Hur man bygger en vakuumFjädertransportförpackning för Spinning Rotor Mätare

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Fedchak, J. A., Scherschligt, J., Sefa, M. How to Build a Vacuum Spring-transport Package for Spinning Rotor Gauges. J. Vis. Exp. (110), e53937, doi:10.3791/53937 (2016).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

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

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Procure Icke-anpassade delar för Spring transportmekanismen

  1. Anskaffa fjädrar, gängstång, standoffs, nötter, och brickor. Dessa poster återfinns i den förteckning över särskilda material / utrustning. Köp fjädrarna och distanser innan tillverkning av kulhållaren. Använda 18-8 rostfritt stål (utom 303), eller företrädesvis 316 rostfritt stål, för alla material.
  2. Anskaffa rotorn. Rotorn är en kullager 4,5 mm i diameter tillverkad av 440C rostfritt stål eller E52100 erat stål.
  3. Anskaffa rätvinkliga ventil som anges i den förteckning över särskilda material / utrustning.

2. handla upp material för Shipping Container

  1. Anskaffa container. Använd rotationsgjutna, polyeten hårt skal fall med skyddade fördjupningar eftersom dessa var den typ av fall som framgångsrikt testades. Fallet i listan över specifika material / utrustning uppfyller minimiinnerutrymmesbehov.
  2. procure skummet packning.
    1. Anskaffa 2 # (32 kg / m 3) polyuretan (ester) skum. Köpa tillräckligt ester skum för att fylla toppen och botten av transportbehållaren. Köpa en bit av 5 cm ägg-kartong ester skum.
    2. Anskaffa 2 # (PE) polyetylenskum som är 7,6 cm tjock och har en tillräckligt stor yta för att täcka bredden och djupet av transportbehållaren.

3. Upphandling och tillverkning av anpassade delar för mekanismen våren transport

Obs: Exempel ritningar av anpassade delar som beskrivs i detta avsnitt ges i figurerna 2-4.

  1. Producera och skicka ritningar till anpassade leverantör eller intern affär för tillverkning av spinnrotormätaren (SRG) fingerborg / fläns. Kritiska dimensioner ges i Figur 2. Den anpassade Tillverkaren skall vara väl förtrogen med ultrahögt vakuum (UHV) tillverkningstekniker. Hylsan är relativt enkel att tillverka ennd ligger väl inom förmågan hos många vakuumkomponentföretag.
  2. Förvärva pinnarna som håller SRG huvudet till flänsen (se figur 1). Dessa kan tas bort från den kommersiella SRG hylsan / flänsmontaget som medföljer SRG elektronisk styrenhet. Varje pinne är hålls på plats av en enda bult (typiskt en metrisk sexkantshål huvud) med en låsbricka, och kan avlägsnas genom unbolting användning av den lämpliga skiftnyckel (såsom en metrisk insexnyckel).
    1. Alternativt tillverka dessa av samma leverantör som tillhandahåller fingerborg / fläns som i föregående steg, men ultrahögvakuum tillverkningstekniker behöver inte följas. Göra exakta kopior av de kommersiella SRG pinnarna.
  3. Producera och skicka ritningar av den enkla adapter för att ansluta M6 stud på högervinkelventil till en 8-32 all-tråd stud (amerikansk standard hårdvara). Se figur 3.
  4. Producera och skicka ritningar för tillverkning av bollhållaren. critical dimensioner ges i figur 4. Tillverka bollen innehavaren av 316L rostfritt stål i enlighet med UHV tillverkningsteknik. Klibbighet svetsa kulhållaren till en ände av en fjäder. Tack svetsa den andra änden av fjädern till dödläget. Rengör alla delar i enlighet med rengöringsproceduren i avsnitt 5.
  5. Skär 8-32 all-tråd stud till en längd av 18 mm och ren som beskrivs i avsnitt 5.

4. Tillverkning av Custom skum ut

  1. Gör en utskärning för mekanismen fjäder transport i PE-skum. Följer konturerna av ventilenheten så nära som möjligt. Gör detta för hand med en vass mattkniv; Alternativt kan konturen professionellt skära av en förpackningsleverantör.
  2. Använda dimensionerna av ventilen som ges av ventiltillverkaren och de fingerborg / flänsdimensioner som anges i figur 2. Skär utrymmet för fingerborg stor nog att rymma pinnarna (1,5 cm x 3,8 cm).

5. Rengöring av vakuumkomponenter

  1. Rengör alla vakuumkomponenter för ultrahögt vakuum (UHV) före montering. Våra rekommenderade rengöring är enligt följande.
    1. Handtag vakuum delar med nitril, latex eller vinyl handskar. Rör inte med bara händer.
    2. Rengör delarna med ett milt rengöringsmedel (såsom anges i material / utrustningslista) löst i destillerat eller avjoniserat vatten och en luddfri trasa.
    3. Placera delarna i ett bad med milt rengöringsmedel upplöst i destillerat eller avjoniserat vatten och placera i en ultraljuds rengöringsmedel för 20 minuter.
    4. Skölj delarna noga med destillerat eller avjoniserat vatten.
    5. Täck delar med aceton och placera i en ultraljuds rengöringsmedel för 20 minuter.
    6. Ta bort delar från aceton. Täck delar med etanol och placera i en ultraljuds rengöringsmedel för 20 minuter.
    7. Ta bort delar från etanol. Skölj noga med destillerat eller avjoniserat vatten.
    8. Blåsa delarnatorrt med torr kväve eller ren torr luft.
    9. Låt delar lufttorka på en renrumskvalitet luddfri trasa för 24 timmar.

6. Montera mekanismen våren transport

  1. Vid montering, bära nitril, vinyl eller latexhandskar. Rör inte vakuum delar med bara händer.
  2. Samla de nödvändiga verktygen: nål tång, insex förare för 8-32 mutter, skiftnyckel för adapter, linjal eller tjocklek. Torka linjalen / mikrometer med etanol; rengöra alla andra verktyg använder proceduren i steg 5.
  3. Samla nödvändiga delar: ventilen, fingerborg, kullager, bollhållare / fjäderpaket (se steg 3,5), 18 mm lång 8-32 stud, gängadapter, nötter och lock-brickor, 3 mm insexnyckel och maskering tejp. Se figur 5.
  4. Fjädertransportmekanism Montering:
    1. stänga helt rätt vinkel ventil genom att vrida den medurs tills det tar stopp.
    2. Tittar genom ventilportarna, identifiera M6 stud centered på ventilsätet.
    3. Skruva fast adaptern tätt på M6 stud. Sätt en UHV ren nyckel eller tång genom porten för att få adaptern som tätt som möjligt.
    4. Infoga 8-32 stud in i den andra änden av adaptern. Dra så tätt som möjligt. Den 8-32 stud kommer att sträcka sig genom adaptern och trycka mot M6 stud.
    5. Placera lock-bricka på 8-32 stud och sedan en mutter. Dra åt muttern med en ren uttag förare eller tång. Ventilen kan vara stängd under detta steg för att göra åtdragning enklare.
    6. Placera en mutter på 8-32 stud. Vrid tills nästan röra muttern på den andra änden. Placera låsbricka på 8-32 stud.
    7. Fäst våren / bollhållaren till 8-32 stud av dödläge. Vrid dödläge tills den vidrör lock-brickan.
      Obs: Följande procedur beskriver hur man kontrollerar längdjustering av fjäderpaketet, se figur 6.
    8. Placera rotorn i den anpassade hylsan och säkra den med en magnet (från acommercial SRG) genom att placera den på fingerborg änden och fixera den med maskeringstejp. Rotorn är nu i slutet av den fingerborg.
    9. Skjut hylsan över spring / bollhållaren, sluta när bollen hållaren vidrör bollen. Mät gapet mellan ventil flänsen och kaus fläns, som i figur 6.
      1. Om gapet är i storleksordningen 2 mm till 6 mm, vidare till steg 6.4.10.2). En nominell gap på 3 mm är idealiskt, men ett mellanrum inom intervallet är 2 till 6 mm är tillräcklig. Ett gap mindre än 2 mm är inte acceptabelt.
      2. Ta bort fingerborg / flänsmontaget och ställ åt sidan. Om gapet var mindre än 2 mm, rotera dödläge moturs för att göra gapet större. Om gapet var större än 6 mm, rotera dödläge medurs för att göra gapet mindre. Gå tillbaka till steg 6.4.10.
    10. Ta bort fingerborg / flänsmontaget och ställ åt sidan. Om gapet var mindre än 2 mm, rotera dödläge moturs för att göra gapet större. Om gapet var större än 6 mm, rotera stAndoff medurs för att göra gapet mindre. Gå tillbaka till steg 6.4.10.
    11. Dra åt muttern mot dödläge.
    12. Öppna ventilen genom att vrida motsols.
  5. Montera Fläns:
    1. Ta bort rotorn genom att ta bort maskeringstejp och magnet och försiktigt låta rotorn att rulla ut ur hylsan.
    2. Fäst de två pinnar till flänsen med hjälp av ett lås-bricka och bult införd genom den bakre sidan av den anpassade fläns / fingerborg. Låset-bricka och bult tillhandahålls av kommersiella SRG. Låset-bricka och bult behöver inte rengöras för ultrahögt vakuum.
    3. Rotera pinnarna, så att de är fyrkantiga med varandra, såsom i figur 1 och figur 9.
    4. Kontrollera pinnar för rakhet genom att halka SRG huvudet över fingerborg. Huvudet skall glida på fritt.
    5. Ge de två bultarna en slutlig åtdragning och åter kontrollera inriktning som i steg 6.5.3.
    6. Placera rotorn tillbaka till fingerborg, enD Secure med magneten och maskeringstejp.
  6. Slutföra Spring Transport Montering:
    1. Placera koppar eller försilvrade koppar packningen på ventilporten.
    2. Placera rotorn i hylsan (om det inte redan i hylsan från steg 6.5.6).
    3. Skjut flänsen / hylsan montering över våren / bollhållaren. Orientera flänsen så att uppsättningen-skruven i pinnarna kommer att peka nedåt när ventilen är fäst på kammaren.
    4. Med hjälp av ¼-28 bultar och muttrar, fästa flänsen på ventilen.
    5. Stänga ventilen.
    6. Ta bort magneten och band håller bollen.

7. Montera Shipping Container

  1. Skär estern skum till storleken av transportbehållaren. Tjockleken av skummet kommer att bero på höjden på behållaren. Placera en minimitjocklek av 7,6 cm av skum i botten. Figur 7 visar skumaggregatet.
  2. Placera PE skum utklipp ovanpå than ester skum.
  3. Placera ett skikt av ester skum i locket. Den minsta tjockleken bör vara 7,6 cm. Figur 8 visar den slutliga placeringen av mekanismen fjäder transport. Använd ren aluminiumfolie och en plast ändkåpa (som kom med ventilen) för att skydda den öppna änden av ventilporten under transporten.

8. Använda mekanism våren transport

  1. Montering och suspendera rotorn:
    Obs: Figur 9 visar den monterade mekanismen fjäder transport med huvudet bifogas. Det första steget är att ta bort mekanismen fjäder transport från transportbehållaren. I det följande, antas det att läsaren är bekant med driften av spinnrotormätare. Uppgifter om drift regulatorn kan hittas i styrinstruktionsboken. Det antas också att läsaren är bekant med hög-vakuumteknik.
    1. Ta bort munstycket och folie från den öppna porten av mekanismen våren transport. Fästöppen port till en DN 40 (CF 2,75 ") port på en vakuumkammare med en ny koppar eller försilvrade kopparpackning och en ¼-28 bult set. Orienteringen av ventilen kommer att bero på orienteringen av pinnarna. Den rätta orientering visas i figur 9. pinnen med fästskruven pekar nedåt. Sätt huvudet över hylsan bör orienteringen av hylsan vara vertikal till inom 2 °. Kontrollera orientering med en nivå.
    2. Evakuera vakuumkammaren till lägre än 10 -3 Pa. Öppna långsamt fjädertransportmekanism ventil.
    3. Fästa huvudet till styrenheten. Slå på styrenheten och avbryta bollen.
  2. De-monteringsmekanismen våren-Transport
    1. De suspendera rotorn med hjälp av den elektroniska styrenheten. Stäng av styrenheten.
    2. Stäng fjädertransportmekanism ventil.
    3. Ta bort huvudet.
    4. Ventilera vakuumkammaren.
    5. Ta mekanismen fjäder transport av icke-bultning ventilenport från vakuumkammaren.
    6. Placera ren folie och en plast munstycket över den öppna porten av mekanismen fjäder transport. Placera mekanism fjäder transport i utskurna i container.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Alla av komponenterna i kommersiella SRG visas i figur 1. Detta inkluderar rotorn, fingerborg, huvud som innehåller permanentmagneterna och trådspolar som används för suspension och pickup, och den elektroniska styrenheten. Den lilla fjädern (Figur 1c) används för att hålla kvar bollen i hylsan; denna hållare fjäder används inte i mekanismen fjäder transport. Den kommersiella styrenheten och huvud används i mekanismen fjäder transport. Pinnarna från kommersiella hylsan kan tas bort och användas i mekanismen fjäder transport, eller en kopia av dessa enkla delar kan tillverkas. Rotorn kan också användas, eller en annan kullager kan användas, enligt vad som anges i listan material. De mekaniska ritningar i figurerna 2-4 ger kritiska dimensioner på de anpassade delar som måste tillverkas för att bygga mekanismen fjäder transport. Kulan-hållaren i figur 4 ärklibb svetsad på en ände av en fjäder och den andra änden av fjädern är häftsvetsade till ett dödläge. Med undantag av hylsan, är alla de delar som är nödvändiga för att sätta samman den mekanism fjäder transport visas i figur 5. Fjädern måste komprimeras minst 2 mm och nominell kompression av 3 mm föreslås av författarna. Figur 6 visar mättekniken för att bestämma om fjädern blir ordentligt komprimerad, såsom diskuterats i förfarandet.

Figur 7 visar en typisk sammansättning av skumdelar, figur 8 visar mekanismen fjädern transport i transportförpackningen. En container bör väljas som är tillräckligt stor för att ge utrymme för 7,6 cm av skum som omger mekanismen fjäder transport på alla sidor och ändar. Genom att använda ett minimum av 7,6 cm av ester skum på toppen och botten och ett minimum av 7,6 cm av PE-skum på sidorna, the chock upplevs av mekanismen fjäder transport kommer att hållas till mindre än 100 g även när de släpps från 152 cm, som visas i figur 10. Det är mycket viktigt att göra vissa skummet inte komprimeras när packning mekanismen fjäder transport. Detta kan orsakas av att använda skum som är för tjockt Figur 11 visar effekten av sammanpressning av skum även av en liten mängd:. Chocken ökas med ca 40%. I det här fallet, skummet komprimeras ungefär en ¼ cm över 22 ¾ cm. Efter att ha utfört över 180 falltest av en av våra prototyper, tog vi en neutron röntgenbild bild, figur 12, vilket tydligt visar fjädertransportmekanismen fungerar som avsett. Notera att ventilen i figur 12 är från en annan tillverkare än ventilen som anges i detta förfarande. Den förra är inte längre är kommersiellt tillgänglig. Slutligen visar fig 9 visar mekanismen fjädertransport monterad föranvändning.

Drop-test är en vanlig metod inom förpackningsindustrin och enligt typiska branschriktlinjer för förpackningar mindre än 34 kg (75 lbs) standard fallhöjden för testning är 76 cm (30 tum). Ett rimligt mål med designen var att fjädertransportmekanism uppleva en chock på mindre än 50 g när de släpps från 76 cm och mindre än 100 g när de släpps från 152 cm, vilket är dubbelt så rekommenderade höjden för ett fallprov. Hårda rotationsformade fall och två typer av standard skum valdes för att paketera mekanismen fjäder transport. Polyuretan (ester) skum och polyeten (PE) skum är vanliga skum tillgängliga för förpackning. De finns i olika densiteter och brukar anges av deras nominella densiteter såsom 2 # skum (32 kg / m 3). Kommersiella förpackningslinjer ger kurvor som visar den önskade bräcklighet nivå (i g, som representerar den maximala chock som kan motstå genomartefakten) versus skumtjocklek, med olika kurvor som representerar släppa lådan från olika höjder. Till exempel, om ett föremål med en statisk belastning av 0,77 N / cm 2 släpps från 76 cm, 7,6 cm tjock 2 # ester skum och 12,7 cm tjock 2 # PE skum både ge en chock på ca 30 g. Skummet måste vara elastiskt nog för att försiktigt retardera objekt över ett rimligt avstånd, men tillräckligt styvt så att det finns liten eller ingen kompression av skummet när under statisk belastning. Komprimering äventyrar skummet förmåga att absorbera stötar. 2 # ester skum användes på toppen och botten av mekanismen fjäder transport, och 2 # PE-skum användes för utklipp, såsom visas i figur 7. Anledningen till att PE-skum användes för utskärning eftersom den statiska belastningen är större på ändarna av ventilen på grund av den mindre område.

Falltester utfördes på den fjädertransportförpackningen genom att fästa en accelerometer till mekanismen fjäder transport och släppa paketet från olika höjder och orienteringar. Figur 10 visar prestanda av 7,6 cm och 15,2 cm svart 2 # PE foam. Som kan ses, gjorde tjockare skum inte utföra någon bättre än 7,6 cm skum. Detta beror på att när skummet är tillräckligt tjock för att helt bromsa föremålet över dess tjocklek, lägga till mer skum hjälper inte. Det konstaterades därför att 7,6 cm PE skum var tillräcklig för sidorna. På toppen och botten, visade det sig att en 7,6 cm tjocklek av 2 # ester skummet var nödvändigt och tillräckligt. Detta överensstämmer med den lättare statisk belastning (större område) av ventil sidor. En liten bit av 5 cm tjock ägg-kartong stil esterskum användes också för att pad botten av urtaget så att mekanismen fjäder transport inte skulle flytta inom urtaget. Figur 11 illustrerar vikten av att inte komprimera skummet. I falltester där skummet var något komprimerade, var chockenmycket större. Olika storlekar av fall testades också. Det visade sig att ett litet fall med mindre stoppning producerade en mindre stöt än en större fall. Till en början resultat verkade överraskande, men man måste komma ihåg att när skumtjockleken är tillräcklig, lägga till mer skum inte ger bättre chockresultat. En hypotes är att mindre fall producerar mindre chock när de släpps eftersom dessa väger mindre än större fall och studsa mer när de släpps och därmed avleda en del av energin. Minimi inre dimensioner bör vara tillräckligt stor för att omge mekanismen fjäder transporter med 7,6 cm av skum på varje sida, särskilt 39,5 cm x 25,4 cm x 23 cm.

Många falltester med mekanismen fjäder transport utfördes. Kontakt mellan rotor och konisk ände av hylsan övervakades under fallprovningen genom att logga den elektriska kontinuiteten mellan bollen och två trådar som passerar genom en specialtillverkad provfingerborg, som desfaktorer beskrivs i referens 11. Vi har inte observera ett fel i fjädermekanismen för att hålla rotorn under någon av fallprovningen. Figur 12 visar en neutron röntgenbild 12 av en fjädertransportmekanism byggd av NIST och utsattes för över 180 falltest. Såsom kan ses i röntgenbilden bilden, de fjädertransport mekanismen fungerar som avsett även efter att ha sjunkit så många gånger. Genom att följa de förfaranden som beskrivs här, kan en robust fjädertransportförpackning skapas som är kapabel att minimera effekterna av transport på långsiktig stabilitet för spinning rotor mätare.

Figur 1
. Figur 1: Delar av en typisk Spinning Rotor Gauge Bilden visar alla delar av en snurrande rotorn mätare: (a) stålkula eller rotor; (B) fingerborg som innehåller rotorn (kommersiella versionen),de två rektangulära delar nära kanten av flänsen är "pinnar" som håller huvudaggregatet; (C) kvarhållande fjäder för rotorn (används inte på ett fjädertransportmekanism); (D) huvudet och kablage; (E) den elektroniska styrenheten.

figur 2
Figur 2: mekanisk ritning av Custom fingerborg Kritiska dimensioner visas och anges i traditionella amerikanska mått (1 tum = 25,4 mm).. Alla toleranser är 0,005 inches (0,1 mm). A * .step fil ingår som en extra fil. Den del bör göras av 316L rostfritt stål, RA16 finish (mikro inches; RA 0,4 mikrometer). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3: mekanisk ritning av gängadapter Kritiska dimensioner visas och anges i traditionella amerikanska mått (1 tum = 25,4 mm).. Alla toleranser är 0,005 inches (0,1 mm). A * .step fil ingår som en extra fil. Den del bör vara tillverkad av 316L rostfritt stål; trådarna är av typ 2A. M6 Tråd har en 1 mm stigning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4: mekanisk ritning av kulhållaren Kritiska dimensioner visas och anges i traditionella amerikanska mått (1 tum = 25,4 mm).. Alla toleranser är 0,005 inches (0,1 mm). A * .step fil ingår som en extra fil. Delen bör vara made av 316L rostfritt stål, RA16 finish (mikro inches; RA 0,4 pm)., med några skarpa kanter Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 5
Figur 5:. Delar av våren transportmekanism för montering (från höger till vänster), de delar som visas är: ventil, gängadapter, lås-bricka, mutter, skär 8-32 stud, mutter, lås-bricka, boll -Hållare / fjäderenhet, och 4,5 mm rötor.

figur 6
Figur 6:. Ställa in avståndet till den kulla Holder Efter montering mekanismen fjäder transport, stänga ventilen, placera rotorn i den anpassade fingerborg, fast rotorn med en magnet utnyttjas för att i slutet av thimble och sedan placera hylsan över bollhållaren / våren. Mellanrummet ska vara minst 2 mm, men ej fler än 6 mm.

figur 7
Figur 7:. Montering av skum mörkgrå representerar PE skum utklipp, de ljusgrå rektanglar är ester skum.

Figur 8
Figur 8:. Mekanismen fjäder transport i transportförpackningen Mekanismen fjäder transport är lämplig i en utskärning i PE-skum. Ester skum används under PE skum och i lådans lock. Ester skummet är större än 7,6 cm tjocka. Fallet är en rotationsformade hårda plastfodralet.

figur 9
Figur 9: Den fjäder transport mekanism monterad på en vakuumkammare. Transportmekanismen fjäder måste monteras på vakuumkammare så att huvudet är vertikal till inom 2 °, som visas.

Figur 10
Figur 10:. Shock kontra Höjd för PE Foam Chocken för två olika tjocklekar av PE-skum visas som en funktion av fallhöjden. Den genomsnittliga chock vid 76 cm fallhöjd är nära 50 g, men den spridning i data, mätt med standardavvikelsen är nästan 10% (visad som osäkerhets staplar). Även vid en fallhöjd av 152 cm, är chocken mindre än 100 g och väl inom hållkraft hos fjädern.

Figur 11
Figur 11: Effekten av komprimerade skummet En liten mängd skumkompressions deg.rades förmåga skum för att minska chock, vilket framgår av de större stöt värdena för komprimerat skum.

Figur 12
Figur 12:. Neutron Röntgenbild av VT-transportmekanismen (a) är ventilen i det öppna läget och (b) är ventilen i det stängda läget, som visar rotom snyggt fångas i spetsen av den koniskt formade kulan-hållaren och kaus. Fjädertransportmekanismen visad tappades mer än 180 gånger innan röntgen bilden togs. Denna siffra har tidigare publicerats i Fedchak, JA, Scherschligt, J., Sefa, M., Phandinh, N. bygga en fjädertransportförpackning för spinning rotor mätare. J. Vac. Sci. Technol. A. 33 (3), 033.201 (2015); används i enlighet med Creative Commons Attribution 3.0 Unported-licens.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 förpackningen, och därigenom minska den chock. Impulskraften som upplevs av ett objekt när i tappas kallas chock och mäts typiskt i termer av tyngdaccelerationen, g. Om ett föremål tappas från en höjd h och retarderar över ett avstånd d, är chocken bara (h / d) x g. Till exempel, är bromsas om ett föremål tappas från en höjd av 1 m och över ett avstånd av 1 cm, de shasen upplevs av objektet är 100 g. Detta exempel representerar en rimlig uppskattning av chocken vi kan förvänta sig när en väl packad föremål tappas under hanteringen. Därför mekanismen fjäder transport var utformad för att hålla rotorn immobiliserade under chocken av åtminstone 100 g. Detta var inte svårt att uppnå. En fjäder med en fjäderkonstant av 3 N / mm, vilket komprimerades med 3 mm med ventilen helt stängd. Massan av rotorn var 0,37 g och massan av bollhållaren var 0,55 g, vilket den komprimerade fjädern producerade en hållkraft på flera hundra g. Från längden hos fjädern, verkar det som att en kompression av åtminstone 2 mm lätt uppnås; Men vi märkte att den värme som alstras av slagsvetsning tenderade att förkorta fjädern något genom att minska fjäderavståndet nära ändarna. Den koniskt formade fingerborg och boll-hållare försäkra att bollen inte kommer att röra sig i sidled i förhållande till skålen kvantitativt axeln. Hylsan måste vara anpassade made av två skäl: den inre änden var avsedd att konformad att begränsa bollen, och längden måste vara sådan att fjädern skulle få rätt kompression när ventilen är stängd. Ventilslaget är den totala linjär förskjutning av ventilsätet och kritisk vid bestämning av fingerborg längd. Om ett märke eller modell av ventilen väljes som har en annan slaglängd än ventil i listan material, kan en annan fingerborg längd vara nödvändig. Ventilen vi valde i denna ansökan anges på mer än 1000 avslutningar, inte kräver en momentnyckel för att stänga, och har en bekvämt placerade tapp för montering av fjädern, vilket gör den idealisk för denna applikation. Slutligen, användning av låsbrickor och tät montering försäkrar robustheten i enheter som våra tester som presenteras nedan visar.

Som diskuterats tidigare, har andra institutioner gjort och används fjädertransportmekanismer. Det finns få uppgifter i litteraturen om hur dessa othER versioner utformade eller testade. Den historiska belägg för den långsiktiga stabiliteten av spinnrotormätare transporteras med dessa andra versioner av mekanismen fjäder transport visar att det är effektivt för att bevara boende koefficienten för SRG, förutsatt att mekanismen våren transport fungerar som avsett och gör inte undgå att immobilisera rotorn under transport. NIST version presenteras här har testats noggrant för robusthet och förväntas bevara SRG boende koefficienten åtminstone lika bra som de tidigare versionerna. Dessutom har betydelsen av förpackningsmekanismen fjäder transport på ett sådant sätt att minimera chock inte diskuterats i litteraturen. Här detaljerade specifikationer och instruktioner ges om hur att paketera mekanismen fjäder transport. Testerna droppe som diskuteras i föregående avsnitt indikerar att förpackningen kommer att minska chocken som avsett.

Andra metoder används oftaatt transportera spinning rotor mätare. Den vanligaste metoden som används för kunder NIST kalibreringstjänst är att fästa rotorn till hylsan med hjälp av en extern magnet. En annan metod är att ta bort rotorn från fingerborg och placera den i en glasflaska eller linda rotorn i aluminiumfolie eller luddfri trasa. En studie av 70 kund rotorer med återkommande kalibreringar vid NIST indikerade att medel repeterbarhet var 0,94%. 13 Som tidigare påpekats, historiska data för fjädertransport mekanik indikerade att 90% av tiden, rotorer hade repeterbarhet är bättre än 0,75% i intercomprisons där rotorerna levereras flera gånger internationellt. En annan leveransmetod som används för fartygs rotorer som har gett goda stabilitetsresultaten är att hand bära rotorn. Tyvärr är denna metod inte praktiskt i de flesta fall.

Konstruktionen närvarande i protokollet är specifik för ventilmodell och typ som specificeras. Andra ventiler kan vara ossed, men det skulle vara nödvändigt att ändra konstruktion. Specifikt, längden på de fingerborg behöver justeras för att rymma ventilslaget så att fjädern komprimeras med minst 2 mm när ventilen är helt stängd. Dessutom är det nödvändigt att välja en ventil som har ett bekvämt fäste för fjäderenheten; inte alla ventiler har sådana funktioner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Fremerey, J. K. The spinning rotor gauge. J. Vac. Sci. Technol. A. 3, (3), 1715-1720 (1985).
  2. Jousten, K. Chapter 13, Total Pressure Vacuum Gauges. Handbook of Vacuum Technology. Jousten, K. Wiley-VCH. Weinheim. 573-583 (2008).
  3. Berg, R. F., Fedchak, J. A. NIST Calibration Services for Spinning Rotor Gauge Calibrations. NIST Special Publication. 250-293 (2015).
  4. 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).
  5. Jousten, K., et al. Results of the regional key comparison Euromet.M.P-K1.b in the pressure range from 3 x 10 Pa to 0.9 Pa. Metrologia. 42, (1A), 07001 (2005).
  6. Jousten, K., Santander Romero, L. A., Torres Guzman, J. C. Results of the key comparison SIM-Euromet.M.P-BK3 (bilateral comparison) in the pressure range from 3 x 10 Pa to 0.9 Pa. Metrologia. 42, (1A), 07002 (2005).
  7. Yoshida, H., Arai, K., Akimichi, H., Hong, S. S., Song, H. W. Final report on key comparison APMP.M.P-K3: Absolute pressure measurements in gas from 3 x 10 Pa to 9 x 10 Pa. Metrologia. 48, (1A), 07013 (2011).
  8. Fedchak, J. A., Bock, T. h, Jousten, K. Bilateral key comparison CCM.P-K3.1 for absolute pressure measurements from 3 x 10 Pa to 9 x 10 Pa. Metrologia. 51, (1A), 07005 (2014).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics