Hvordan man opbygger en Vacuum Spring-transport pakke til Spinning Rotor Målere
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 gauge (SRG) er en høj-vakuum gauge ofte brugt som en sekundær eller overførsel standard for vakuum tryk i størrelsesordenen 1,0 x 10 -4 Pa til 1,0 Pa. I denne ansøgning, er SRGs ofte transporteres til laboratorier for kalibrering. Hændelser kan forekomme under transport, der ændrer rotor overfladeforhold, og dermed ændre kalibreringsfaktoren. For at sikre kalibrering stabilitet, er en fjeder-transport mekanisme ofte bruges til at immobilisere rotoren og holde det under vakuum under transport. Det er også vigtigt at transportere fjeder-transportmekanismen ved hjælp emballage udformet til at minimere risikoen for beskadigelse under forsendelse. I dette manuskript, er en detaljeret beskrivelse af, hvordan til at bygge en robust fjeder-transport mekanisme og skibscontainer. Tilsammen danner en fjeder-transport-pakke. Fjederen-transport kollikonstruktion blev testet ved hjælp af drop-tests og ydeevne viste sig at være fremragende. Den foreliggende fjeder-transport mekanisme design holder rotoren immobiliserede når de oplever chok på flere hundrede g (g = 9,8 m / s2 og er tyngdeaccelerationen), mens skibscontainer sikrer, at mekanismen ikke vil opleve rystelser større end ca. 100 g under fælles skibsfart uheld (som defineret af branchestandarder).
Introduction
Spinding rotor gauge (SRG) er en høj-vakuummåler anvendes til at bestemme vakuumtryk i området fra 1,0 x 10 -4 Pa til 1,0 Pa. Det er grundlæggende en roterende stålkugle, der er ophængt mellem to permanente magneter. Elektromagneter anvendes til at rotere, eller "spin-up", bolden til en vis hyppighed (typisk 410 Hz); bolden lades derefter rotere frit, men rotationshastigheden vil falde over tid på grund af kollisioner af gasmolekyler i vakuumsystemet med bolden overflade. Vakuum pres er således relateret til deceleration satsen for stålkugle eller rotor Figur 1 viser de væsentlige elementer i SRG:. Rotoren, fingerbøl, hoved med tilslutningskabel, og elektronisk controller. Rotoren eller kugle, er indeholdt i hylstret under drift og er normalt ikke håndteres af eller er synligt for SRG brugeren. Hylstret er forbundet til vakuumsystemet. For at betjene SRG, er hovedet gled over fingerbøl. Dethoved indeholder to permanente magneter og flere sæt trådspoler, der anvendes til vertikal og horisontal stabilisering, drive rotoren, og afføling af rotationen. Den elektroniske styreenhed tolker signalet fra sensorspolen, således at en trykmåling kan foretages. For en rotor med ideelle overfladeforhold, er deceleration sats relateret til vakuum pres fra grundlæggende fysik. For at gøre absolutte trykmålinger ved hjælp af en SRG, en kalibrering faktor, kendt som den effektive indkvartering koefficient, skal bestemmes. Den effektive indkvartering koefficient afhænger den virkelige overfladeforhold rotorens, såsom ruhed, adsorberede gasser, og ridser. Disse faktorer har tendens til at være stabil i løbet af dets anvendelse. Yderligere oplysninger om SRGs kan findes i andre referencer 1 -. 3
Den SRG anvendes i applikationer, hvor der kræves absolut vakuum målinger. For eksempel kalibreringslaboratorier oftebruge SRGs som en absolut vakuum standard. I dette tilfælde er høj vakuummålere kalibreret ved at sammenligne deres læsning til den for SRG. Til gengæld skal SRG standarden periodisk kalibreres ved forsendelse af SRG til en primær kalibrering laboratorium for at have sin bolig koefficient igen bestemt. Primære kalibrering laboratorier er normalt nationale måletekniske institutter såsom National Institute of Standards and Technology (NIST). Den primære lab bestemmer SRG overnatning koefficient ved at sammenligne sin behandling til en primær vakuum standard, og derefter returnerer SRG til "sekundære" kalibrering lab. Den SRG bruges også som en overførsel standard til sammenligning af standarder mellem kalibreringslaboratoriers eller nationale måletekniske institutter. I denne ansøgning, er SRG transporteres på hjemmemarkedet eller internationalt mellem de forskellige laboratorier 4 -. 8. Under overførsel, kan begivenheder indtræffer, at forandring bolig koefficient. Forud for shipment, rotoren skal blive de-suspenderes og hovedet er fjernet; rotoren hviler derefter på den indvendige væg af fingerbøl. Under transport, rotor overflade kan ændres fra den mekaniske handling mellem rotor og fingerbøl på grund af vibrationer og stød, eller overfladen kan ændre sig på grund af eksponering af rotoren til atmosfærisk gas og fugtighed. Disse ændringer påvirker den langsigtede stabilitet af bolig koefficient. Ideelt set bør rotoren forblive i vakuum og immobiliseres under transport.
Historisk set har SRGs været brugt som overfoerselsnormaler på vigtige sammenligninger af vakuum standarder blandt nationale måletekniske institutter, hvor SRGs er internationalt transporteres mange gange mellem de forskellige institutter. 9 Under en tidlig nøgle sammenligning blev det konstateret, at den langsigtede stabilitet i SRG overnatning koefficient kunne forbedres ved at udnytte en fjeder-transport mekanisme, som både immobiliseret rotoren og holdt det under vakuum dnder transport. 1,10 Siden da har fjeder-transport mekanisme blevet brugt mange gange i internationale vigtige sammenligninger. En nylig undersøgelse af de historiske data viste, at 90% af disse sammenligninger havde stabiliteter bedre end 0,75%, og 70% havde stabiliteter 0,5%. 9. Derfor anvendelse af en fjeder-transportmekanisme vil i de fleste tilfælde, udbytte en stabilitet, som er mere end tilstrækkeligt til de fleste anvendelser.
Indtil nu har der været megen vejledning i litteraturen om hvordan man opbygger en fjeder-transportmekanisme. Tidlige versioner af disse indretninger har været kendt at ikke fuldt ud immobilisere rotoren på grund af en kombination af at være utilstrækkeligt udviklet til robusthed, og bliver udsat for hærværk under forsendelsen. Disse tidlige erfaringer viser, at det er vigtigt både at opbygge en robust fjeder-transportmekanisme, og man korrekt pakke det på en måde, der minimerer stød under transporten. Denne senere punkt er kritisk, men ofte ignoreret. Her vil vi describe konstruktionen af en robust mekanisme fjeder-transport ud over en korrekt opbygget transport pakke. Vores design er baseret på et par enkle, testet, tekniske principper, der muliggør opførelsen af et varigt fjeder-transport pakke, der minimerer muligheden for fiasko under transport. Vi beskriver også vores test af robustheden af vores design. Yderligere oplysninger om testmetoder kan findes i Fedchak et al. (2015). 11
Protocol
Representative Results
Discussion
Målet var at designe en fjeder-transportmekanisme med en tilstrækkelig holdekraft, således at rotoren vil forblive immobiliseret under transport. Design af et robust fjeder-transportmekanisme er ikke nok til at forsikre rotoren vil forblive immobiliseret fordi for eksempel, droppe mekanismen fra høje højde på en hård overflade kan producere en enorm chok. Kraften på rotoren kan reduceres ved at pakke fjederen-transportmekanismen således at den blidt decelererer over en afstand inde i emballagen, og derved reduc…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne er taknemmelige for den hjælp af NIST neutron imaging facilitet instrument videnskabsmand Dr. Daniel Hussey for at bistå os med neutron røntgenbilleder.
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).
