвимым узлом любой газоаналитической системы является устройство забора проб - в рассматриваемом случае - вакуумный на-текатель.

Натекатели по уровню стоимости можно приравнять к немногочисленным изделиям, которые относятся к hightech классу. Если условно оценивать изделия удельным показателем стоимость/килограмм веса, то для high-tech-изделий такой показатель составляет порядка 1000 долларов за килограмм.

Исследования вакуумных натекателей с целью создания прецизионных регулируемых изделий были начаты автором данного обзора и его коллегами при выполнении космических программ. К ним относились испытания в вакуумной камере на герметичность и определение суммарной течи космических аппаратов и скафандров, а также поиск локальных течей. Автор данного обзора являлся одним из участников испытаний на герметичность космической станции «Мир», руководителем вакуумных испытаний системы заправки многоразовой транспортной космической системы (МТКС) «Энергия-Буран».

Высокое качество вакуумирования теплоизоляционных полостей криогенного оборудования позволило впервые в мировой практике обеспечить заправку системы «Буран» существенно переохлажденными компонентами топлива. Вместе с тем, технология вакуумных испытаний продолжает оставаться одним из самых трудоемких, мало поддающихся автоматизации, дорогостоящих процессов, часто лимитирующих сроки приведения криогенных систем в готовность. Этот процесс существенно усложнен воздействием на наружные поверхности теплоизоляционных полостей атмосферных осадков, вибраций, ветровой нагрузки, радиации, инсоляции, пыли, колебаний темпера-

туры и влажности. Недостаточно высокая плавность регулировки натекателей масс-спектрометров приводит к выходу из строя катодов и значительно повышает эксплуатационные расходы, связанные с заменой катодов и повторной калибровкой масс-спектрометра.

В настоящее время в России весьма трудно найти хороший прецизионный натекатель. Это положение обусловлено не только "отдыхом" отечественной промышленности, но и наличием незаполненной технологической ниши в мировом производстве регулируемых прецизионных нате-кателей широкого спектра действия. Основными производителями прецизионных натекателей в мире являются английская фирма "Edwards" и фирма "Balzers" (Лихтенштейн). Несмотря на кажущуюся простоту, прецизионные регулируемые натекатели требуют тщательного изучения и совершенствования.

В обзоре рассмотрены прецизионные регулируемые вакуумные натекатели - устройства для регулирования микропотока газа. Эти устройства должны нормально функционировать в условиях воздействия на них разнообразных дестабилизирующих факторов, обеспечивать точность регулирования и повышенную производительность при высокой стабильности газового потока, должны отвечать требованиям автоматизации процесса регулирования и поддержания пропускной способности.

Вакуумные натекатели получили широкое распространение в криовакуумной технике для испытаний откачных систем, для тарировки измерительных комплексов, использующих масс-спектрометрические течеискатели, для регулирования чувствительности масс-спектрометрических течеискателей, а также при поиске локальной негерметичности и в хроматографах при отборе газовых проб.

Незаменимы регулируемые натекатели газов в автомобильной промышленности, как в конструкции самого автомобиля, так и в установках с программным управлением для окраски машин, а также в газосварочных устройствах. Ряд прогрессивных автомобильных фирм давно оснащает свои автомобили системой управления подачей горючего и окислителя в камеру сгорания, позволяющей обеспечить стехиометрическое сжигание топлива [1]. Как правило, подобные системы прецизионной подачи топлива выполняются с обратной связью, основными элементами которой являются два устройства - газовый датчик, устанавливаемый в газовыхлопном тракте, и регулируемый натекатель (либо газа, либо жидкости) - инжектор. Инжектор по своей сути представляет гибрид регулируемого прецизионного нате-кателя и форсунки. В настоящее время выпускается достаточно широкий ассортимент инжекторов: Щ с механическим впрыском - «K(KE)-Jetronic»

(«Mercedes-123»); Щ электромеханические - «L-Jetronic» («Mercedes-124»)

электронные - «Motronic» (Audi, VW, Opel, Renault,

«Lucas» (Jaguar), «Marelli» (Fiat, Alfa Romeo).

Прецизионный регулируемый натекатель газов является одним из основных элементов космических скафандров [2], аквалангов, систем жизнеобеспечения (СОЖ) космических кораблей и станций.

Прецизионные регулируемые натекатели необходимы для автоматического создания повышенного давления газа в электрических кабелях с защитной газовой средой, в медицинской технике для создания дыхательных смесей, в системах газового регулирования энерговыделения топливного канала ядерных реакторов и других важных областях науки и техники.

I. ВИДЫ НАТЕКАТЕЛЕЙ, ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ И УСЛОВИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РАССМАТРИВАЕМЫХ ПРЕЦИЗИОННЫХ РЕГУЛИРУЕМЫХНАТЕКА-ТЕЛЕЙ

1.1. Виды натекателей и устройств управления газовыми потоками

Большинство современных газоаналитических устройств подвержены влиянию нестабильности давления или расхода подаваемой на анализ газовой пробы. Одним из путей уменьшения влияния изменения давления на показания газоаналитических устройств является стабилизация давления или расхода анализируемой смеси, поступающей в масс-спектрометрическую камеру. Поэтому важнейшим этапом пробоподготовки является поддержание на требуемом уровне давления или расхода газовой пробы. Именно для этой цели и предназначен вакуумный натекатель.

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 [3 - 5]. При разработке таких устройств необходимо обеспечить плавность регулировки натекания, высокую точность, стабильность натекания, надежность, простоту изготовления, ремонтопригодность, высокую воспроизводимость результатов, необходимый диапазон регулирования пропускной способности. Подвижная система игольчатого затвора обычно приводится в действие с помощью резьбовых механизмов [4 - 7] (Рис.1).

пользовании 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.

Вместе с тем, конические игольчатые натекатели весьма удобны в эксплуатации: они имеют самый широкий диапазон регулирования (Рис.2), и способны обеспечить плавную регулировку с приемлемой величиной шага регулирования.

На рис. 2:1 - отверстие в платиновом диске (0,6-30), 2 - капилляр конической формы (1-0,0009), 3 - трещина в стеклянной капиллярной трубке (0,002-1,8), 4 - трещина в стеклянной трубке (0-380), 5 - капилляр круглого сечения (7.10-7-0,02), 6 - сплющенная медная трубка (0,003 -3), 7 - капиллярная трубка в сочетании со стеклянной иглой (0,02-5), 8 -вставка (пробка) из пористого металла (0,00005 -0,01), 9 - пористый керамический стержень (0,001-10), 10 - устройство с кольцевыми вставками, функционирующими при регулируемой нагрузке (0,002 -0,00005), 11 - устройство с пружинящей шайбой (0,0005 -0,07), 12 - устройство со стальным шариком на сферическом седле (0,7- 0,007), 13 - игольчатый натекатель (0,02-1), 14 - игольчатый натекатель с сильфонным уплотнением (0,00006-40), 15 - платиновая проволока,расширяющаяся в стеклянном капилляре (0,03-0,25), 16 - вольфрамовый стержень, расширяющийся в стальной оболочке (0,1-0,9), 17 - нагреваемый капилляр (4-40).

Рис.1. Игольчатый натекатель [8]: 1 - тонкая стальная игла с углом 2-60, 2 - седло, 3 - винтовой механизм дифференциальной подачи.

Экспериментальные исследования игольчатого затвора, имеющего резьбовую подвижную систему, показали, что он, как правило, обладает целым рядом недостатков. К ним относятся:

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 ис-

Рис.2. Диапазоны изменения пропускной способности у натекателей различных типов [3], мкм. рт. ст./с.

Конструкции капиллярных натекателей [б], особенно, при использовании их в наборе, позволяют несколько повысить производительность. Однако такие конструкции предназначены в основном для генерирования дискретных течей в вакуумный объем.

Щелевые дроссели [5] (Рис.3), регулируемые изменением степени искривления трубки обладают недостатками, присущими натекателям с резьбовой подвижной системой.

Рис.3. Щелевой натекатель [7].

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

Дроссели, управляемые изменением температуры [5, 11] позволяют осуществлять 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].

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

Рис. 6. Диффузионный натекатель: 1 - баллон, заполненный газом, 2 - диффузионная трубка [10].

На Рис.7 изображен термодиффузионный натекатель.

Рис.4. Ртутный натекатель с пористыми перегородками [8]: 1 - пористые керамические пластинки, 2 -ртуть.

Для прецизионного дозирования в сравнительно узком диапазоне регулирования может использоваться нитевидный натекатель [8, 9], (Рис.5).

Рис.5. Нитевидный натекатель: 1 - остеклованный железный грузик, 2 - тонкий стержень, 3 - капиллярная трубка.

Рис. 7. Термодиффузионный натекатель [10]: 1- пал-ладиевая трубка, 2- стеклянный баллон, 3-нагреватель.

В основе действия термодиффузионных натекателей лежит явление избирательной диффузии газов через некоторые материалы при нагреве. Недостатками диффузионных и термодиффузионных 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).

На рисунке 8 представлен лабораторный комбинированный дифузионный и термодифузионный натекатель вы-полненый с рабочим элементом из тонкостенных кварцевых сфер соединенных последовательно кварцевым капилляром. Такая конструкция может выдержать нагрев до 7000 С. Регулирование расхода через тонкостенную кварцевую оболочку может осуществляться как давлением, так и температурой. Натекатель может работать как без нагрева, так и с нагревом.

Рис. 8. Комбинированный диффузионный и термодиффузионный кварцевый натекатель: сверху в разобранном виде, снизу в собранном виде.

г

Рис 9. Щуп-натекатель течеискателя с криогенной емкостью и газовой завесой.

В данной конструкции 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.

Обозначим через q объем в кубических сантиметрах (при 00С и 760 торр), диффундирующий через 1 см2 стенки за 1 сек. Так как объем q пропорционален давлению газа (Дэшман, 1964) и обратно пропорционален толщине стенки ^, мы можем написать:

КР

q = -

d

(1)

где К принято называть проницаемостью. В литературе по диффузии обычно выражают давление Р в сантиметрах ртутного столба (Рсм ), а толщину стенки ^ - в мм.

Коэффициент К быстро растет с повышением температуры:

K = KQe

-E / RT

(2)

где Е - энергия активации, выраженная в кал/моль.

Широко известны устройства, использующиеся в блоках напуска протия, дейтерия и инертных газов в разрядную камеру, на основе пьезоэлектрического привода со временем срабатывания около 5 мс. Напуск осуществляется через мембранные фильтры на основе палладия [16,1ба]. В блоках напуска газа в ионные источники инжекторов применяются импульсные клапаны с электродинамическим приводом. За время импульса длительностью 2 с в каждый источник инжектируется до 4 м3 х Па протия или дейтерия [17].

В ходе исследований автором было разработано устройство [18], с учетом признаков изобретения [19], содержащее корпус с коническим отверстием и коническую иглу, жестко соединенную с емкостью, заполненной жидким азотом. Устройство изготовлено автором данного обзора на основе щупа-натекателя для течеискателя ПТИ-10. На Рис 9, а также в работах [20, 21] представлены внешний вид и описание этого устройства.

1.2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ И ФУНКЦИИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ВАКУУМНЫХНАТЕКАТЕЛЕЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ИХ В КАЧЕСТВЕ ПРОБОТБОРНЫХ УСТРОЙСТВ В СИСТЕМЕ ГАЗОВОГО АНАЛИЗА

Для идеального регулируемого натекателя процесс функционирования мог бы быть запсан в виде:

QHn = Q0 ± n -ддш., (3)

где: Qh„ - теоретическое значение величины потока газа через натекатель при перемещении регулировочного органа на n - шагов, м3 Па/с (л. мкм. рт. ст. /с),

Q0 - оптимальный (средний поток) газа через натекатель, м3 Па/с (л. мкм. рт. ст. /с),

n - номер шага механизма передвижения регулировочной иглы,

ДQШ - программируемое шаговое приращение потока натекателя, м3 Па/с (л. мкм. рт.ст./с).

Однако, на точность работы натекателя оказывают воздействие два вида факторов: возмущения, вносимые системой перемещения регулировочной иглы и самой иглой при перемещении (физические поля, определяемые видом силового привода (тепловое, электрическое, вибрационное, электромагнитное и т.д.), повреждения материала седла от контакта с иглой - задиры, износ механизма подачи рабочего регулирующего органа и т.д.); возмущения вносимые окружающей средой, как естественного происхождения - суточные вариации температуры, давления, инсоляции, влажности и т.д., так и искусственного происхождения - динамические и статические: тепловые поля, оптическое воздейсвие, вибрации, электрические поля, магнитные поля, электромагнитные поля, искусственные концентрационные вариации газовой атмосферы.

Поэтому, учитывая приведенный выше факт, процесс работы натекателя может быть описан более сложной формой:

= Q„ ±AQHnr m Aß,

(4)

где:

Qh „ - общий поток газа через натекатель, м3 Па/с (л. мкм. рт.ст./с),

AQHoc - изменение потока газа через натекатель за счет воздействия окружающей среды, м3 Па/с (л. мкм. рт. ст. /с), AQm.zucm. - шаговое изменение потока натекателя, вызванное гистерезисными явлениями, м3 Па/с (л. мкм. рт.ст./с),

AQM . Жт = fl( J (Y )),

(5)

где:

J - показатель качества управления, Y- вектор проектных параметров включает как параметры, задающие размеры элементов конструкции, качество этих элементов, так и параметры, задающие коэффициенты усиления в цепях обратной связи по скорости и перемещению,

Влияние факторов окружающей среды как естественного, так и искусственного происхождения на поток определяются зависимостью:

Ь-Qho,. = Аф0.с.,АР0.с.,Дю0.с.,АСПГос ), (6)

где: ДТ0 с - вариации температуры окружающей среды, 0C, Дф0 с - вариации относительной влажности окружающей среды, ДР0 с - вариации давления окружающей среды, Па, Дю0 с - изменение вибрационной картины окружающей среды, Гц, ДСПГо - изменение концентрации пробного газа в окружающей атмосфере (эволюция облака пробного газа в окружающей атмосфере ),

Таким образом, задачей исследователей прецизионного регулирования микропотоков газов является минимизация ДЯн0сс , Д0ш. гист. , M ( M -масса конструкции), времени для компенсации негативного действия возмущений. Кроме того, важно решить и такие тривиальные задачи как минимизация габаритов натекателя, энергопотребления, стоимости, повышение надежности, коэффициента готовности, эргономичности, безопасности.

Поскольку, большинство из этих параметров можно обобщить основными параметрами оптимизации, то для решения этих задач можно поставить задачу синтеза конструкции оптимального натекателя с одновременным выбором закона управления следующим образом:

min CjM (Y) + c2 J (Y),

G(Y ) <0, Yl<Y<YU

с. и с2 - скалярные весовые множители для M и J,

(7)

J (Y ) = Ju (Y ) + JF (Y ) = £ ^QJk\uJk (Y )| + £ XRk\FnP,t (Y )| ;

где: J„ и J - слагаемые показателя качества, связанные с

^ F u '

погрешностями силовых нагрузок, развиваемых приводами Fnp и возмущающих факторов, связанных с работой приводов, соответственно; kd - число условий возмущающих факторов, Nf - набор возмущающих факторов, которые необходимо учесть при подсчете JF; Nu - набор управляющих сил, которые необходимо учесть при подсчете Ju; ujk - скорость перемещения привода; Qjk, Rjk - весовые коэффициенты для амплитуд перемещений и сил, развиваемых приводами; они считаются равными обратным величинам максимальных допустимых значений этих амплитуд.

Подстановка выражения (8) в (3) дает полную постановку задачи синтеза конструкции с системой управления. Хотя решение такой задачи при заданных конкретных значениях c и с2 не представляет принципиальных трудностей, априорный выбор подходящих коэффициентов может быть затруднительным. Часто приходится решать эту задачу несколько раз с различными значениями c и с2 пока не получатся приемлемые значения M и J.

Другой подход состоит в том, чтобы рассмотреть два специальных случая:

1) случай с = 1, с2 = 0 и 2) случай с = 0, с2 = 1.

В первом случае целевая функция- это масса конструкции. Постановка задачи дополняется двумя ограничениями, задающими максимальные допустимые значения JF и поскольку эти величины уже не входят в целевую функцию. В результате получается следующая постановка задачи:

min M (Y)

Y

G(Y) < 0, Ju (Y) < JU,

JP (Y) < JU, Yl < Y < YU, (9)

где JU и JU - это верхние границы для JB и JF соответственно.

Второй случай (с1 = 0, с2 = 1) в свою очередь делится на два случая, в которых величины JB и JF фигурируют в качестве целевых функций, что дает постановку задачи в виде

min Ju (Y),

G(Y ) < 0, M (Y ) < MU, JF (Y) < JU, YL < Y < YU

(10)

где ограничения сверху на М и 0Г введены для того, чтобы возместить исключение массы конструкции и меры управляющего воздействия из выражения целевой функции, вторая постановка задачи имеет вид:

YD и YL - верхние и нижние границы компонент вектора 7 а 0- вектор функциональных ограничений (ограничение на статические и динамические перемещения, силы, развиваемые приводом, частоты, поля и т.д.)

В данной работе за показатель качества вакуумного натекателя принимается взвешенная сумма амплитуд установившихся флуктуаций скорости передвижения регулировочного органа от различных возмущающих факторов и погрешностей силовых нагрузок, развиваемых приводами Рпр и возмущающих факторов, связанных с работой приводов, этот показатель представляется выражением:

min JF (Y ),

Y

G(Y ) < 0, M (Y ) < MU, Ju (Y) < JU, Yl < Y < YU,

(11)

k=1 JeNu

(8)

где ограничения сверху на M и JB введены для того, чтобы возместить исключение массы конструкции и минимизацию возмущающих факторов из целевой функции.

Задачи синтеза конструкций натекателей с одновременным выбором закона управления, записанные в виде (7)-(9), дают набор постановок задач, применимых к проектированию широкого класса конструкций с соответствующими системами активного управления. Каждая из постановок задач лучше всего приспособлена для достижения одной из трех целей проектирования: задача, описываемая (7) - для минимизации массы конструкции, зада-

X

36

ча (8) - для минимизации действия возмущающих факторов, связанных с выбранными степенями свободы, задача (9) - для минимизации меры управляющего воздействия.

Условия эксплуатации и требования к натека-телям.

Для большинства систем газового анализа условия эксплуатации существенно отличаются от нормальных (температура окружающей среды 20+50С, давление 101+3 кПа) [22].

Поскольку проботборные устройства систем газового анализа располагаются часто вне помещений, температура окружающей среды для них может колебаться в пределах -50 + 500С. Расположение средств газового анализа под землей, на борту летательных аппаратов также существенно расширяет диапазон рабочих давлений окружающей среды (от сотых долей до 130 кПа и более) [23].

Естественно, что при конструировании проботборных устройств должны быть предусмотрены устройства прецизионной термостабилизации с точностью 0,01-0,0010С

Точность регуляторов расхода должна быть порядка 0,1- 1%.

Забираемая для анализа проба обладает весьма большим разбросом параметров, например, по запыленности, давлению, температуре, влажности, составу не измеряемых компонент, наличию вредных и химически активных веществ. Применяемые в газоаналитической аппаратуре измерительные преобразователи требуют подачи в них, как правило, очищенной, осушенной анализируемой пробы со стабильными физическими параметрами (температура, давление, расход и др.). Именно, по этой причине между измеряемым или контролируемым объектом и измерительным преобразователем должны быть включены устройства пробоподготов-ки. Эти устройства предназначены для забора, транспортирования, очистки, осушки, прокачки анализируемой смеси через измерительные камеры измерительных преобразователей, а также стабилизации (при необходимости) ее температуры, давления, расхода и других параметров [23].

В целом, к устройствам пробоподготовки предъявляются целый ряд требований. К ним относятся: эффективная и надежная очистка от механических примесей и аэрозолей; уменьшение до требуемых значений влагосодержания (осушка); стабилизация давления, температуры, расхода и других параметров; отсутствие или минимизация сорбции и десорбции информативного параметра, минимальное время транспортного запаздывания; высокая параметрическая надежность [23].

Одним из основных и трудновыполнимых требований устройства пробоподготовки является обеспечение репрезентативности подаваемой в измерительный преобразователь пробы, т.е. гарантированное сохранение ее состава, прежде всего в отношении определяемого компонента (или компонентов).

Регулируемые прецизионные натекатели газов являются одним из основных элементов системы пробоподготов-ки. Анализ работы измерительных преобразователей и газоанализаторов, проведенный в [23], показывает, что большинство современных газоаналитических устройств подвержены влиянию нестабильности давления или расхода подаваемой на анализ газовой пробы. Одним из путей снижения влияния изменения давления пробы на показания газоанализатора является стабилизация давления или расхода анализируемой смеси, поступающей в измерительный преобразователь. Поэтому важнейшим этапом пробоподготовки является поддержание на требуемом уровне давления или расхода газовой пробы [23].

1.3. Влияние возмущающих факторов на стабильность потока через микроотверстие

1.3.1. Виды возмущающих факторов

Все возмущающие факторы, действующие на регулировочный орган дроссельного отверстия, по величине интенсивности воздействия на величину регулируемого потока подразделяются на интенсивные и на относительно стабильные факторы. Основной вклад в интенсивные воздействия вносят, различного рода, механические динамические возмущения, а также переменные тепловые поля, меняющиеся со сравнительно большой частотой.

К относительно стабильным факторам относятся: суточные вариации температуры окружающей среды, суточные вариации относительной влажности окружающей среды. При проведении кратковременных работ относительно стабильные возмущающие факторы практически не оказывают воздействия на стабильность регулируемых микропотоков. Следовательно, при проведении подобного вида работ относительно стабильные факторы могут не рассматриваться. Напротив, интенсивные факторы, оказывают самое мощное воздействие на стабильность микропотоков. Динамические возмущающие факторы могут оказывать воздействие, как на регулировочную иглу, так и на седло. Интенсивные тепловые факторы, как правило, имеют меньшую интенсивность по сравнению с динамическими тепловыми факторами. Тем не менее, они очень активно могут оказывать возмущающее воздействие, преимущественно, на седло. Необходимо отметить, также, что тепловые факторы могут оказывать воздействие и непосредственно на сам газовый микропоток, изменяя характер его течения через регулируемую щель. Достаточно в зимнее время взять щуп-натекатель течеискателя ПТИ-10 (Та=278К) рукой за корпус в районе седла, как практически, сразу же довольно значительно измененится микропоток газа (до 50%). Этот факт доказывается очень несложными выкладками. Если участок щупа с начальной температурой Та=278К прогревается теплом при контакте с оператором до Т2=303К, то согласно формуле для вязкостного потока из [24] будем иметь:

&= 4 х Тк

Qт1 Пт1 Т ,

где 0 и 0 - потоки натекания (утечки) пробного газа соответственно при температурах Т и Т2, м3Па/с (л*мкм. рт. ст./с).

Например, для влажного воздуха при относительной влажности р = 70% при атмосферном давлении для температуры влажного воздуха ^=278 К и Т2=303 К иоп-ределив по таблицам [25] коэффициент динамической вязкости П = 17,48мкПа*с и Щг = 26,44 мкПа*с будем

(12)

Qti

26,44 3Q3 , _ x-= I,65;

17,48 278

&т1 = 1,65 х &т2.

Таким образом, наглядно показано, что если не осуществлять термостабилизацию седла регулируемого дросселя, то ждать высокой точности при установке и поддержании заданного микропотока не приходится.

При проведении длительных работ таких, например как, поиск локальных течей крупного негерметичного космического аппарата, была отмечена также роль относительно интенсивных факторов: суточных вариаций относительной влажности окружающей среды и темпера-

al

б)

Рис.10. Схемы испытания изделия на общую негерметичность в барокамере (а); крупного изделия на локальную негерметичность методом щупа (б): G, G1, G2 - течеискатели, РА - вакууметр ионизационно-термопар-ный, VF- натекатель, PD5- мановакууметр, V11 - вакуумный клапан, V12 - газовый вентиль, PD6 - манометр, He-баллон с контрольным газом (гелием), NI2 - механический насос, V10 - вакуумный затвор, V7 - вакуумный затвор, ND3 - пароструйный насос, NI1 - механический насос, V9 - вакуумный затвор, ND2 - пароструйный насос, V6 - вакуумный затвор, V8 - вакуумный затвор, ND1 - пароструйный насос, V5 - вакуумный затвор, PD4 - манометр, SF6 - газовый баллон с контрольным газом (элегазом), V4 -газовый вентиль, V1 -газовый вентиль, V3 -газовый вентиль, PD3 - манометр, И2-газовый баллон с азотом, PD2 - манометр, He-газовый баллон с гелием, V2 -газовый вентиль, PD1 - манометр, V1 -газовый вентиль, He-газовый баллон с гелием, PD -манометр, V- вентиль, G-течеискатель.

38

туры. Эти вариации, особенно в условиях технологического проветривания испытательного зала для снижения увеличивающегося фона контрольного газа, могут достигать больших величин. Так, например, в условиях космодрома «Байконур» в конце мая суточные вариации температуры достигают AT = 30 - 40°С.

На рис. 10 (А, Б) изображены схемы контроля герметичности.

При реализации этих схем контроля отмечается нестабильность по микропотоку.

На рис.10А изображено испытание объекта (изделия) в барокамере на герметичность.

Изделие - детали, элементы конструкций отдельно или в сборе, подлежащие испытаниям на герметичность.

Сущность испытаний изделий на герметичность масс-спектрометрическим методом заключается в следующем. С противоположных сторон испытуемой поверхности изделия создается перепад давлений. В зону высокого давления подается пробный газ. Под действием разности давлений пробный газ проникает через течи изделия в область низкого давления, которая сообщается с масс-спектрометрическим течеискателем. По показанию выносного прибора течеискателя оценивают степень герметичности изделия [24].

Современные испытательные системы имеют большую протяженность. Для обеспечения приемлемой оперативности в работе необходимо в каждой области контроля иметь течеискатель. Поэтому к барокамере подключается несколько масс-спектрометрических течеискателей, показанных на схеме. Такое решение проблемы позволит существенно снизить время реакции испытательной системы.

Время реакции испытательной системы - время, проходящее с момента подачи пробного газа на течь до появления сигнала, составляющего заданную долю от равновесного.

Барокамеру с находящимся в ней объектом откачивают системой откачки. Процесс откачки до рабочего давления для космических аппаратов (КА) весьма продолжителен, и для однотипных объектов составляет приблизительно одинаковое время. Так, космический аппарат «Союз» откачивался в барокамере СМ-703 24 часа, а станция «Мир» - 48 часов. Следует учитывать, что в зависимости от условий хранения объекта (влажность) время откачки для одного и того же типа КА может отличаться. После выхода на режим заданного рабочего давления проводят определение нулевого фона гелия (или другого контрольного газа) в барокамере с КА для каждого течеис-кателя - определение «нулевой характеристики». После определения стабильного значения фона в барокамере с КА проводят калибровку всей измерительной системы. Для этого используются прецизионные натекатели, входящие в блок подачи контрольной течи. Определяя параметры микропотока посредством специального микроротаметра, задают с помощью прецизионного регулируемого натекателя требуемый контрольный поток, соответствующий минимальному потоку, критичному для данного отсека КА. И такая операция выполняется для каждого из контролируемых отсеков КА.

Далее происходит заправка отсеков, имеющих свои специфические параметры, гелиево-воздушной или гелиево-азотной смесью (чистым газом или смесью любого иного контрольного газа с любым инертным газом). После подачи в испытуемый отсек давления контрольной смеси проверяется общая герметичность отсека. Если фон контрольного газа повышается в барокамере выше допустимого, процесс поиска общей негерметичности каждого из отсеков КА прекращают и переходят к процессу поиска локальной негер-

метичности изделия. Для этого в барокамеру напускают атмосферный воздух или другой газ (как правило, осушенный) и начинают процесс поиска локальной негерметичности (рис.10Б). Для определения локальной негерметичности используют, как правило, высокочувствительный магнитный масс-спектрометрический течеискатель, специальным образом подготовленный для поиска локальной течи методом «щупа».

Течеискатель, предназначенный для работы по методу «щупа», настраивают (калибруют по микротечи - специальной стандартизованной (ГОСТ) течи «Геллит». Как правило, поток гелиевой течи «Гелит-1» равен

с ш-5 с 1 п-4 л.мкм.рт.ст. .

5 10 -5 10 -, но для различных задач могут быть

изготовлены контрольные течи с иными потоками). Оператор, зная этот поток и изменение сигнала течеискателя, определяет чувствительность своего течеискателя (у каждого прибора разная чувствительность - она тем выше, чем стабильнее работа щупа-натекателя и чем меньше шаг регулирования его дроссельного отверстия и, соответсвен-но, потока.

Чем меньше дроссельное отверстие, тем большее влияние на стабильность потока оказывают квантовые эффекты. Поток в значительной степени зависит от стабильности величины дроссельного зазора. При столь малых потоках на стабильность величины зазора сильно влияют флуктуации атмосферной относительной влажности, температуры окружающей среды, атмосферного давления, запыленности окружающей среды, величины вибраций, передающихся извне на корпус натекателя.

Из сказанного видно, что калибровка течеискателя методом «щупа» очень сложна и ее необходимо постоянно контролировать, так как до сих пор не создано совершенной интеллектуальной системы, которая могла бы следить за чувствительностью течеискателя. Чувствительность течеискателя - отношение изменения сигнала течеиска-теля к вызывавшей его изменение измеряемой величине. Чувствительность течеискателя зависит от многих факторов и помимо описанных выше, влияющих на нестабильность величины дроссельного зазора, она в сильной мере зависит от флуктуаций производительности откачной системы, которые, в свою очередь, определяются колебаниями параметров в электрической сети, температурой окружающего воздуха, а также зависят от вибраций, технического состояния электронной системы обработки аналогового контрольного сигнала и т.д.

В испытательном зале на точность контроля герметичности может оказывать большое влияние флуктуирующие в районе поиска течи концентрации контрольного газа, перемещающиеся в пространстве в виде «облаков». Все эти факторы существенно влияют на продолжительность и стоимость испытаний КА. Из практики известно, что 30 процентов стоимости всех затрат на испытания КА перед полетом приходятся на испытания на герметичность. Общепризнано, что эти работы являются самыми трудоемкими из всех предполетных работ с КА. Ключевым элементом оборудования для подобных испытаний является прецизионный регулируемый вакуумный натека-тель. Его совершенствованию и посвящена данная работа.

1.3.2. Динамические возмущающие факторы. Модель возникновения динамических колебаний в регулировочной игле

Для оценки влияния динамических возмущающих факторов на стабильность работы устройства приведем схему виртуальных вибраций регулировочной иглы (Рис.11).

t

Х77Ш

ii

V/////Ä

а) б) в)

Рис.11. Схема виртуальных вибраций регулировочной иглы: а - нет вибраций, б - вибрации без соударений, в - вибрации с соударениями с седлом запирающего органа. Эффект затягивания.

'"'/А

¿т

«1 EL

R _ i, 4 ft ^

а)

у/

///'

6

46.

V Г' 5. I

б)

39

Рис.12. Вибрационная модель упругой системы между ограничителями: а) - физическая модель б) - графическая интерпретация процесса колебаний регулировочной иглы.

Для схемы Рис.11а площадь щелевого пространства определяется величиной зазоров /1 и /2.

Для схемы Рис.11б /1 </2. Вибрации регулировочной иглы уменьшают площадь свободного прохождения микропотока газа, срывают нормальный режим течения, способствуют возникновению пульсаций.

На схеме Рис.11в представлена вибрационная картина с соударениями. Частота колебаний может достигать величин, при которых скорость движения иглы будет превосходить скорость звука в воздухе. Известно, что среднеарифметическая скорость молекул соизмерима с этими скоростями, особенно при пониженных температурах:

v =

ар

8 х к, х T

пх m„

(13)

Уравнение движения линейной упругой системы с трением на интервале между ударами об ограничители в безразмерной форме выглядит следующим образом[2б]:

x + 2-Cx + |2 -x = |2 -sin(r + ^);

к * + C x = — x ,т = a-1,C =■

(14)

2 ■ m -a

e ®o W

a V m

'0

где Уар - средняя арифметическая скорость движения

молекул рассматриваемого газа, м/с,

кг - постоянная Больцмана, (к = 1,38 • 10-23 Дж/К), Тг - температура газа, К, шг - масса одной молекулы газа, кг. Следовательно, эффект затягивания вполне может влиять на изменение величины потока даже при комнатных температурах Особенно, это проявляется для тяжелых газов

таких как СО, Кг,

2' ' б

Площадь свободного прохождения микропотока газа при этом существенно уменьшается. В данном режиме возникают колебания седла, которые также вносят возмущения в стабильную работу. Вибрационная модель рассматриваемого устройства представляет собой упругую систему между ограничителями (Рис.12).

Здесь £ - статическое смещение упругой системы. Общее решение уравнения (14) в случае С<1 имеет следующий вид:

x = Q-sin(r + ^ + 0)+ C-e C■ ■sin(*1 -т + ф)

Q = -

1

tgO =

1 "F

2-C ■ |

1 "I2

„ C2

+4-F

-;l1 =I - ;

(15)

Граничные условия движения системы, на интервале от удара о левый ограничитель до удара о правый ограничитель, будут:

2

(1б)

40

\x = —с; х = v при т = 0 [х = с; х = и при т = п • е

Из графика [27] зависимости (с1 ) видим, что на интервале ВД амплитуда виброударных режимов оказывается большей, чем амплитуда линейных колебаний, при неизменной амплитуде возбуждения. Эффект затягивания будет достигаться за счет ударных взаимодействий упругой системы с ограничителями. Таким образом, для стабильной работы натекателя необходимо обеспечить отсутствие вибраций, лежащих в интервале частот , а также

использовать для изготовления седла натекателя материал с высоким коэффициентом трения. Кроме того, желательно предусмотреть виброзащиту конструкции, а именно иглы и корпуса от воздействий динамических нагрузок, направленных перпендикулярно оси натекателя.

При разработке конкретного устройства целесообразно провести его испытания на вибродинамическом стенде для определения диапазона частот, оказывающих наименьшее воздействие на стабильность натекания. Для определения степени устойчивости конструкции и эксплуатационных характеристик к изменению температур-но-влажностного режима желательно провести испытания в климатической камере, а также натурные испытания в кри-остатах и гидростатах.

Необходимо также отметить, что гипотетически возможны колебания самого корпуса вместе с отверстием.

Таким образом, конструкция с тепловым регулятором, по-видимому, будет способствовать снижению влияния эффекта затягивания на величину регулируемого потока газа. Это особенно важно для процесса регулирования в области пониженных температур.

1.3.3. Тепловые возмущающие факторы

Тепловые флуктуации седла и конуса иглы приводят к вариации площади микроотверстия. Так как рабочая ширина кольцевого микроотверстия соизмерима с размером молекул, то ее изменения существенно сказываются на микропотоке газа. Требуется термостабилизация регулируемого микроотверстия. Кроме того, вариации температуры поверхности микроотверстия передаются молекулам протекающих газов, вызывая пульсации скоростей молекул. Вследствие разного коэффициента теплопроводности газов может наблюдаться эффект селективности регулируемого дросселя по отношению к определенным газам. При этом, вариации температуры могут вызывать резкое изменение потока газов с высоким коэффициентом теплопроводности, и незначительное - для газов с малым коэффициентом теплопроводности.

1.3.4. Влияние дроссельного эффекта и вариаций контролируемой газовой среды

При минимизации габаритов натекателей, выборе материалов для изготовления седла и иглы следует учитывать возможность влияния дроссельного эффекта на точность расхода. Погрешность, вносимая дроссельным эффектом, может мультиплицироваться при резком изменении состава контролируемой газовой среды. Так, наибольшая погрешность может наблюдаться при использовании натекателя для поиска локальной негерметичности объектов.

Рассмотрим случай, когда через щуп-натекатель поступает проба, состоящая из гелия, захваченного из мигрирующего облака. Известно, что при прохождении гелия через дроссель наблюдается обратный дроссельный эффект. В результате, происходит микронагрев регулируемого дросселя и газовой пробы, транспортируемой через него. Этих

изменений температуры для некоторых конструкций может быть достаточно, чтобы после проведенного микроохлаждения пробы начался довольно резкий микронагрев, что, естественно, может снизить точность расхода.

II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЕДЕНИЯ ГАЗОВЫХИ ПАРОГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ ПРИ ДВИЖЕНИИ ИХ ЧЕРЕЗ КОНИЧЕСКИЙ ДРОССЕЛЬ

Поведение идеального газа при движении через конические зазоры и микроотверстия хорошо описано в специальной литературе (Гейнце, Розанов, Дэшман, Кучеренко). В данном разделе мы подробно остановимся на парогазовой и жидкостной фазе, проходящей через микроотверстия. Известно, что на поверхности седла, практически всегда при относительной влажности превышающей 30%, будет наблюдаться вариация толщины влажностной пленки, мгновенно отслеживающей вариации относительной влажности проходящего потока [28]. Поэтому зная эти закономерности можно оптимизировать работу натекателя газов и паров, а для жидкостных систем эти закономерности просто необходимы.

2.1. Физикохимия процессов массопереноса в капиллярных структурах

2.1.1. Влияние вариации относительной влажности и вариации электрических полей

Возможные натекания через микроотверстия оценивают по формуле Пуазейля для объемного расхода 0н несжимаемой жидкости вязкостью п0, протекающей через круглый канал радиусом Я длиной Ь под действием перепада давлений др:

дн = пхАРхЯ4 /(8хщ хЬ); (17)

Процесс протекания пробной жидкости через реальные микроотверстия, имеющие сложную и неизвестную геометрическую структуру, можно описывать методами теории фильтрации [29]. В частности, расход жидкости при стационарном протекании через пористую среду (в нашем случае микроотверстие) выражается законом Дарси [29]:

(18)

где Сд - постоянная, определяемая структурой дефекта и не зависящая от свойств протекающей жидкости. В случае кругового канала этот коэффициент равен СД = Я4/(8хпхЬ) и из (12) следует (11).

При рассмотрении течения жидкости в канале круглого сечения радиуса Я в узкой области размером И около стенок канала свойства жидкостей существенным образом отличаются от объемных [30], [31]. Толщина такого приповерхностного слоя с измененными свойствами меняется, согласно оценкам разных авторов, от 1 нм для простых жидкостей до 103-104 нм для жидких кристаллов и зависит, как от характера межмолекулярного взаимодействия в жидкости, так и от взаимодействия молекул жидкости с молекулами стенки [32].

2.1.2. Микроструктура тонких слоев жидкости

Применение современных компьютеров позволило получить новую информацию о молекулярной структуре жидкостей методами численного эксперимента - молекулярной динамики и Монте-Карло. Эти методы оказались особенно удобными для изучения структурных особенностей тонких прослоек жидкостей, так как

Qh = сд xAP/По ;

ограниченность машинной памяти и быстродействия не позволяет пока работать с очень большим числом молекул [33]. Суть применяемых численных методов состоит в следующем. Задают определенные потенциалы межмолекулярного взаимодействия и потенциалы взаимодействия молекул жидкости с поверхностями, ограничивающими прослойку. Находят осредненное во времени распределение молекул в прослойке, которое отвечает минимуму свободной энергии системы и, следовательно, ее равновесному состоянию при данных условиях. Предварительно потенциалы молекулярных сил должны быть опробованы на моделях объемных жидкостей в отсутствии поля поверхностных сил и выбраны такими, чтобы они возможно ближе передавали основные физические свойства. Для простых жидкостей, молекулы которых можно аппроксимировать сферами радиуса д, хорошим приближением является потенциал u(r) межмолекулярного взаимодействия Леннарда-Джонсона. Результаты численных экспериментов [34 - 39] показывают, что микроструктура граничных слоев воды вблизи гидрофильных и гидрофобных поверхностей различна. Так, в частности, вблизи гидрофильных поверхностей плотность воды повышена, а тангенциальная подвижность молекул снижена. Вблизи гидрофобных поверхностей, напротив, плотность ниже, чем у воды в объеме, и выше тангенциальная подвижность молекул.

2.1.3. Влияние размеров микроотверстий

Калинин М.И. в работе [32] предлагает разбить весь диапазон размеров микроотверстий на четыре области. Основными критериями служат параметры: R, h, Я характерный молекулярный размер).

I область. R >> h ; для полярных жидкостей R > 0,1 - 1мкм. При этом можно пренебречь влиянием приповерхностного слоя жидкости с измененными свойствами на ее течение. В этой области чисто гидродинамический подход является достаточно приближенным. Расчеты достаточно точно можно вести с использованием формул (17) и (18).

II область. h < R ; в случае полярных жидкостей (10-20 нм) < R < (l02 -103 нм). В таких каналах доля граничной фазы жидкости становится сравнимой с долей объемной части, и приповерхностный слой существенно влияет на характер капиллярного течения. Гидродинамический подход становится менее надежным и точным. Использование объемных значений вязкости По не совсем оправданно.

III область. Я << R << h; для полярных жидкостей (0,3 - 0,5нм) << R << (10 - 20нм). В случае простых жидкостей эта область отсутствует. В каналах с такими размерами исчезает объемная фаза жидкости. Весь флюид находится в особом приповерхностном слое. Происходит перекрытие приповерхностных слоев с измененной структурой, что приводит к поверхностным явлениям второго рода, важнейшим признаком которых служит возникновение расклинивающего давления [32]. Вопрос о влиянии этих эффектов на течение в капиллярах разработан слабо. Надежность и точность регулирования микроотверстий таких размеров существующими методами неудовлетворительны [35].

IYобласть. Я< R. Область, в которой континуальный подход неприменим. Описание течения флюида возможно только на основе методов статистической механики, которые в настоящее время совершенно не разработаны для области указанных размеров.

М.И. Калинин, анализируя влияние особых свойств приповерхностных слоев жидкостей на капиллярное течение для лиофильной твердой стенки, расход определял по фор-

муле [34] и [32]:

Qu =

пхАР erх(R2 -r2)

2 х L

П(г)

dr

(19)

в связи с тем, что около лиофильной твердой стенки вязкость жидкости Пувеличена по сравнению с ее объемным значением п0 в несколько раз и является функцией расстояния до межфазной поверхности [34] и [32].

В каналах с лиофобными стенками возникает явление проскальзывания жидкости [32] и [30] на границе с твердой стенкой. Расход жидкости в этом случае определяется формулой:

QH х R 4 х (1 + 4 ХПо Х7).

8хп0 хL

R

(20)

где У - коэффициент проскальзывания. По оценкам [29] для воды в капилляре с гидрофобизованными стенками у « 10-5м3 /(Н ■ с)

(к = 4хг/0у ~ 10 нм)

Проскальзывание приводит к увеличению потока 0н. В тонких граничных слоях полярных жидкостей обнаружено явление ориентационной упорядоченности жидкокристаллического типа [31] и [43]. Молекулы в этом слое около лиофильной поверхности ориентированы длинными осями нормально к поверхности раздела. Такая наведенная ориентация должна приводить к увеличению вязкости при движении жидкости вдоль поверхности. М.И. Калинин делает предположение, что в случаях, когда около лиофобной стенки возникает явление проскальзывания, молекулы полярной жидкости ориентированы параллельно поверхности, что приводит к уменьшению вязкости по сравнению с объемным значением [31].

Эксперименты показывают [32], что при повышении температуры до 70 - 750С отклонения свойств граничных слоев от объемных исчезают. Это связано с тем, что интенсивное тепловое движение разрушает особую структуру жидкости, образованную поверхностными силами. Температура перехода в состояние неупорядоченного теплового движения зависит от энергии взаимодействия молекул жидкости с поверхностью.

Наряду с изменением свойств жидкостей и условий на границе раздела с твердым телом, в узких приграничных слоях происходят разнообразные физико-химические процессы, существенно влияющие на капиллярное течение. При наличии солей в воде возникают явления адсорбции. При отрицательной адсорбции концентрация растворенного вещества на выходе микроотверстия будет сильно понижена. Указанное явление может приводить к кажущемуся уменьшению расхода 0. Подобная фильтрация вообще может привести к кажущемуся закупориванию [32]. При положительной адсорбции повышение концентрации приводит к уменьшению вязкости граничного слоя до объемного значения [44] и [45] и, следовательно, к увеличению 0. С другой стороны, в капиллярах и, особенно, на выходе возможны процессы кристаллизации [46].

2.1.4. Влияние электрокинетических явлений

Существенно влияют на характер течения флюида электрокинетические явления [47]. Наличие двойного электрического слоя приводит к электровязкостному эффекту, уменьшающему поток Q. Теория электрокинетических явлений развивается давно и успешно. Ее применение для натекате-лей, использующихся при поиске локальной герметичности объектов необходимо и возможно в областях I и частично II. Однако, в областях III и частично II состояние теории далеко от завершения и практического использования.

По мнению М.И. Калинина [32], на процесс капиллярного впитывания, оказывают влияние различные факторы: аномальные свойства приповерхностных слоев жидкостей, зависимость коэффициента поверхностного натяжения от внешних полей, зависимость краевого угла от скорости течения и от состава раствора, наличие на стенках адсорбционной пленки, возможные неоднородности стенок микродефектов, влияние концов капилляра [48 - 50].

2.1.5. Перспективы развития теоретической базы

М.И. Калинин в цитируемой работе [32] показывает, что для совершенствования методов и средств контроля герметичности, их метрологического обеспечения необходимо развитие теоретической базы в следующих направлениях.

Щ В областях II и частично I необходимо изучение закономерностей капиллярного течения с учетом аномалий свойств граничных слоев флюидов (вязкости, коэффициентов диффузии, растворяющей способности, диэлектрической проницаемости) и физико-химических процессов, происходящих в тонких каналах (адсорбции, электрокинетики). В настоящее время решение этих задач возможно на феноменологическом уровне в модельной постановке, так как надежных и полных данных о свойствах граничных слоев нет. Щ В областях II, III целесообразно развитие статистических методов исследования жидкостей и газов (чистых и смесей) на границе с твердым телом для определения их свойств, существенных при испытаниях на герметичность. Щ В областях III, IV необходимо исследование свойств флюидов и закономерностей их течения методами машинного эксперимента.

Имеющиеся в литературе данные показывают, что практически все отклонения свойств жидкостей в приповерх-

ностных слоях от их объемных значений исчезают с повышением температуры до 70-75 0С для большинства полярных жидкостей. Можно предположить, что в этом случае течение жидкости будет описываться уравнениями гидродинамики и, в частности, расход Qн будет определяться формулами (17) или (18). Предполагаемое увеличение потока через микроотверстия размером около 20 -30 нм вследствие понижения вязкости до объемной может составить 30-40% [40] и вследствие уменьшения электровязкостного эффекта - около 10-20% [47]. Для отверстий размером «10 нм, согласно [40], [47], увеличение потока при повышении температуры может составить 150-200%.

III. ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ СТЕНДЫ, КОНСТРУКЦИИ И ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ ИССЛЕДОВАННЫХ НАТЕКАТЕЛЕЙ

3.1. Описание типовой контрольно-измерительной установки

На рис.13 приведена схема контрольно-измерительной установки, на которой проводились испытания и градуировка натекателя (Рис.9) [21]. Разность давлений на натекателе создавалась между вакуумным объемом V2 и объемом с контрольным газом V4. Поток газа через на-текатель определялся при закрытом вентиле B2, по скорости увеличения давления в вакуумном объеме V3. С учетом всех погрешностей проводимость натекателя определялась с погрешностью не более 5%. Данные, полученные в ходе эксперимента показывают, что исследуемый образец не обеспечивает плавной регулировки газового потока. Испаряющийся криогенный компонент

Рис.13. Схема контрольно - измерительной установки: РТ1-тепловой вакууметр, VI-вакуумная камера РА1- ионизационный вакууметр, В2 - вентиль, VI- вакуумная камера, 1 - натекатель, V3 - вакуумная камера, РБ1-деформационный вакууметр, В4 - вентиль, М1-манометр, В5 - вентиль, Я1-редуктор низкого давления, М2- манометр, В6 - вентиль, V4- камера с контрольным газом, В3 - вентиль,БЬ- криогенная ловушка, РА2 - ионизационный вакууметр, РТ2-тепловой вакууметр, N11-форвакуумный насос, В7 - вентиль, Ш1- диффузионный насос, В1 - вентиль.

не может длительно термостабилизировать регулировочную иглу. При подводе криогенного продукта по трубопроводу усложняется конструкция всей системы. Кроме того, кристаллики льда, образовавшиеся в дросселе в процессе испытаний, ведут к срыву установившегося микропотока.

Содержание влаги в натекающем воздухе, соизмеримое с относительной влажностью атмосферного воздуха, является фактором, вносящим существенные погрешности в процесс поддержания заданного натекания. В ходе экспериментов наблюдалось влияние на величину нате-

Вариант I. Механизм перемещения иглы 3 состоит из емкости с сильфоном 4, жестко закрепленной в корпусе 2 с помощью теплоизолирующей втулки 9 и заполненной жидкостью 5. Жидкость 5 является рабочим телом перемещения иглы. Коническая игла 3 жестко соединена с подвижной стенкой сильфона 4. Емкость с сильфоном 4 снабжена узлом нагрева, содержащим тепловую трубу в виде оребреного стакана 6 с двойными стенками. Пространство между стенками стакана 6 отвакуумировано и заполнено капиллярной структурой, пропитанной жидкостью. Внутри стакана 6 размещен электронагреватель 7, связанный с терморегулятором, представляющим из себя биметаллическую спираль 8 с контактной системой, смонтированной на поворотном лимбе 12. Спираль 8 и контактная система 10 связаны между собой через размыкатель 13, закрепленный на подвижном конце спирали 8. Биметаллическая спираль 8 размещена в цилиндре 14 с двойными стенками, установленном в емкости с сильфоном 4 ко-аксиально тепловой трубе. Для защиты устройства от воздействий флюктуаций внешних температур корпус 2 и коническая игла 3 изготовлены из материала с коэффициентом линейного теплового расширения не более 1,0 х 10-6 К-1, например, из сплава 32НКД, а на корпусе установлен теплоизоляционный кожух, состоящий из двух частей - 11 и 16. Передняя часть 16 имеет на входе конического отверстия ци-

кающего газового потока незначительных вибраций, действующих как по оси натекателя, так и в перпендикулярном направлении.

3.2. Описание устройства для регулирования потока контрольного газа на базе теплового привода

В ходе исследования, с учетом полученных экспериментальных данных, предложено "Устройство для регулирования потока контрольного газа" [41, 51]. Устройство изображено на рисунке 14.

линдрический раструб 17. Задняя часть кожуха 11 выполнена съемной и устанавливается на корпусе 2. Тепловая труба, предназначенная для отвода тепла рабочей жидкости в окружающее пространство, снабжена перфорированными ребрами 19. Рабочая жидкость 5, заполняющая емкость с сильфоном 4, изменяет свой объем при изменении температуры. При этом, величина перемещения конической иглы 3 вдоль оси отверстия 1 (при изменении температуры на 1К) определяется следующими параметрами: коэффициентом объемного теплового расширения жидкости ?, объемом емкости с силь-фоном 4, площадью среднего сечения сильфона емкости 4. Электрическую схему подключают к электрической сети например 12 В. Исходя из условий обеспечения требуемого потока контрольного газа выбирают температуру рабочей жидкости 5 и задают ее а поворотом лимба 12. Тепловой поток от электронагревателя быстро и равномерно распределяется по всей поверхности стакана 6 и, благодаря перфорированному оребрению, передается жидкости 5. Жидкость 5 изменяет объем при изменении температуры, что приводит к деформации сильфона емкости 4 и перемещению конической иглы 3 вдоль оси отверстия 1, а, следовательно, изменению зазора между ними, что изменяет поток контрольного газа. При достижении заданной температуры термочувствительная биметаллическая спираль 8 через размыкатель 13 обес-

1Z34567£S1tl 13 19

Вариант 1 Вариант 2

Рис.14. Устройство для регулирования потока контрольного газа: 1-регулируемый дроссель в виде конического отверстия, 2- теплоизолированный корпус, 3-регулируемая коническая игла, 4- емкость с сильфоном,, 5-рабочая жидкость, 6-оребренный стакан с двойными стенками, 7- электронагреватель, 8- терморегулятор в виде биметаллической спирали, 9-теплоизолирующая втулка, 10-размыкатель, 11-задняя часть теплоизоляционного кожуха, 12- поворотный лимб, 13- контактная система, 14- цилиндр с двойными стенками, 15- трубка для отвода контрольного газа, 16 - передняя часть теплоизоляционного кожуха, 17- цилиндрический раструб, 18- прижимной стакан, 19-регулируемая тепловая труба с перфорированными ребрами, 20- сильфон, заполненный инертным газом.

точивает контакты 10 цепи питания электронагревателя 7.

Таким образом, во время работы устройства терморегулятор и электронагреватель 7 поддерживают заданную температуру рабочей жидкости 5, поверхности емкости с сильфоном 4 и конической иглы 3, что должно обеспечивать постоянство геометрических характеристик зазора отверстия регулируемого дросселя. С этой же целью коническая игла 3 и корпус 2 изготавливаются из материала с малым коэффициентом линейного теплового расширения.

В дальнейшем, для обеспечения возможности автоматизации процесса регулирования и повышения производительности, была предложена конструкция устройства для регулирования потока газа (рис.14, Вариант II), [52].

Вариант II. Устройство для регулирования потока контрольного газа состоит из емкости с сильфоном 4, заполненной рабочей жидкостью. Рабочий орган в виде конической иглы 3 закреплен на подвижном торце силь-фона 4 емкости и может перемещаться вследствие теплового расширения (сжатия) рабочей жидкости. На торце выступающего конца тепловой трубы б, соосно с ней, установлены прижимной стакан 18 и сильфон 20, заполненный инертным газом. Наружная подвижная стенка сильфона 20 касается внутренней поверхности торца прижимного стакана 18, снабженного механизмом фиксации. Сильфон 20 и стакан 18 служат для регулирования границы жидкость-пар в трубе б, то есть регулирования теплоотдачи во внешнюю среду и, как следствие, скорости перемещения иглы 3.

Устройство [52] в отличие от устройства [51] обеспечивает лучший теплосъем и, как следствие, сокращение времени перемещения запирающего органа при открытии дросселя, повышенную точность отвода заданного количества тепла во внешнюю среду при ее определенной температуре и обеспечение требуемого потока газа. Таким образом, обеспечивается повышение производительности работы устройства регулирования потока контрольного газа.

3.3. Тепловая регулировка микропотока газа

На рис.15 изображена кинематическая схема предложенного устройства. Процесс регулирования характеризуется двумя диапазонами: 1 - диапазон больших натеканий и 2 - диапазон малых натеканий.

Рис.15. Кинематическая схема запирающего органа

Примем, что в диапазоне больших натеканий регулировочная игла не контактирует с седлом запирающего органа, а в диапазоне малых натеканий коническая часть регулировочной иглы взаимодействует с поверхностью конического отверстия.

Для первого диапазона имеем:

У _ вс хаж хТ,

x = Bc xa3K XTI XRI

VH

2 h R 2 ,

(21)

где у - осевое смещение регулировочной иглы, х- боковое смещение регулировочной иглы, Вс - длина силь-фона, аж - коэффициент объемного теплового расширения жидкости, Т1 - температура жидкости в первом диапазоне, Н и Л - длина конической части и радиус цилиндрической части иглы. Таким образом:

f = fo - x = fo - Bc xa ж xTi x RI

4H 2 h R2 -

(22)

где /0 - установочный зазор при нормальных условиях, / - зазор между внутренней поверхностью конического отверстия и поверхностью конического участка иглы.

Для второго диапазона смещение регулировочной иглы будет определяться тепловым расширением рабочей жидкости и совместными тепловыми деформациями регулировочной иглы и корпуса при нагреве. Учитывая эти процессы, можно определить рабочую температуру, до которой необходимо нагреть рабочую жидкость, чтобы уменьшить натекание до заданной величины. Сила, действующая на подвижный торец сильфона:

Р _ ^ж хрж хТ ; (23)

где гж, рж, Яж - степень сжимаемости, плотность, газовая постоянная рабочей жидкости. Определим проекцию площади соприкосновения конической части регулировочной иглы с седлом натекателя на плоскость, перпендикулярную действующей силе ^

F™ = nxl Hs X--h

- fo )x4HT

h Г -nX Г h

- fo )xH

н н j ^ н У (24)

где Н 8 - высота седла, г - радиус наименьшего сечения конического отверстия. Тогда усилие, возникающее при внедрении конической иглы в корпус, будет равно: (25)

F2 = FKf¡¡¡ x (aT )к = nx (aT )K xlHS x — h

R , (x - fo y<¡H2 h R'

HH

h Г I -nx (aT )K xl Г h

, (x - fo }x4H

где (<т )к - предел текучести материала корпуса. Отсюда, получим зависимость величины зазора на втором диапазоне от температуры жидкости ТП:

/ _ Т„ х Рс х г ж х рж х Яж _ н5 х Я _ г х Н

„ Н„ хЯ ^Н2 + Я2 2хл/Н2 + Я2 4н2 + Я2 2 х—^-х-хкхаТ

н н Т

После передачи теплового потока к рабочим поверхностям запирающего органа произойдет деформация регулировочной иглы и седла натекателя, в результате изменится величина зазора на величину дополнительного смещения за счет явления теплопроводности А/.

Определим относительную деформацию регулировочной иглы и седла: (27)

-)2 Vct x

■ - aK xTK - au xTU >

Рк х Ек х Еи х Ри

где , Рп , Ек , Еп - площадь сечения и модуль упругости корпуса и иглы соответственно; ак ,аи - коэффициент термического расширения корпуса и иглы соответственно; Тк ,Ти - температура корпуса и иглы соответственно. Отсюда: (28)

Af

aK xTK -auTu

2xnx (aT )K x H s x R XTIH 2 h R2

,/к X Ek h Fu x Eu Fk x Ek x Fu x Eu

H

2 „2

H

hix

Fk x Ek h E

H xR

Г x H

Следовательно, общий зазор на втором диапазоне регулирования:

/и = /д + Д/. (29)

Таким образом, предлагаемое устройство имеет тепловую регулировку пропускной способности, тепловую стабилизацию иглы и динамическую стабилизацию иглы в осевом направлении. Прибор пригоден к автоматизации процесса регулирования и поддержания пропускной способности. В нем легко реализуется механизм защиты от приложения больших усилий к игле и седлу при запирании затвора.

В конструкции, по сравнению с известными натекате-лями с тепловой регулировкой, существенно снижены эффекты теплового и силового гистерезиса. Кроме того, конструкция защищенна от воздействия динамических возмущающих факторов, действующих в плоскости перпендикулярной к оси иглы.

3.4. Описание устройства для регулирования потока контрольного газа на базе гидравлико -резьбового редуктора

На рис.16 изображен вакуумный натекатель, снабженный специальным прецизионным приводом [53].

1 2 2 4 5 5 7

Рис.16. Вакуумный натекатель с гидравлическим редуктором: 1-теплоизолированный корпус, 2-регулируемый дроссель, 3- запирающий орган в виде конической иглы, 4- большой сильфон гидравлического редуктора, 5- резьбовой регулятор положения конической иглы, 6-регулировочная гайка, 7- камера ограничения хода регулировочной гайки, 8- стопорная гайка, 9- шайба, 10- малый сильфон гидравлического редуктора, 11-подвижный торец малого сильфона, 12-рабочая жидкость, 13-подвижный торец большого сильфона, 14- седло.

Основная идея рассматриваемого устройства заключается в том, что для снижения влияния на точность перемещения иглы инструментальной ошибки прибора, а также для повышения точности при установке необходимого зазора за счет снижения коэффициента передачи вращательного движения гайки в поступательное движение иглы, резьбовой механизм перемещения конической иглы связан с иглой, опосредованно, через второй регулятор положения иглы (гидравлический редуктор) с заданным коэффициентом передачи.

Рассмотрим устройство (Рис.16) более детально. Сильфон меньшего диаметра установлен внутри сильфона большего диаметра, в результате чего между ними образуется герметичная полость переменного объема, заполненная рабочей жидкостью с малым коэффициентом теплового расширения и большой теплоемкостью. Общий торец

сильфонов закреплен в корпусе. Подвижный торец силь-фона большего диаметра жестко соединен с конической иглой, а подвижный торец малого сильфона связан с резьбовым механизмом перемещения конической иглы. Седло изготавливается из эластомера, например из политетрафторэтилена.

В качестве рабочей выбирается жидкость с малым коэффициентом теплового расширения аТ и большой теплоемкостью в целях уменьшения влияния колебаний теплового режима работы прибора:

Д1 = I •ат ■(( - ¿0) (30)

где Д1 - приращение габаритов в результате теплового расширения; ! - первоначальный габарит прибора; £ — £ 0 -изменение температуры окружающей прибор среды.

Резьбовой регулятор изготавливается из стали У8А или У10А с закалкой до твердости НРС50-55 и последующим шлифованием. Шероховатость обработанной поверхности закаленного винта от Р1,6 до Р0,8. Для того, чтобы избежать влияния изменений теплового режима работы прибора при изменении температуры окружающей среды, на корпус 1 нанесен слой теплоизоляции. Кроме того, корпус 1 и коническая игла 3 изготавливаются из материала с коэффициентом линейного теплового расширения не более 1,0x10~6K~1, например, из сплава 23НКД.

Для устранения люфта регулировочной гайки с обеих сторон от нее по оси винта в камере ограничения хода регулировочной гайки установлены шайбы. Для фиксирования резьбового регулятора после установки требуемого зазора между иглой и седлом на свободном конце резьбового регулятора вне камеры 7 ограничения хода установлена стопорная гайка 8.

3.4.1. Принцип работы вакуумного натекателя с редуктором

Задание требуемого газового потока, проходящего через устройство, производится следующим образом: Отвинтив стопорную гайку 8, вращают регулировочную гайку 6 в ту или иную сторону, для создания необходимого зазора между седлом 14 и иглой 2. При вращении регулировочной гайки 6 резьбовой регулятор 5 перемещает на расстояние /1 подвижный торец 11 сильфона малого диаметрам, который имеет площадь /с. При этом на величину ДУ1 изменяется объем сильфона 10, расположенного в рабочей жидкости 12. В результате, несжимаемая рабочая жидкость 12, стремясь сохранить свой объем, оказывает гидравлическое воздействие на внутреннюю поверхность большого сильфона 4. Подвижный торец 13 с площадью Ес сильфона большого размера совершает перемещение/1 изменяя объем, образованный большим сильфоном, на величину Д¥2 . При этом, благодаря перемещению конической иглы 3, жестко связанной с подвижным торцом 13, изменяется рабочий зазор регулируемого дросселя 2. Так как жидкость несжимаемая, то ДУ1 = У2 . Но ДУ1 = /с • ¡1, а Д^2 = ^ • ¡2 . Поэтому / • ¡1 = Ес • ¡2 , 11 = / • ¡2< Рс или ¡1 = К • ¡2, где К = /с /Ес - геометрический параметр, определяющий чувствительность второго регулятора положения иглы.

Для повышения точности чувствительность редуктора необходимо снизить. Соотношение площадей торцов выбирают при разработке конструкции устройства, исходя из заданной чувствительности прибора.

Конструкция жесткого крепления регулировочной иглы практически полностью исключает возникновение колебаний иглы в направлении поперечном оси иглы.

Исследование процессов, происходящих в микроотверстиях при вариации физических параметров окружающей

46

среды и в условиях воздействия внешних технических помех, является актуальной и очень серьезной задачей.

В настоящее время в России серийно выпускаются несколько типов натекателей: НДЗ; НЭТ; НМБ-1; НК-2Р; НРП-1,б и клапаны-натекатели: КН-2,5 и КН-2м. Всем им в той или иной мере присущи недостатки, рассмотренные в данной работе.

Прецизионные регулируемые натекатели необходимы для систем, имитирующих космическое пространство [54, 55], для регулирования отбора газовой смеси для течеискателей [5б, 57], для аттестации и тарировки газовых сенсоров [58, 59], для реализации целого ряда химических технологических процессов [60], для бурно развивающихся нанотехнологий [61], для вакуумных систем ускорителей [62] и вакуумно-тритиевого комплекса термоядерных реакторов [17], объектов криогенно-ва-куумной техники [63, 64], исследования адсорбентов и геттеров [65, 66], а также для формирования структур металлических пленок, легированных газами [67] и т.д.

ГС. ПОВЫШЕНИЕ ЭРГОНОМИЧНОСТИ ПРЕЦИЗИОННЫХНАТЕКАТЕЛЕЙ ДЛЯ ПОИСКА ЛОКАЛЬНЫХТЕЧЕЙ В ТРУДНОДОСТУПНЫХ МЕСТАХ

4.1. Минимизация габаритов натекателей

Для большинства задач течеискания щупы-натекатели должны, кроме перечисленных свойств, иметь еще весьма малые размеры. На рис.17 представлен щуп-натекатель НПО "Энергия" с конической иглой, имеющей резьбу и клиновидную насечку.

Рис.17. Щуп - натекатель течеискателя с клиновидной насечкой

В этой конструкции игла полностью вворачивается в конический корпус, а по всей длине иглы проходит клиновидная прорезь. Резьба на протяжении всей поверхности иглы значительно снижает влияние вибраций на стабильность характеристик такого натекателя.

Оригинальная конструкция клиновидного натекателя представлена в работе [68].

Эта конструкция позволяет дозировать поток газов или жидкостей в широких пределах с заданными величинами натекания по шкале микрометрической головки, задающей перемещение сменного рабочего штока. В приборе обеспечивается расширение диапазона регулирования потока простой заменой рабочего штока натекателя без разборки конструкции и задание закона изменения потока, как функции от перемещения штока. При работе в составе технологической вакуумной установки с объемом камеры 100 л и базовым давлением 5*10-7 торр обеспечивается стабильное по времени давление в диапазоне от 5*10-7 до 1 торр. Ход штока натекателя 0 - 20 мм с точностью отсчета 0,01

мм. При перемещении штока на 0,1 мм давление изменяется менее чем на 10% от шкалы вакууметра [68].

Во всем мире наблюдается тенденция минимизации размеров масс-спектрометров. Для этого необходимо минимизировать не только размеры измерительного преобразователя, системы откачки, но и размеры самого проботборного органа. Ученые из University of Toronto (Канада) и Michigan University (США) предлагают создать насос из полой углеродной нанотрубки. Такая трубка может быть заполнена атомами, например, гелия. Это предложение уже продемонстрировано в эксперименте [69]. Проблема перемещения атомов может быть решена с использованием внешнего электрического переменного поля для электромиграции атомов.

Как известно, седло прецизионных вакуумных натека-телей может получать сильные повреждения. При этом нарушается воспроизводимость натекателя. Если изготавливать седло и иглу из максимально прочных материалов, то воспроизводимость должна повыситься. Седло, при этом, должно быть изготовлено из материала более пластичного, чем игла. Привлекает внимание возможность использования углеродных нанотрубок для изготовления игл или их поверхностей. Преимущества использования углеродных трубок для этой цели объясняются их чрезвычайно высокой механической прочностью, которая подтверждается, в частности, результатами прямых измерений [70]. Так, модуль Юнга нанотрубки в аксиальном направлении составляет порядка 7000 ГПА, в то время как для стали и иридия значения этого параметра составляют 200 и 520 ГПА, соответственно. Необходимо также отметить высокую термодинамическую устойчивость углеродных нанотрубок и фул-леренов, что, как уже указывалось ранее, очень важно для создания стабильного потока через дроссель.

Необходимо отметить, что уже сегодня для минимизации габаритов щупов-натекателей при сохранении их основных свойств возможно использование достижений на-номеханики.

ВЫВОД:

Предложена методика синтеза конструкции и активной системы управления, согласно которой одновременно рассматриваются независимые множества проектных параметров, связанных с конструкцией и системой управления.

Особенностью настоящей работы является непосредственное включение в постановку задачи большого количества разнородных ограничений. Модификация конструкции позволяет добиться существенного снижения величины управляющей силы. Введение специально разработанной системы управления может привести к значительному снижению массы конструкции, а также влияния возмущающих факторов на постоянство величины регулируемого потока как в статическом, так и в динамическом режимах.

Важность дальнейшего развития нового поколения прецизионных регулируемых натекателей неоспорима. Коллектив группы «Новых водородных и вакуумных технологий» Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (г. Саров) ведет инициативную исследовательскую работу по созданию высокопрецизионных натекателей нового поколения, устойчивых к воздействию окружающей среды, и имеющих высокую степень репрезентативности газовой пробы.

Так, например, планируется проведение исследований по разработке многоканального интеллектуального щупа-натекателя компараторного типа с математической обра-

боткой полученных сигналов на основе вейвлет-анализа [71-73] и речевому указанию направления поиска течи для оператора. Кроме того, ведутся научно-исследовательские работы по разработке щупа-натекателя с шаговым магнито-стрикционным самонастраиванием по заданной программе. Функционирование магнитострикционного двигателя нате-кателя осуществляется с учетом входных сигналов, поступающих от периферийных дросселей.

Учитывая, что в устройствах дистанционного микропозиционирования небольших объектов в качестве исполнительного элемента часто используют пьезокерамические или электрострикционные элементы [74 - 77], планируется рассмотреть возможность создания натекателя, использующего в качестве силового элемента подобные приводы.

Нет сомнений, что прецизионные регулируемые нате-катели газов (в частности водорода) найдут применение в конструкции водородного автомобиля и в инфраструктуре водородной заправки [80].

Автор признателен бывшему начальнику космодрома «Байконур» Шумилину Алексею Александровичу (нынеруководителю российской экспедиции "Sea Lanch" - «Морской старт» -программа экваториальных запусков с плавучего старта), оказавшему большую помощь и проявившему внимание к нелегкому труду испытателей КА и скафандров космонавтов в барокамерах СМ-702 и СМ-357. Автор особо признателен своему коллеге Кудрявцеву Ивану Ивановичу, проявившему талант при совместной разработке новых видов натекателей.

Автор работы выражает особую признательность Самостреловой Светлане Петровне, Дядюченко Юрию Павловичу и Немышеву Виктору Ивановичу, взявшим на себя труд по оформлению этой работы

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Das L.M., Rohit Gulati, Gupta P.K. Performance évaluation of a hydrogen-fuelled spark ignition engine using electronically controlled solenoid-actuated injection system.// International Journal of Hydrogen Energy. 2000, vol.25, #6, p.569- 579.

[2] Алексеев С.М., Уманский С.П. Высотные и космические скафандры. М., «Машиностроение», 1973.

[3] Рот А. Вакуумные уплотнения. М.: Энергия, 1971.

[4] Техническое описание. Течеискатель ПТИ-10. 1988.

[5] Менк Г.Х. Техника высокого вакуума. М.-Л.: Энергия, 1965.

[6] Мамырин Б.А. Высоковакуумный вентиль-натекатель. Приборы и техника эксперимента. 1990. №1, с. 205.

[7] Абельмасов Э.Э., Козлов В.А. Высоковакуумный игольчатый натекатель. //ПТЭ, 1991, №1, с. 205.

[8] Справочник по физическим основам вакуумной техники. Кучеренко Е.Т. Киев, «Вища школа», 1981.

[9] Анциферов В.Н., Гилев В.Г., Рабинович А.И. Простые нитяные натекатели.// ПТЭ, 1988, №1, с.208.

[10] Фролов Е.С., Минайчев В.Е., Александрова и др. Вакуумная техника: Справочник. - М.: Машиностроение, 1985.360 с., ил.

[11] Розанов Л.Н., Лебедев В.М., Мешковский И.К., Тиняков Я.Н. Регулируемый вакуумный натекатель. Приборы и техника эксперимента.1972. №1.С.151.

[12] Львов Б.Г., Шувалов А.С. Техническое обслуживание новой вакуумно-регулирующей аппаратуры. М.: Высшая школа, 1987.

[13] Константинов С.Г., Мыскин О.К., Цельник Ф.А. Импуль-

сный диффузионный натекатель водорода. Приборы и техника эксперимента.1976. №6.

[14] Лебедев В.М. Пористые вакуумные натекатели газов. Приборы и техника эксперимента.1978. №3.

[15] Lewis F. A. The Palladium Hydrogen System. N.Y.: Acad. Press, 1967. P.114.

[16] Гольцов Б.А., Латышев В.В., Волков А.Ф. и др. Паллади-евые натекатели изотопов водорода.- В кн.: Докл. 2-ой Всесоюзной конф. По инженерным проблемам термоядерных реакторов (Л.: 23-25 июня 1981). Т.4. Л.: НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, 1982, с. 112- 119.

[16a] Агеев В.Н., Бекман И.Н., Бурмистрова О.П. и др. Взаимодействие водорода с металлами. Под ред. А.П. Захарова. М.: Наука, 1987.

[17] Глазков А.А., Саксаганский Г.Л. Вакуум электрофизических установок и комплексов. М.: Энергоатомиз-дат, 1985. 184 с.

[18] Гусев А.Л. Описание экспоната на ВДНХ "Щуп-натека-тель течеискателя". Серебряная медаль ВДНХ. Удостоверение №30369.Постан.от 25.11.88, №941-Н.

[19] А.с. СССР №823924, G01M3/00,1981.

[20] Гусев А.Л. Щуп-натекатель течеискателя. Техника и вооружение. МО СССР.1989. №1.С.37.

[21] Гусев А.Л. Щуп-натекатель течеискателя. Сборник №12. Твори, выдумывай, пробуй. Космодром Байко-нур.1988.С.35-3б.

[22] Франко Р.Т., Ларченко В.И. Анализаторы и средства их метрологического обеспечения. - В кн.: Методы и приборы контроля степени загрязнения атмосферы. Киев: Научные труды ВНИИИАП, 1976, с. 87-94.

[23] Франко Р.Т., Кадук Б.Г., Кравченко А.А. Газоаналитические приборы и системы.- М.: Машиностроение, 1983.- 128 с.

[24] Отраслевой стандарт. Изделия криогенно-вакуумной техники. Масс-спектрометрический и манометрический методы контроля герметичности. ОСТ 26-04-2569-80. 1986.

[25] Невенкин С.Л., Начев Н.И., Попов П.В., Кузнецов В.М. Свойства материалов и веществ. Воздух и его основные компоненты. Вып.2. Таблицы стандартных справочных данных. М.: Издательство стандартов. 1991.

[26] Бабицкий В.И., Джохадзе Ш.Р., Кобринский А.Е. и др. Затягивание колебаний в виброударной системе. М.: Машиноведение, 1968. №6.

[27] Кобринский А.Е. и Кобринский А.А. Виброударные системы. М.: Наука, 1973.

[28] Игумнов Н.И. Влагообмен в приборах и аппаратах. -М.: Машиностроение, 1989.- 136 с.

[29] Баренблатт Г.И. и др. Теория нестационарной фильтрации жидкости и газа. М.: Недра, 1972.

[30] Дерягин Б.В.//Изв. АН СССР. Сер. Хим.- 1982.- №8.- С. 1721.

[31] Дерягин Б.В. и др.// Докл. АН СССР. - 1972.- Т.207. -С.1153; 1978.-Т. 239.- №4.-С.828.

[32] Калинин М.И.// Метрология. - 1988. №3.- С.42-49.

[33] Чураев Н.В. Физикохимия процессов массообмена в пористых телах. - М..: Химия, 1990.- 272 с.

[34] Антонченко В.Я. Микроскопическая теория воды в порах мембран. Киев: Наукова думка, 1983. 160 с.

[35] Christou H.I., Whitehouse J.S., Nichlson D., Parsonage N.G.// Faraday Symp. Chem. Soc. 1981. №16.p.139-149.

[36] Anastasion N., Fincham D., Singer K.//JCS Faraday Trans. Part II. 1983. V.79, №11.p.1639-1651.

48

[37 [38

[39

[40 [41

[42 [43

[44

[45

[4б

[47

[48

[49 [50

[51 [52

[53 [54

[55]

[56]

[57]

[58]

[59]

Marchesí M.//Chem. Phys. lett.1983.V.97,№2.p.224-230. Sonnenschein P., Heínzínger K.//Ibíd. 1983. V.102, №6. P.550- 554.

Lee C.Y., McCommon J.A.,Rossky P.J.// J. Chem. Phys. 1984. V.80,№9.p.4448-4455.

Дерягин Б.В. и др. Поверхностные силы.- М.: Наука, 1985. Гусев А.Л. Регулируемый вакуумный натекатель. Всесоюзная конференция по криогенной технике, 1990. Сборник научных трудов. Л.: ВИКИ им. А.Ф. Можайского. Дерягин Б.В.//Изв. АН СССР. Сер. Хим.-1982.-№8.-с.1721. Дерягин Б.В., Поповский Ю.М.// Коллоид. Журн.- 1982.-Т.44.- №5.-С.803.

Лашенев В.И. и др.// Теор. Осн. Хим. Технол.- 1976.-Т.10.-№6.-С.926.

Айткулиев К. и др.// Коллоид. Журн. - 1985.-Т.47.-№4.-С.647.

Яцимирский К.Б. и др.//Докл. АН УССР. Сер. Б.- 1982.-№8.-С.56.

Духин С.С. Электропроводность и электрокинетические свойства дисперсных систем. - Киев: Наукова думка, 1975.

Березкин В.В., Чураев Н.В.// Коллоид. Журн. -1982.-т.44.- №3. - с.417.

Старов В.М.// Коллоид. Журн. -1983.- т.45.- №4. - с.699. Бродская Е.Н., Русанов А.И.// Коллоид. Журн. -1982.-т.44.- №3. - с.636.

Патент РФ №1647319. Устройство для регулирования потока контрольного газа. МКИ 001М3/04.БИ №17,1991.Гусев А.Л., Кудрявцев И.И. Патент РФ № 1772644. Устройство для регулирования потока контрольного газа. Гусев А.Л., Кудрявцев И.И., Цветков А.Е. МКИ G01M3/04, заявл. 15.10.90., №4873969/28, опубл. БИ №40, 1992.

Патент РФ №2051349.Устройство для регулирования потока контрольного газа. Гусев А.Л., Кудрявцев И.И. МКИ G01M3/02, БИ №36, 1995.

А.Л. Гусев. Антимиграционная защита вакуумных полостей кислородных резервуаров от паров масла. Материалы XI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов. «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Датчик -99). Гурзуф, 1999, стр.63. А.Л. Гусев. Регистрация, прогнозирование и управление концентрацией загрязняющих веществ в вакуумных объемах. Материалы XI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов. «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Датчик -99). Гурзуф, 1999, стр.63-64.

Патент РФ № 1779961. Вакуумная система течеискателяХ01М3/02, БИ №45, 1992. Гусев А.Л. Вакуумная система течеискателя.//ИР, №3, 1997, стр.18.

А.Л. Гусев, В.М. Белоусов, И.В. Бачерикова, Л.В. Ляшен-ко, Э.В. Рожкова. Водородный сенсор для криогенно-ва-куумных объектов.// Вопросы Атомной Науки и Техники. Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники. Вып. 1(9), 1999, стр.28-32.

А.Л. Гусев. Предложение по проекту МНТЦ №1580 «Детекторы водорода».// Альтернативная энергетика и экология, №1, 2000, стр.217-222.

[60] А.Л. Гусев. Низкотемпературная регенерация криоадсор-бционных устройств в теплоизоляционной полости криогенного резервуара.// Вопросы Атомной Науки и Техники. Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники. Вып. 1(9), 1999, стр.19- 27.

[61] WEB-Сайт «Нанотехнологии». HTTP://CDL.IU4.BMSTU.RU

[62] Гольдин Л.Л. Физика ускорителей. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983, 144 с.

[63] Жунь Г.Г. Неизотермический конденсационно-адсор-бционный насос для откачки и разделения газовых смесей.//Вопросы Атомной Науки и Техники. Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники. Вып. 1(2), стр.14-21.

[64] Коган В.С. Адсорбенты для криовакуума. Аналитический обзор ХФТИ АН УССР, ХФТИ 81-2, Харьков, 1981, 71 с.

[65] Коган В.С., Шулаев В.М. Адсорбционно-диффузионные вакуумные насосы (вакуумные насосы с нераспыляемым геттером). Обзор: М.: ЦНИИатоминформ, 1990.- 67 с.

[66] Коган В.С., Сокол А.А., Шулаев В.М. Влияние вакуумных условий на формирование структуры конденсатов.11. Структуры металлических пленок, легированных газами: Обзор.- М.: ЦНИИатоминформ.1987.- 28 с.

[67] Phys. Rev. Lett., 1999, 82, p.5373.

[68] Коган Б.М. Производителям элементов вакуумной техники, гидро- и газодинамики.// Приборы и техника эксперимента, 1992, №5, стр. 5.

[69] Zett I.A., Chopra N.G., in Fullerenes and Fullerene Nanostructures (Eds H. Kuzmany et. al.) (Singapore: World Scientific, 1996) p.232.

[70] Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения. Обзоры актуальных проблем. // Успехи физических наук.1996, Том 166, №11, стр.1145-1170.

[71] Кульментьев А.И. Использование вейвлет-анализа для оценки и оптимального подавления шумов в спектрах характеристического рентгеновского излучения.// Известия высших учебных заведений.Физика. 1999, №7, стр.57- 63.

[72] Daubechies I. Ten Lectures on Wavelets. - Philadelphia: PA, 1992.-256 p.

[73] Wavelets and Their Applications (Ed. R Coifman) (Boston: Jones and Barlett Publ., 1992).

[74] Косячков А.А., Черепин В.Т. Сканирующий туннельный микроскоп: Информационный обзор литературы за 1982 -1986 гг. Киев: ИМФ АН УССР, 1986.

[75] Pohl D.W.// Rew. Scient. Instrum. 1987. V.58. № 1. P. 54.

[76] Besocke K.// Surf. Sci. 1987. V. 181. P.145.

[77] Адамович М.Л., Косячков А.А., Черепин В.Т. Столик для дистанционного микроперемещения и микроповорота образца. // ПТЭ, №3, стр.202 -203.

[78] Ф. Байнхельт, П. Франкен. Надежность и техническое обслуживание. Математический подход: Пер. с нем.-М.: «Радио и связь». 1988. - 392 с.

[79] Birnbaum, Z.W. (1969): On the importance of different in multicomponent system. In: Multivariate Analysis II. New York: Academic Press.

[80] T.N. Veziroglu, John O'M Bockris, Debbi Smith, 1991. Solar Hydrogen Energy. The Power to save the Earth. Fuel Forever. First published in 1991 by Macdonald Optima, a division of Macdonald&Co.(Publishers) Ltd.