Hvordan bygge en Vacuum Spring-transport Package for Spinning Rotor Gauges
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
Den roterende rotor måleren (SRG) er et høy-vakuummåler ofte brukt som et sekundært eller overføringsstandard for vakuumtrykk i området fra 1,0 x 10 -4 Pa 1,0 Pa. Ved denne anvendelse blir de SRGs ofte transportert til laboratoriet for kalibrering. Hendelser kan oppstå under transport som endrer rotor overflateforhold, og dermed endre kalibreringsfaktoren. For å sikre stabilitet kalibrering, er et fjærtransportmekanisme som ofte brukes for å immobilisere rotoren og holde den under vakuum under transport. Det er også viktig å transportere den fjærtransportmekanismen ved hjelp av emballasjen er utformet for å minimere risikoen for skader under transport. I dette manuskriptet, er en detaljert beskrivelse gitt om hvordan å bygge en robust fjærtransportmekanisme og container. Sammen danner disse en fjærtransportpakke. Den fjær transport pakken design ble testet ved bruk av drop-tester og resultatene ble funnet å være utmerket. Den nåværende fjær transport mekanisme design holder rotoren immobiliserte når de opplever sjokk av flere hundre g (g = 9,8 m / sek 2 og er akselerasjonen på grunn av tyngdekraften), mens transportbeholderen sikrer at mekanismen ikke vil oppleve støt større enn omtrent 100 g i løpet av vanlig frakt uhell (som definert av bransjestandarder).
Introduction
Den roterende rotor måleren (SRG) er en høy-vakuum-måler anvendt for å bestemme vakuumtrykk i området fra 1,0 x 10 -4 Pa 1,0 Pa. Det er fundamentalt en roterende stålkule som er opphengt mellom to permanentmagneter. Elektro-magneter brukes til å rotere, eller "spin-up", ballen til en viss frekvens (typisk 410 Hz); erte tillates så å rotere fritt, men rotasjonshastigheten vil avta over tid på grunn av kollisjoner med gassmolekyler i vakuumsystemet med kuleoverflaten. Vakuum trykk er således knyttet til retardasjonshastighet av stål ball eller rotor Figur 1 viser de grunnleggende elementene i SRG:. Rotoren, fingerbøl, leder med tilkoblingskabel og elektroniske kontroller. Rotoren, eller ball, er inneholdt i hylsen under drift, og er normalt ikke håndteres av og heller ikke er synlig for brukeren SRG. Hylsen er koblet til vakuumsystemet. For å betjene SRG, er hodet gled over fingerbøl. DeHodet inneholder to permanente magneter og flere sett med trådspoler som benyttes for vertikal og horisontal stabilisering, å drive rotoren, og avføling av rotasjon. Den elektroniske kontrolleren tolker signalet fra føler spolen, slik at en trykkmåling kan foretas. For en rotor med ideelle overflateforhold, er det retardasjonsgrad knyttet til vakuumtrykket med grunnleggende fysikk. For å gjøre absolutte trykkmålinger ved bruk av et SRG, en kalibreringsfaktor, kjent som den effektive overnatting koeffisient, må bestemmes. Den effektive overnatting koeffisient er avhengig av de virkelige overflateforholdene på rotoren, slik som ruhet, adsorberte gasser, og riper. Disse faktorene har en tendens til å være stabile i løpet av bruken. Ytterligere detaljer SRGs kan finnes i andre referanser 1 -. 3
Den SRG brukes i applikasjoner der absolutte vakuum målinger er nødvendige. For eksempel, kalibreringslaboratorier oftebruke SRGs som et absolutt vakuum standard. I dette tilfellet er høy-vakuummålere kalibrert ved å sammenligne deres lesing til den av SRG. I sin tur, må SRG standard regelmessig kalibreres ved forsendelse av SRG til en primær kalibreringslaboratorium for å ha sin overnatting koeffisient re-bestemt. Primære kalibreringslaboratorier er vanligvis National Metrology Institutes som for eksempel National Institute of Standards and Technology (NIST). Den primære lab bestemmer SRG overnatting koeffisient ved å sammenligne sin lesing til en primær vakuum standard, og deretter returnerer SRG til "sekundær" kalibrering lab. Den SRG er også brukt som en overføring standard for sammenligning av standarder mellom kalibreringslaboratorier eller nasjonale Metrology Institutes. I dette programmet, er SRG transporteres innenlands eller internasjonalt mellom de ulike laboratoriene 4 -. 8 Under forsendelse, kan det oppstår hendelser som endring boligen koeffisient. Før shipment, rotoren må være de-suspendert og hodet er fjernet; rotoren hviler da på den indre vegg av hylsen. Under transport, er rotorens overflate kan endres fra den mekaniske påvirkning mellom rotoren og hylsen på grunn av vibrasjoner og støt, eller overflaten kan endres på grunn av eksponering av rotoren til atmosfærisk gass og fuktighet. Disse endringene påvirker den langsiktige stabiliteten i boligen koeffisient. Ideelt sett bør rotoren forbli i vakuum og immobilisert under transport.
Historisk SRGs har blitt brukt som overføringsstandarder i viktige sammenligninger av vakuum standarder blant nasjonale metrologi institutter, hvor SRGs er internasjonalt transportert mange ganger mellom de ulike instituttene. 9 Under en tidlig nøkkel sammenligning ble det funnet at den langsiktige stabiliteten i SRG innkvartering koeffisienten kan forbedres ved å benytte en fjærtransportmekanisme som både immobilisert rotoren og holdt den under vakuum during transport. 1,10 Siden den gang har den fjærtransportmekanismen blitt brukt mange ganger i internasjonale nøkkel sammenligninger. En nylig studie av de historiske data viste at 90% av disse sammenligningene hadde stabiliteter bedre enn 0,75%, og 70% hadde stabiliteter på 0,5%. 9. Derfor, ved hjelp av en fjærtransportmekanisme vil i de fleste tilfeller gir en stabilitet som er mer enn tilstrekkelig for de fleste bruksområder.
Inntil nå har det vært lite veiledning i litteraturen om hvordan å bygge en fjærtransportmekanisme. Tidlige versjoner av disse enheter har vært kjent for å svikte for fullstendig å immobilisere rotoren, på grunn av en kombinasjon av å være utilstrekkelig utformet for robusthet, og blir skadet under transport. Disse tidlige erfaringene viser at det er viktig både for å bygge et robust fjærtransportmekanisme, og du skal pakke det på en måte som minimerer støt under transport. Dette senere tidspunkt er kritisk, men ofte oversett. Her vil vi describe byggingen av en robust fjærtransportmekanisme i tillegg til en riktig konstruert transportpakke. Vår design er basert på noen enkle, velprøvde, tekniske prinsipper som muliggjør bygging av en holdbar fjærtransportpakke som minimerer muligheten for svikt under transport. Vi beskriver også våre tester av robustheten vår design. Ytterligere detaljer om testmetoder kan finnes i Fedchak et al. (2015). 11
Protocol
Representative Results
Discussion
Målet var å utforme en fjærtransportmekanisme med en tilstrekkelig holdekraft, slik at rotoren vil forbli ubevegelig under transport. Å utforme en robust fjærtransportmekanismen er ikke tilstrekkelig til å sikre at rotoren forblir immobilisert på grunn, for eksempel fall i mekanismen fra høy høyde på et hardt underlag kan produsere et enormt sjokk. Den kraft på rotoren kan bli sterkt redusert ved å pakke den fjærtransportmekanismen slik at den forsiktig bremser over en avstand inne i pakningen, for derved ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne er takknemlige for hjelp av NIST nøytron bildestudio instrument forskeren Dr. Daniel Hussey for å hjelpe oss med nøytron røntgen.
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. |
References
- 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).
