Hur man bygger en vakuumFjädertransportförpackning för Spinning Rotor Mätare
Summary
Here we describe how to build a robust spring-transport mechanism for a spinning rotor gauge. This device securely immobilizes the rotor and keeps it under vacuum during transportation. We also describe packaging that minimizes the risk of damage during transport. Tests show our design works for typical shocks during transport.
Abstract
Spinnrotormätare (SRG) är en hög vakuummätare används ofta som en sekundär eller överföringsstandard för vakuumtryck i storleksordningen 1,0 x 10 -4 Pa till 1,0 Pa. I denna applikation är SRGS ofta transporteras till laboratorier för kalibrering. Händelser kan inträffa under transport att ändra villkoren rotorytan, på så sätt att ändra kalibreringsfaktorn. För att tillförsäkra kalibreringsstabilitet är en fjäder-transportmekanism som ofta används för att immobilisera rotorn och hålla den under vakuum under transport. Det är också viktigt att transportera den fjädertransportmekanismen genom att använda förpackningar utformade för att minimera risken för skador under transporten. I detta manuskript, är en detaljerad beskrivning ges om hur man bygger en robust mekanism fjäder transport och transportbehållare. Tillsammans bildar dessa en fjädertransportförpackning. Fjädertransportförpackningsdesign testades med drop-test och resultatet visade sig vara utmärkt. Föreliggande fjäder transpOrt mekanismer håller rotorn immobiliserade när upplever störningar av flera hundra g (g = 9,8 m / sek 2 och är tyngdaccelerationen), medan transportbehållaren säkerställer att mekanismen inte kommer att uppleva störningar större än ca 100 g under gemensamt fraktmissöden (enligt definitionen i industristandarder).
Introduction
Spinnrotormätare (SRG) är en hög vakuummätare som används för att bestämma vakuumtryck i storleksordningen 1,0 x 10 -4 Pa till 1,0 Pa. Det är i grunden en roterande stålkula som är upphängd mellan två permanentmagneter. Elektromagneter används för att rotera, eller "spin-up", bollen till viss frekvens (typiskt 410 Hz); bollen tillåts sedan att rotera fritt, men rotationshastigheten kommer att minska med tiden på grund av kollisioner mellan gasmolekyler i vakuumsystemet med kulans yta. Undertryck är således relaterad till inbromsningstakten av stålkulan eller rotor Figur 1 visar de väsentliga delarna av SRG:. Rotorn, fingerborg, huvud med anslutningskabel och elektronisk styrenhet. Rotorn, eller boll, finns inuti den fingerborg under drift och är normalt inte hanteras av heller är synlig för SRG användaren. Hylsan är ansluten till vakuumsystemet. För att manövrera SRG, är huvudet träs över fingerborg. Dehuvudet innehåller två permanentmagneter och flera uppsättningar av trådspolar som används för vertikal och horisontell stabilisering, driver rotorn, och avkänning av rotation. Den elektroniska styrenheten tolkar signalen från den avkännande spolen så att en tryckmätning kan göras. För en rotor med ideala ytförhållanden är retardationen i samband med vakuumtryck genom grundläggande fysik. För att göra absoluta tryckmätningar med hjälp av en SRG, en kalibreringsfaktor, känd som den effektiva boende koefficienten skall bestämmas. Den effektiva boende Koefficienten beror på de verkliga ytförhållanden hos rotorn, såsom råhet, adsorberade gaser och repor. Dessa faktorer tenderar att vara stabil under loppet av dess användning. Ytterligare detaljer hos SRGS kan hittas i andra referenser 1 -. 3
SRG används i applikationer där det krävs absoluta vakuum. Till exempel, kalibreringslaboratorier oftaanvända SRGS som en absolut vakuum standard. I detta fall är hög vakuummätare kalibreras genom att jämföra sin läsning än den SRG. I sin tur måste SRG standard regelbundet kalibreras genom att sända den SRG till en primär kalibreringslaboratorium att få sin boende koefficient på nytt fastställas. Primära kalibreringslaboratorier är oftast nationella metrologiska institut såsom National Institute of Standards and Technology (NIST). Den primära lab bestämmer SRG boende koefficienten genom att jämföra sin behandling till en primär vakuum standard, och sedan återgår SRG till "sekundära" kalibreringslabb. SRG används också som en överföringsstandard för jämförelse av standarder mellan kalibreringslaboratorier eller nationella metrologiska institut. I denna ansökan är SRG transporteras nationellt eller internationellt mellan de olika laboratorierna 4 -. 8 Under transporten kan händelser som förändring boendet koefficienten. Före shipment, rotorn måste de-suspenderas och huvudet avlägsnas; rotorn vilar sedan på den inre väggen av fingerborg. Under transport, är rotorytan ändras från den mekaniska verkan mellan rotorn och hylsan på grund av vibrationer och stötar, eller ytan kan ändras på grund av exponeringen av rotorn atmosfärisk gas och fukt. Dessa förändringar påverkar den långsiktiga stabiliteten av boendet koefficienten. Helst ska rotorn kvar i vakuum och immobiliseras under transport.
Historiskt sett har SRGS använts som överföringsstandarder inom viktiga jämförelser av vakuum standarder hos nationella metrologiska institut, där SRGS är internationellt transporteras många gånger mellan de olika institut. 9 Under en tidig nyckel jämförelse visade det sig att den långsiktiga stabiliteten i SRG boende koefficienten kan förbättras genom att utnyttja en fjädertransportmekanism vilken både immobiliserade rotorn och hållit det under vakuum dnder transport. 1,10 Sedan dess har mekanismen fjäder transport använts många gånger i internationella nyckel jämförelser. En nyligen genomförd studie av de historiska data visade att 90% av dessa jämförelser hade stabiliteter bättre än 0,75%, och 70% hade stabiliteter av 0,5%. 9 Därför, med hjälp en fjädertransportmekanism kommer i de flesta fall, ge en stabilitet som är mer än tillräckligt för de flesta applikationer.
Hittills har det funnits lite vägledning i litteraturen om hur man bygger en fjädertransportmekanism. Tidiga versioner av dessa anordningar har varit kända för att inte helt immobilisera rotorn, på grund av en kombination av att vara otillräckligt konstruerad för robusthet, och blir skadad under transporten. Dessa tidiga lärdomar visar att det är viktigt både för att bygga en robust mekanism fjäder transport, och att ordentligt paketera det på ett sätt som minimerar stötar under transport. Denna senare punkt är kritisk men ofta ignoreras. Här kommer vi att describe byggandet av en robust mekanism fjäder transport utöver en korrekt konstruerade transportförpackning. Vår design är baserad på några enkla, testade, tekniska principer som gör det möjligt att bygga en hållbar fjädertransportpaket som minimerar risken för fel under transporten. Vi beskriver också våra tester av robusthet i vår design. Ytterligare detaljer om de testmetoder kan hittas i Fedchak et al. (2015). 11
Protocol
Representative Results
Discussion
Målet var att utforma en mekanism fjäder transport med en tillräcklig hållkraft så att rotorn skulle förbli immobiliserade under transporten. Utforma en robust mekanism fjäder transport är inte tillräckligt för att försäkra rotorn förblir immobiliserade eftersom till exempel släppa mekanismen från höga höjd på ett hårt underlag kan ge en enorm chock. Kraften på rotorn kraftigt kan minskas genom att förpacka den fjädertransportmekanismen så att den försiktigt retarderar över ett avstånd inuti f?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna är tacksamma för den hjälp av NIST neutron imaging anläggning instrument forskaren Dr Daniel Hussey för att hjälpa oss med neutron röntgenbilderna.
Materials
| Spring, 3 N/m | Lee Spring (www.leespring.com) | LC 042C 18 S316 | Outside diameter 0.240 in, Wire Diameter 0.042 in, Rate 17.1 lb/in, Free Length 2.25 in, Number of Coils 29.3 |
| 8-32 threaded rod, 316 stainless steel | McMaster-Carr (www.mcmaster.com) | 90575A260 | Type 316 Stainless Steel Fully Threaded Stud 8-32 Thread, 3" Length. Cut to length specified in protocol |
| standoffs, 8-32 Screw Size | McMaster-Carr (www.mcmaster.com) | 91125A140 | 18-8 Stainless Steel Female Threaded Round Standoff, 1/4" OD, 1/4" Length, 8-32 Screw Size |
| nuts, 8-32 | McMaster-Carr (www.mcmaster.com) | 90205A309 | 316 SS Undersized Machine Screw Hex Nut 8-32 Thread Size, 1/4" Width, 3/32" Height |
| Split Lock-Washers, 316 Stainless Steel | McMaster-Carr (www.mcmaster.com) | 92147A425 | Type 316 Stainless Steel Split Lock Washer NO. 8 Screw Size, .3" OD, .04" min Thick |
| Steel Rotor | McMaster-Carr (www.mcmaster.com) | 9292K38 | Bearing-Quality E52100 Alloy Steel, Hardened Ball, 4.5 mm Diameter |
| Right-Angle Valve | VAT Valve (www.vatvalve.com) | 54132-GE02-0001 | Easy-close all-metal angle valve, DN 40 (1.5") |
| Shipping Container | Allcases, Reekstin & Associates (www.allcases.com) | REAL1616-1205 | Zinc Hardware w/Zinc Handles, Rotationally Molded, light-weight, high-impact, Polyethylene Case with protected recessed hardware. 15.75" X 15.88" X 16.45" |
| Ester Foam | Carry Cases Plus (www.carrycasesplus.com) | ES-PAD 3" Thick | 3" Thick, 2lb Charcoal Ester Foam Pad, 24" x 27". |
| Ester Foam | Carry Cases Plus (www.carrycasesplus.com) | ES-PAD 1" Thick | 1" Thick, 2lb Charcoal Ester Foam Pad, 24" x 27". |
| Egg-carton ester foam | Carry Cases Plus (www.carrycasesplus.com) | ES-CONV | ES-CONV, 2lb, 24" x 27" x 1 1/2". "egg-crate" ester foam. |
| Foam Cutout, PE foam | Willard Packaging Co. (www.willardpackaging.com) | Custom Foam Cutout. | |
| Spinning Rotor Gauge | MKS Instruments (www.mks.com) | SRG-3 | Controller, head, and thimble. Custom thimble must be used for the spring-transport mechanism |
| Custom thimble | MDC vacuum Inc. (www.mdcvacuum.com) | drawing must be submitted for custom part | |
| Detergent | Fisher Scientific Co (www.fischersci.com) | 04-320-4 | Sparkleen 1 Detergent |
| Acetone | Fisher Scientific Co (www.fischersci.com) | A18-S4 | Acetone (Certified ACS) |
| Ethanol | Warner-Graham Company (www.warnergraham.com) | 190 proof USP | 190 Proof USP ethyl alcohol |
| Bolt set for valve | Kurt J. Lesker (www.lesker.com) | TBS25028125P | B,N&W SET,12 POINT,(25)1/4-28X 1.25"FOR 2.75"THRU,SILVER PLAT |
| Silver-plated copper gaskets | Kurt J. Lesker (www.lesker.com) | GA-0275LBNSP | |
| Spring Assembly (welding) | Omley Industries, Inc. (www.omley.com) | N/A | The machine work and welding were done in NIST's shop. However, Omley industries was used as an alternative for welding the spring assembly. |
Riferimenti
- Fremerey, J. K. The spinning rotor gauge. J. Vac. Sci. Technol. A. 3 (3), 1715-1720 (1985).
- Jousten, K., Jousten, K. Chapter 13, Total Pressure Vacuum Gauges. Handbook of Vacuum Technology. , 573-583 (2008).
- Berg, R. F., Fedchak, J. A. NIST Calibration Services for Spinning Rotor Gauge Calibrations. NIST Special Publication. , 250-293 (2015).
- Messer, G., et al. Intercomparison of Nine National High-vacuum Standards under the Auspices of the Bureau International des Poids et Mesures. Metrologia. 26, 183-195 (1989).
- Jousten, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Results+of+the+regional+key+comparison+Euromet.M.P-K1.b+in+the+pressure+range+from+3+x+10-4+Pa+to+0.9+Pa.”>Results of the regional key comparison Euromet.M.P-K1.b in the pressure range from 3 x 10-4 Pa to 0.9 Pa. Metrologia. 42 (1A), 07001 (2005).
- Jousten, K., Santander Romero, L. A., Torres Guzman, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Results+of+the+key+comparison+SIM-Euromet.M.P-BK3+(bilateral+comparison)+in+the+pressure+range+from+3+x+10-4+Pa+to+0.9+Pa.”>Results of the key comparison SIM-Euromet.M.P-BK3 (bilateral comparison) in the pressure range from 3 x 10-4 Pa to 0.9 Pa. Metrologia. 42 (1A), 07002 (2005).
- Yoshida, H., Arai, K., Akimichi, H., Hong, S. S., Song, H. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Final+report+on+key+comparison+APMP.M.P-K3:+Absolute+pressure+measurements+in+gas+from+3+x+10-6+Pa+to+9+x+10-4+Pa.”>Final report on key comparison APMP.M.P-K3: Absolute pressure measurements in gas from 3 x 10-6 Pa to 9 x 10-4 Pa. Metrologia. 48 (1A), 07013 (2011).
- Fedchak, J. A., Bock, T. h., Jousten, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bilateral+key+comparison+CCM.P-K3.1+for+absolute+pressure+measurements+from+3+x+10-6+Pa+to+9+x+10-4+Pa.”>Bilateral key comparison CCM.P-K3.1 for absolute pressure measurements from 3 x 10-6 Pa to 9 x 10-4 Pa. Metrologia. 51 (1A), 07005 (2014).
- Fedchak, J. A., Arai, K., Jousten, K., Setina, J., Yoshida, H. Recommended practices for the use of spinning rotor gauges in inter-laboratory comparisons. Measurement. 66, 176-183 (2015).
- Rohl, P., Jitschin, W. Performance of the spinning rotor gauge with a novel transport device as a transfer standard for high vacuum. Vacuum. 38 (7), 507-509 (1988).
- Fedchak, J. A., Scherschligt, J., Sefa, M., Phandinh, N. Building a spring-transport package for spinning rotor gauges. J. Vac. Sci. Technol. A. 33 (3), (2015).
- Hussey, D. S., Jacobson, D. L., Arif, M., Coakley, K. J., Vecchia, D. F. In Situ Fuel Cell Water Metrology at the NIST Neutron Imaging Facility. J. Fuel Cell Sci. Technol. 7 (2), 021024 (2010).
- Chang, R. F., Abbott, P. J. Factors affecting the reproducibility of the accommodation coefficient of the spinning rotor gauge. J. Vac. Sci. Technol. A. 25 (6), 1567-1576 (2007).
