Перевести страницу

Научно-Производственная Фирма "ПРОГРЕСС"

ПРОИЗВОДСТВО МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ТЕЧЕИСКАТЕЛЕЙ И ВАКУУМНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Масс-спектрометрические гелиевые течеискатели НПФ «Прогресс». Особенности, перспективы развития.

Прогресс современной науки, техники и производства неразрывно связан с непрерывным повышением технологических требований к герметизируемым объектам . Фактически нет такой отрасли промышленности, где в той или иной мере не используются объекты, требующие разрежения или, наоборот, не находящиеся под повышенным давлением. Это корабли и средства наземного транспорта, уникальные крупногабаритные установки атомной науки и энергетики, микроминиатюрные изделия электронной техники, холодильные промышленные установки и бытовые холодильники, установки химического производства, подземные кабели и трубопроводы, пищевая тара и множество других объектов, изделий и систем. Следует заметить, что к сегодняшнему дню уже недостаточно качественных оценок герметичности, но все более интересуют количественные оценки потоков натекания.

К числу основных методов течеискания относятся масс-спектрометрический, галогенный, плазменный, ионизационный, манометрический и др. Они различаются по чувствительности, условиям проведения испытаний и другим параметрам. По-прежнему самым чувствительным, селективным и надежным остается масс-спектрометрический метод контроля герметичности. НПФ «Прогресс» является разработчиком и производителем масс-спектрометрических (серия МС) и галогенных (ИГС) течеискателей, а также аппаратуры и методик, связанных с вакуумной техникой и контролем герметичности.

Масс-спектрометрические течеискатели основаны нa принципe ионизации газов и паров c послeдующим разделением образовавшихся ионов пo отношениям иx массы к заряду в скрещенных магнитныx и электрических полях. Этoт метод наиболеe универсален и чувствителен. Течеискатели серии МС представляют собой высокочувствительные статические неюстируемые магнитные масс-анализаторы, настроенные на регистрацию потока пробного газа, как правило гелия, имеющего наибольшую проникающую способность. Однако течеискатель может быть настроен на другие моноатомные газы в диапазоне масс от 1(Н) до 40 (Аг). Конструктивно течеискатель представляет собой автономный модуль в металлическом корпусе, который может быть установлен на транспортную тележку. В корпусе находятся масс-спектрометрический анализатор, настроенный на регистрацию ионов гелия в качестве пробного газа, моноблок вакуумной системы, управляющая электроника, высоковакуумный насос, датчики вакуума и гелиевая течь Гелит 1, предназначенная для настройки анализатора и калибровки потоков пробного вещества, регистрируемых течеискателем. Форвакуумный насос (ФВН) может быть встроен в корпус течеискателя, либо, для высокопроизводительных насосов, со скоростями откачки более 20 м3/час, установлен на нижней полке транспортной тележки. Значение измеряемого потока отображается на цветном, либо монохромном ЖК индикаторе контрольной панели течеискателя.

Отличительной особенностью гелиевых масс-спектрометрических течеискателей серии МС, выпускаемых научно-производственной фирмой «Прогресс», является применение высоковакуумного насоса гибридного типа (ВНГТ-5, ВНГТ-150), разработанного производителем (патент на изобретение 2490519) и уникального контроллера управления ВНГТ, поддерживающего точность установки скорости вращения ротора на уровне 0,5% . При возможности установки скорости вращения от 1 до 90 тыс. об./мин., оптимальной выбрана скорость вращения ротора ВНГТ равная 20/26 тыс. об./мин. для ВНГТ-5/ ВНГТ-150 соответственно. При этой скорости обеспечивается необходимое для безопасной работы катода масс-спектрометра разрежение в камере анализатора и относительно медленное удаление гелия из области ионизации. В свою очередь увеличение времени нахождения Не в камере анализатора повышает вероятность ионизации и, как следствие, приводит к увеличению тока пучка ионов пробного вещества, что с одной стороны существенно увеличивает чувствительность масс-спектрометра (до 5,0Е-13 м3 Па/с), и, с другой, позволяет снизить ток эмиссии катода до величины 15 мкА. Такой малый ток эмиссии обеспечивает ресурс вольфрамового прямонакального катода, применяемого в течеискателе, до 1000 часов при максимальной стабильности эмиссионных характеристик в течение всего срока службы и минимальных шумах вакуумной системы. При этом, применение осцилляций электронного тока в камере ионизации масс-спектрометра повышает эффективную плотность тока электронов до 1000 А/см2 , что при энергии ионизации 130 эВ обеспечивает максимальный фактор ионизации гелия

G=jхti ,

где G – фактор ионизации; j – эффективная плотность электронного тока; ti– время взаимодействия атомов пробного вещества с электронами ионизирующего пучка.

Проточная часть ВНГТ рассчитана таким образом, чтобы обеспечить высокую «прозрачность» для обратного потока гелия при работе течеискателя в режиме противоток. Чувствительность течеискателя при работе в противотоке достигает 5,0Е-12 м3Па/с. Однако, при этом создается достаточно большая компрессия по более тяжелым газам и ВНГТ обеспечивает безопасное для катода давление в камере анализатора при давлении на выпускном фланце до 10 000 Па.

Указанное обстоятельство позволяет проводить контроль герметичности объектов, имеющих значительные дефекты вакуумной плотности, а также применять высокопоточные щупы-пробоотборники. Применение таких щупов существенно снижает время регистрации течи. Так 10-метровый щуп, создающий давление на входном фланце течеискателя около 1000 Па, обеспечивает время отклика на гелиевую течь 10-8 м3Па/с менее 2 сек., что имеет большое значение при локализации места течи при работе способом щупа на протяженных объектах.

Компактность вакуумной схемы. выполненной в виде моноблока исключает образование вакуумной «тени» (непроточных карманов), что в свою очередь , при относительно малой скорости откачки ВНГТ, способствует быстрому удалению пробного вещества (Не) из камеры анализатора и препятствует «отравлению» вакуумной системы при значительных потоках гелия. Использование статической и динамической компенсации фона, а также применение широкодиапазонного электрометрического усилителя с диапазоном измерения потоков более 10 порядков, позволяет непрерывно проводить испытания по контролю герметичности объектов при любых потоках натекания и исключает необходимость ожидания скачивания пробного газа при обнаружении значительных течей. Указанное обстоятельство имеет большое значение для высокопоточного (конвейерного) производства продукции.

В настоящее время масс-спектрометрические течеискатели всех производителей имеют примерно одинаковые характеристики с точки зрения чувствительности по гелию, и отличаются рабочим диапазоном давлений на входном фланце при полной производительности вакуумных агрегатов (без дросселирования), интерфейсом управления и программными алгоритмами. Учитывая экономические особенности текущего периода на первый план выходят ценовые вопросы. Следует отметить, что отечественные течеискатели на 30-50%, а зачастую и на 100% дешевле импортных, не уступая им по основным техническим характеристикам и критериям надежности. Службы эксплуатации потребителей интересуют прежде всего частота технического обслуживания, ремонтопригодность, наличие, либо отсутствие дорогостоящих импортных комплектующих, сроки их поставки, массо-габаритные характеристики. Так в течеискателях серии МС импортные комплектующие составляют 25-30% . Это, прежде всего сухие форвакуумные насосы и комплектующие управляющей электроники. Надежность течеискателей не отличается от импортных, производственный цикл, с учетом сроков поставки импортных комплектующих, не превышает 90 дней, а массо-габаритные характеристики выгодно отличают МС от течеискателей других производителей. Так, самый малогабаритный течеискатель МС-1 «PRIME» имеет линейные размеры 360х350х310 мм при весе 26 кг. А самый крупногабаритный – автоматизированная установка вакуумной подготовки и контроля герметичности (АУВПиКГ) со спиральным форвакуумным насосом AnestIvataICP-500 (Япония) производительностью 30 м3/час и транспортной тележкой, изготовленный на базе течеискателя МС-4 имеет габаритные размеры 545х645х1100 мм при весе 85 кг. Среди разрабатываемых приборов инновационными являются течеискатель с изменяющейся газовой динамикой (PRIME) и масс-спектрометрический течеискатель с плазменным катодом МС-5 (решение о выдаче патента на изобретение от 01.04.2015г.). Кроме того НПФ «Прогресс» закончил разработку собственного спирального форвакуумного насоса и в настоящее время внедряет ее в производство. С момента внедрения, ожидаемого в текущем году, течеискатели МС на 90% станут Российскими. Таким образом проблема импортной комплектации заключается, в основном, в электронных компонентах.

Импортозамещение в электронике отдельная, очень важная тема для государства в условиях экономических санкции. В области бытовой электроники нет смысла этим заниматься, поскольку лояльные государства Юго-Восточной Азии, качественно и дешево выпускает электронные компоненты для всего мира проблемными являются электронные компоненты профессионального и специального назначения.

Внутри аппаратуры, сделанной российской промышленностью, импортные компоненты сейчас составляют большую часть. Эту ситуацию предполагается изменить в течение 5–6 лет, то есть, при унификации и при жесткой политике, к 2020 году планируется довести отечественные компоненты внутри аппаратуры до 70% . В вакуумной технике на данный момент практически вся электроника выполнена на импортных комплектующих, поэтому задача импортозамещения весьма актуальна. Вакуумная техника, как правило, не производится десятками и сотнями тысяч штук и, поэтому не приходится рассчитывать на разработку элементов специально для таких применений. Для решения задачи замещении импорта, нужно провести унификацию элементной базы, для этого нужна серьезная координация разработчиков и производителей компонент. Сейчас унификацией очень активно занимается Военно-промышленная комиссия. Значительным шагом могло бы стать составление библиотеки элементов, которую может использовать любой разработчик любого вида аппаратуры в том числе и вакуумной техники. Решение задач по импортозамещению процесс затратный и необходимо помнить, что инновационные идеи проигрывают простому бизнесу по экономическим показателям. Несомненно, положительная динамика в производстве отечественных электронных компонент есть.

На основе имеющегося опыта разработок и анализа рынка российских электронных компонентов можно предложить структуру гелиевого течеискателя с максимальным использованием отечественных элементов.

Структура течеискателя

Основу электроники составляет новая разработка Центра Проектирования российской компании ЗАО "ПКК Миландр" 1986ВЕ4У – 32-разрядный RISC-микроконтроллер с ядром ARM Cortex-M0 и 8-канальным 24-разрядным ∑Δ АЦП. Микроконтроллер обеспечивает сбор данных с датчиков их первичную обработку информации в реальном времени и управление отдельными узлами течеискателя. К микроконтроллеру можно подключить через специальные формирователи датчики температуры и давления, а также формировать токи и напряжения для питания анализатора течеискателя. К основному контроллеру через внутренний интерфейс RS485 подключается электрометрический усилитель. К сожалению на российском рынке нет отдельных микросхем 24 –разрядных АЦП, поэтому предлагается использовать микросхему 1986ВЕ4У для измерения сигнального тока анализатора, несмотря на его функциональную избыточность. В качестве преобразователя тока в электрометрических усилителях обычно используются специализированные прецизионные операционные усилители со сверхмалыми входными токами. На отечественном рынке в настоящее время им нет замены без потери в качестве измерений. К внутреннему интерфейсу подключается контроллер управления турбомолекулярным насосом. Используемая в производимых устройствах схема управления может быть адаптирована под использование отечественного контроллера 1887BE3Т программно совместимым с используемым.

В качестве многофункционального пульта управления и мониторинга предлагается использовать панельный компьютер ПКМ-02 производства ЗАО «НПФ «ДОЛОМАНТ». Компьютер изготовлен на базе процессора Intel Atom E6xxT, 1,6 ГГц имеет диагональ экрана 8,4", разрешение сенсорного экрана 800х600, степень защиты корпуса: IP65 , диапазон рабочих температур: от -30°С до +60°. Остальные, используемые в течеискателе элементы, могут быть заменены либо на отечественные, либо на комплектующие, относящиеся к бытовой технике, но в индустриальном исполнении.

Предлагаемая структура показывает возможность достижения показателей 2020 года по использованию отечественно комплектации в вакуумной технике, при достаточной государственной поддержке, уже сейчас.

В заключение отметим, что именно отечественные течеискатели, в том числе и НПФ «Прогресс», могут стать основой инновационной вакуумной техники. Передовые технологии в сочетании с современными программными средствами и методиками проведения испытаний позволят создавать уникальные устройства для решения нестандартных задач и повышения производительности труда в высокотехнологичных и наукоемких производствах.