Como construir um pacote Spring-transporte a vácuo para Spinning Rotor Gauges

Resumo

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.

Resumo

O manómetro de rotor de fiação (PRE) é um indicador de vácuo elevado, muitas vezes utilizado como um padrão secundário ou transferência para pressões de vácuo no intervalo de 1,0 x 10 ^-4 Pa a 1,0 Pa. Nesta aplicação, os SRGs são frequentemente transportados para laboratórios para calibração. Os eventos podem ocorrer durante o transporte que altere as condições da superfície do rotor, alterando assim o factor de calibração. Para garantir a estabilidade de calibração, um mecanismo de mola-transporte é frequentemente utilizado para imobilizar o rotor e mantê-lo sob vácuo durante o transporte. É também importante para o transporte do mecanismo de mola-transporte utilizando a embalagem concebida para minimizar o risco de danos durante o transporte. Neste manuscrito, uma descrição detalhada é dada sobre como construir um mecanismo de mola-transporte robusto e contêiner de transporte. Juntos, estes formam um conjunto de mola-transporte. O design da embalagem primavera-transporte foi testado utilizando ensaios de quedas eo desempenho foi considerado excelente. O presente primavera-transport desenho mecanismo mantém o rotor imobilizada quando experimentando choques de várias centenas de g (g = 9,8 m / seg ² e é a aceleração devido à gravidade), enquanto o contentor de transporte assegura que o mecanismo não irá experimentar choques superior a cerca de 100 g durante comum acidentes de transporte (conforme definido pelos padrões da indústria).

Introdução

O manómetro de rotor de fiação (PRE) é um indicador de vácuo elevado usadas para determinar as pressões de vácuo no intervalo de 1,0 x 10 ^-4 Pa a 1,0 Pa. Trata-se, fundamentalmente, uma esfera de aço de rotação que é suspensa entre dois magnetos permanentes. Eletro-ímãs são usados ​​para girar ou "spin-up", a bola para alguma frequência (tipicamente 410 Hz); a esfera é então permitida a rodar livremente, mas a taxa de rotação irá diminuir ao longo do tempo devido a colisões das moléculas de gás no sistema de vácuo com a superfície da bola. Pressão de vácuo é, portanto, relacionado com a taxa de desaceleração da bola de aço ou rotor A Figura 1 mostra os elementos essenciais da SRG:. Rotor, dedal, cabeça com cabo de ligação, e controlador eletrônico. O rotor, ou uma esfera, está contida dentro do dedal durante a operação e, normalmente, não é tratado por nem é visível para o utilizador SRG. O cone está ligado ao sistema de vácuo. Para operar o SRG, a cabeça é deslizado sobre o dedal. ocabeça contém dois magnetos permanentes e de vários conjuntos de bobinas de fio utilizado para a estabilização vertical e horizontal, acciona o rotor, e detectando a rotação. O controlador electrónico interpreta o sinal da bobina de detecção de modo que uma medição de pressão pode ser feito. Para um rotor com as condições ideais de superfície, a taxa de desaceleração está relacionada com a pressão de vácuo por física fundamental. Para fazer as medições de pressão absoluta utilizando um SRG, um factor de calibração, conhecido como o coeficiente de acomodação eficaz, tem de ser determinado. O coeficiente de acomodação eficaz depende das condições reais da superfície do rotor, tal como a rugosidade, os gases adsorvidos e arranhões. Estes factores tende a ser estável ao longo do decurso da sua utilização. Detalhes adicionais de SRGs pode ser encontrada em outras referências ^1-3.

O PRE é utilizado em aplicações em que são necessárias medições de vácuo absoluto. Por exemplo, laboratórios de calibração, muitas vezesusar SRGs como um padrão vácuo absoluto. Neste caso, medidores de alto vácuo são calibrados por comparação da sua leitura a que da SRG. Por sua vez, o padrão SRG deve ser calibrado periodicamente por transportar o SRG para um laboratório de calibração primário ter o seu coeficiente de alojamento re-determinado. laboratórios de calibração primários são geralmente institutos nacionais de metrologia, como o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST). O laboratório primária determina o coeficiente de acomodação SRG, comparando sua leitura a um padrão de vácuo primário e, em seguida, retorna a SRG para o laboratório de calibração "secundário". A SRG também é usado como um padrão de transferência de comparação de padrões entre os laboratórios de calibração ou institutos nacionais de metrologia. Nesta aplicação, a SRG é transportado nível nacional ou internacional entre os vários ^{laboratórios. 4 - 8} Durante o transporte, os eventos podem ocorrer que a mudança do coeficiente de acomodação. Antes shipment, o rotor deve ser de-suspenso e a cabeça é removida; o rotor, em seguida, assenta sobre a parede interior do casquilho. Durante o transporte, a superfície do rotor está sujeita a alteração da acção mecânica entre o rotor e o dedal devido às vibrações e choques, ou a superfície pode mudar devido à exposição do rotor a gás atmosférico e da humidade. Estas alterações afectam a estabilidade a longo prazo do coeficiente de alojamento. Idealmente, o rotor deve permanecer em vácuo e imobilizada durante o transporte.

Historicamente, SRGs foram utilizados como padrões de transferência em comparações chave de padrões de vácuo entre institutos nacionais de metrologia, onde SRGs são transportados internacionalmente muitas vezes entre os vários institutos. ⁹ Durante uma comparação chave precoce, verificou-se que a estabilidade a longo prazo do SRG coeficiente de acomodação poderia ser melhorada através da utilização de um mecanismo de mola-transporte que tanto imobilizado o rotor e manteve-o sob vácuo durante o transporte. ^1,10 Desde então, o mecanismo de mola-transporte tem sido utilizado muitas vezes em comparações chave internacionais. Um estudo recente dos dados históricos mostrou que 90% destas comparações tinha estabilidades melhor do que 0,75%, e 70% tinham estabilidades de 0,5%. ⁹ Portanto, usando um mecanismo de mola-transporte irá, na maioria dos casos, obter uma estabilidade que é mais do que suficiente para a maioria das aplicações.

Até agora, tem havido pouca orientação na literatura sobre como construir um mecanismo de mola-transporte. As primeiras versões destes dispositivos têm sido conhecida a falhar para imobilizar completamente o rotor, devido a uma combinação de ser suficientemente projetado para robustez e seja mal utilizado durante o transporte. Estas lições iniciais mostram que é importante tanto para construir um mecanismo de mola-transporte robusto e empacotá-lo corretamente em uma maneira que minimiza choque durante o transporte. Este ponto posterior é fundamental, mas muitas vezes ignorado. Aqui vamos describPT A construção de um mecanismo de mola-transporte robusta para além de um pacote de transporte de construção adequada. Nosso projeto é baseado em alguns princípios simples, testado de engenharia que possibilitam a construção de um conjunto de mola-transporte durável que minimiza a possibilidade de falha durante o transporte. Descrevemos também nossos testes de robustez do nosso projeto. Detalhes adicionais dos métodos de ensaio podem ser encontrados em Fedchak et ai. (2015). ¹¹

Protocolo

Peças 1. Procuradoria não-personalizadas para o mecanismo de transporte Primavera

1. Adquirir as molas, haste de rosca, espaçadores, porcas e arruelas. Esses itens são listados na Lista de materiais específicos / Equipamentos. Comprar as molas e suportes antes da fabricação titular da bola. Usar 18-8 aço inoxidável (excepto 303), ou preferencialmente aço inoxidável 316, para todos os materiais.
2. Adquirir rotor. O rotor é um 4,5 mm de rolamento de esferas de diâmetro feito de 440C aço inoxidável ou E52100 ligas de aço.
3. Adquirir a válvula de ângulo reto listado na Lista de materiais específicos / Equipamentos.

2. Materiais obter para o Shipping Container

1. Adquirir o contêiner de transporte. Use rotacionalmente-moldado, polietileno casos schnaps com recessos protegidas uma vez que estes eram o tipo de casos que foram testados com sucesso. O caso na Lista de materiais específicos / equipamento atende aos requisitos mínimos de espaço interior.
2. ProcUre a embalagem de espuma.
   1. 2 Adquirir # (32 kg / m ³⁾ de poliuretano (éster) de espuma. Comprar o suficiente para encher de espuma de éster de a parte superior e inferior do contentor de transporte. Comprar um pedaço de 5 cm de espuma de éster de ovo-caixa.
   2. Adquirir 2 espuma # (PE) de polietileno que é 7,6 cm de espessura e tem uma área grande o suficiente para cobrir a largura e profundidade do contentor de transporte.

3. Aquisição e fabricação de peças sob encomenda para o mecanismo de mola-transporte

Nota: desenhos exemplo de peças personalizadas descritas nesta seção são apresentados nas Figuras 2-4.

1. Produzir e enviar desenhos para fornecedor personalizado ou in-house loja para fabricar o medidor de rotor girando (SRG) dedal / flange. Dimensões críticas são apresentados na Figura 2. O fabricante personalizado deve estar familiarizado com as técnicas de fabricação ultra-alto vácuo (UHV). O cone é relativamente simples de fabricar umND está bem dentro da capacidade de muitas empresas de componentes de vácuo.
2. Adquirir os dentes que prendem a cabeça SRG ao flange (ver Figura 1). Estes podem ser removidos do conjunto do dedal / flange comercial SRG que vem com a unidade de controlo electrónico SRG. Cada dente é mantida no lugar por um único parafuso (tipicamente uma cabeça de encaixe hexagonal métrica) com uma arruela de pressão, e pode ser removido desaparafusando usando a chave apropriada (tal como uma chave sextavada métrica).
   1. Em alternativa, fabricar esses pelo mesmo fornecedor fornecer o dedal / flange como no passo anterior, mas as técnicas de fabricação de ultra-alto vácuo não precisa de ser seguido. Faça cópias exatas dos dentes SRG comerciais.
3. Produzir e enviar desenhos para o adaptador simples para conectar o pino M6 na válvula de ângulo direito a um parafuso prisioneiro 8-32 all-thread (hardware padrão americano). Veja a Figura 3.
4. Produzir e apresentar desenhos para a fabricação do suporte da esfera. Critical dimensões são dadas na Figura 4. Fabricar suporte de aço inoxidável 316L da bola de acordo com as técnicas de fabricação UHV. Tack soldar o suporte de bola para uma extremidade de uma mola. Solde a outra extremidade da mola para o impasse. Limpe todas as peças de acordo com o procedimento de limpeza se na secção 5.
5. Corte o garanhão 8-32 all-thread para um comprimento de 18 mm e limpo como descrito no capítulo 5.

4. Fabricação de Personalizado espuma Cut-out

1. Faça um recorte para o mecanismo de mola-transporte na espuma PE. Siga os contornos do conjunto da válvula, tanto quanto possível. Fazer isso manualmente, usando uma faca afiada; Alternativamente, o contorno pode ser profissionalmente cortado por um fornecedor de embalagens.
2. Use as dimensões da válvula dada pelo fabricante da válvula e as dimensões dedal / flange dadas na Figura 2. Cortar o espaço para o dedal grande o suficiente para acomodar os dentes (1,5 cm x 3,8 cm).

5. Limpeza dos componentes de vácuo

1. Limpe todos os componentes de vácuo para ultra-alto vácuo (UHV) antes da montagem. O nosso procedimento de limpeza recomendado é o seguinte.
   1. Lidar com peças de vácuo usando nitrílica, látex ou luvas de vinil. Não toque com as mãos desprotegidas.
   2. Limpe as peças utilizando um detergente suave (como listado na lista de materiais / equipamentos) dissolvido em água destilada ou deionizada e um pano que não solte fiapos.
   3. Coloque as peças em um banho de detergente suave dissolvido em água destilada ou deionizada e coloque em um limpador ultra-sônico por 20 min.
   4. peças lavar abundantemente com água destilada ou deionizada.
   5. Cubra peças com acetona e lugar em um limpador ultra-sônico por 20 min.
   6. Retirar as peças a partir de acetona. Cubra peças com etanol e lugar em um limpador ultra-sônico por 20 min.
   7. Retirar as peças a partir de etanol. Enxaguar abundantemente com água destilada ou deionizada.
   8. Soprar as partesseca com azoto seco ou ar seco e limpo.
   9. Vamos peças de ar seco em uma qualidade de pano que não solte fiapos de sala limpa, durante 24 horas.

6. Montar o mecanismo de mola-transporte

1. Durante a montagem, use luvas de borracha nitrílica, vinil ou látex. Não toque nas peças de vácuo com as mãos.
2. Reunir as ferramentas necessárias: alicate de ponta fina, tomada cabeça de driver para 8-32 porca, chave para o adaptador, régua ou paquímetro. Limpe o governante / micrômetro com etanol; limpar todas as outras ferramentas que utilizam o procedimento na etapa 5.
3. Recolher as peças necessárias: o conjunto da válvula, dedal, rolamento de esferas, bola titular / nascente (veja o passo 3.5), 18 mm de comprimento 8-32 parafuso prisioneiro, adaptador de rosca, porcas, e lock-lavadoras, 3 mm chave Allen e mascaramento fita. Veja a Figura 5.
4. Assembléia mecanismo de mola-Transport:
   1. Totalmente fechar a válvula em ângulo reto girando no sentido horário até que ele pare.
   2. Olhando através das portas da válvula, identificar o parafuso prisioneiro centere M6d na sede da válvula.
   3. Dane-se o adaptador confortavelmente no pino M6. Insira uma chave ou um alicate limpo UHV através da porta para obter o adaptador como confortável possível.
   4. Insira 8-32 pino na outra extremidade do adaptador. Aperte como confortavelmente possível. O 8-32 parafuso prisioneiro se estenderá até o adaptador e empurrar o pino M6.
   5. Coloque lock-arruela de 8-32 parafuso prisioneiro e, em seguida, uma porca. Aperte a porca usando um driver de soquete limpa ou um alicate. A válvula pode ser fechada durante este passo para tornar mais fácil o aperto.
   6. Coloque uma porca no 8-32 garanhão. Ligá-lo até quase tocar a porca na outra extremidade. Coloque a anilha de segurança em 8-32 garanhão.
   7. Anexar primavera / bola titular ao 8-32 parafuso prisioneiro pelo impasse. Vire o impasse até que ele está tocando o lock-máquina de lavar.
      Nota: O procedimento a seguir descreve como verificar o ajuste de comprimento do conjunto de mola, veja a Figura 6.
   8. Coloque o rotor no dedal personalizado e prenda-o com um ímã (de acommercial SRG), colocando-o na extremidade do dedal e fixando-a com fita adesiva. O rotor está agora na extremidade do casquilho.
   9. Deslize dedal sobre a mola / bola titular, parar quando o titular bola a tocar na bola. Medir a folga entre a flange da válvula e da flange dedal, como na Figura 6.
      1. Se a diferença é na gama de 2 mm a 6 mm, avance para o passo 6.4.10.2). Uma abertura nominal de 3 mm é ideal, mas uma lacuna na gama é de 2 mm a 6 mm suficiente. Uma diferença menor do que 2 mm não é aceitável.
      2. Remova o conjunto do dedal / flange e reserve. Se a diferença era menor do que 2 mm, gire o impasse para a esquerda para fazer a diferença maior. Se a diferença era maior do que 6 mm, gire no sentido horário impasse para fazer a menor diferença. Volte ao passo 6.4.10.
   10. Remova o conjunto do dedal / flange e reserve. Se a diferença era menor do que 2 mm, gire o impasse para a esquerda para fazer a diferença maior. Se a diferença era maior do que 6 mm, gire o standoff horário para fazer a menor diferença. Volte ao passo 6.4.10.
   11. Aperte a porca contra o impasse.
   12. Abrir a válvula girando anti-horário.
5. Montar o flange:
   1. Remover rotor através da remoção de fita adesiva e um ímã e permitindo cuidadosamente o rotor para rolar para fora do dedal.
   2. Fixe os dois dentes ao flange usando um lock-arruela e parafuso inserido através da parte traseira do lado do flange custom / dedal. O lock-arruela e parafuso são fornecidos pela SRG comercial. O lock-arruela e parafuso não precisam ser limpos para ultra-alto vácuo.
   3. Rodar os dentes de modo que eles são quadrados com uma outra, como na Figura 1 e na Figura 9.
   4. Verifique dentes para straightness deslizando a cabeça SRG sobre o dedal. A cabeça deve deslizar sobre livremente.
   5. Dê os dois parafusos de aperto final e re-verificar o alinhamento como no passo 6.5.3.
   6. Coloque rotor de volta para o dedal, umaD Secure com a fita de ímã e mascaramento.
6. Completar a montagem de Transporte Spring:
   1. Coloque cobre ou junta de cobre prateado na porta da válvula.
   2. Coloque o rotor no dedal (se já não estiver no dedal do passo 6.5.6).
   3. Deslize o flange / montagem dedal over / ball-suporte da mola. Orientar a flange de tal modo que o conjunto de parafuso nos dentes serão apontando para baixo, quando a válvula está ligada à câmara.
   4. Usando ¼-28 de parafusos e porcas, fixar a flange da válvula.
   5. Fechar a válvula.
   6. Remover ímã e fita segurando a bola.

7. Monte o Shipping Container

1. Cortar a espuma de éster com o tamanho do recipiente de transporte. A espessura da espuma irá depender da altura do recipiente. Coloque uma espessura mínima de 7,6 cm de espuma na parte inferior. A Figura 7 mostra o conjunto de espuma.
2. Coloque o recorte de espuma PE no topo de tele éster espuma.
3. Coloque uma camada de espuma de éster na tampa. A espessura mínima deve ser de 7,6 cm. A figura 8 mostra a colocação final do mecanismo de mola-transporte. Use papel alumínio limpo e um endcap de plástico (que veio com a válvula) para proteger a extremidade aberta da porta da válvula durante o transporte.

8. Usando o mecanismo de mola-transporte

1. Montagem e suspender o rotor:
   Nota: A Figura 9 mostra o mecanismo de mola-transporte montado com a cabeça ligada. O primeiro passo é remover o mecanismo de mola-transporte do contentor de transporte. No que se segue, assume-se que o leitor está familiarizado com o funcionamento do medidor de fiação do rotor. Detalhes de funcionamento do controlador pode ser encontrada no manual do usuário do controlador. Supõe-se também o leitor está familiarizado com a tecnologia de alto vácuo.
   1. Retire a tampa de terminação e na folha da porta aberta do mecanismo de transporte primavera. Fixe oporta aberta para um DN 40 (CF 2,75 ") de porta de um câmara de vácuo utilizando um novo cobre ou junta de cobre revestido de prata e um conjunto de ¼ de 28 de parafuso. A orientação da válvula dependerá da orientação dos dentes. O correcto orientação é mostrado na Figura 9. o dente com os pontos dos parafusos de pressão para baixo. deslizamento da cabeça sobre o cartucho, a orientação do cone deve estar na vertical para dentro de 2 °. Verifique a orientação com um nível.
   2. Evacuar a câmara de vácuo para menos de 10 ^{~ 3} Pa. Abra lentamente a válvula mecanismo de mola-transporte.
   3. Anexar cabeça para o controlador. Ligue o controlador e suspender a bola.
2. De-montagem do mecanismo de mola-Transport
   1. De-suspender o rotor usando o controlador eletrônico. Desligue controlador.
   2. Fechar a válvula de mecanismo de mola-transporte.
   3. Retire a cabeça.
   4. Desabafar câmara de vácuo.
   5. Remover o mecanismo de mola-transporte por un-trancando a válvulaporta da câmara de vácuo.
   6. Coloque a folha limpa e um endcap plástico sobre a porta aberta do mecanismo de mola-transporte. mecanismo de mola-transporte lugar no cut-out no contêiner de transporte.

Resultados

Todos os componentes da SRG comercial são mostradas na Figura 1. Isto inclui o rotor, dedal, cabeça contendo os magnetos permanentes e de bobinas de fio utilizado para a suspensão e recolhida, e o controlador electrónico. A pequena mola mostrado (Figura 1C) é utilizada para reter a bola no cartucho; este retentor da mola não é usado no mecanismo de mola-transporte. O controlador comercial e cabeça são usados ​​no mecanismo de mola-transporte...

Discussão

O objetivo era criar um mecanismo de mola-transporte com uma força de retenção suficiente para que o rotor ficaria imobilizado durante o transporte. A concepção de um mecanismo de mola-transporte robusta não é suficiente para garantir o rotor permanecerá imobilizado porque, por exemplo, deixando cair o mecanismo de altura de altura sobre uma superfície dura pode produzir um enorme choque. A força sobre o rotor pode ser grandemente reduzida pela compactação do mecanismo de mola-transporte de modo a que desace...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
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, 2 lb Charcoal Ester Foam Pad, 24" x 27".
Ester Foam	Carry Cases Plus (www.carrycasesplus.com)	ES-PAD 1" Thick	1" Thick, 2 lb Charcoal Ester Foam Pad, 24" x 27".
Egg-carton ester foam	Carry Cases Plus (www.carrycasesplus.com)	ES-CONV	ES-CONV, 2 lb, 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)1/4-28 x 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.