Hvordan bygge en Vacuum Spring-transport Package for Spinning Rotor Gauges

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

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

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Procure Non-tilpassede Deler til våren Transport Mechanism

  1. Skaffe fjærene, gjengestang, standoffs, nøtter, og vaskemaskin. Disse elementene er oppført i Liste over spesifikke materialer / utstyr. Kjøpe fjærer og avstands før produksjon ballen holderen. Bruk 18-8 rustfritt stål (med unntak 303), eller fortrinnsvis 316 rustfritt stål, for alle materialer.
  2. Anskaffe rotor. Rotoren er et kulelager 4,5 mm i diameter, fremstilt av 440C rustfritt stål eller E52100 legert stål.
  3. Skaffe riktig vinkel ventil oppført i Liste over spesifikke materialer / utstyr.

2. skaffe Materialer for Shipping Container

  1. Anskaffe container. Bruk rotasjonsstøpte, polyetylen hardt skall tilfeller med beskyttede utsparinger siden disse var den type saker som ble testet. Saken i Liste over spesifikke materialer / utstyr oppfyller minste interiør plassbehov.
  2. Procure skum pakking.
    1. Skaffe to # (32 kg / m 3) polyuretan (ester) skum. Kjøpe nok ester skum for å fylle toppen og bunnen av transportkassen. Kjøp et stykke 5 cm egg-kartong ester skum.
    2. Anskaffe 2 # (PE) polyetylenskum som er 7,6 cm tykk og har et stort nok område for å dekke bredden og dybden av transportkassen.

3. Anskaffelse og Fabrikasjon av Custom Deler for våren-transport Mechanism

Merk: Eksempel tegninger av tilpassede deler beskrevet i dette avsnittet er gitt i figur 2-4.

  1. Produsere og sende tegninger til tilpasset leverandør eller in-house butikk for produksjon spinning rotor måleren (SRG) fingerbøll / flens. Kritiske dimensjoner er gitt i Figur 2. Skikken Produsenten skal være kjent med ultra-høy vakuum (UHV) produksjonsteknikker. Hylsen er forholdsvis enkel å fremstille ennd er godt innenfor evnen til mange vakuum komponent selskaper.
  2. Acquire tindene som holder SRG hodet til flensen (se figur 1). Disse kan fjernes fra den kommersielle SRG fingerbøll / flens montering som følger med SRG elektronisk styringsenhet. Hver tine holdes på plass av en enkelt bolt (vanligvis en beregning hex socket hodet) med en låseskive, og kan fjernes ved å skru bruke riktig fastnøkkel (for eksempel en beregning hex nøkkel).
    1. Alternativt, fremstille disse ved samme leverandør som gir hylsen / flens som i det foregående trinn, men ultrahøyt vakuum produksjonsteknikker behøver ikke følges. Lage eksakte kopier av de kommersielle SRG tindene.
  3. Produsere og levere tegninger av den enkle adapter for å koble M6 stud på høyre vinkel ventil til en 8-32 all-tråden stud (amerikansk standard maskinvare). Se figur 3.
  4. Produsere og sende inn tegninger for fabrikasjon av ballen holderen. critical dimensjoner er gitt i figur 4. Fremstill erte innehaveren av 316L rustfritt stål i henhold til UHV produksjonsteknikker. Hefts gjennom holderen til den ene ende av en fjær. Tack sveise den andre enden av fjæren til standoff. Rengjør alle deler i henhold til de rengjøringsmetoder gitt i § 5.
  5. Skjær 8-32 all-tråden stud til en lengde på 18 mm og rent som beskrevet i kapittel 5.

4. Fabrikasjon av Custom skumgummi

  1. Lag en cut-out for våren-transportmekanismen i PE-skum. Følge konturene av ventilsammenstillingen så tett som mulig. Gjør dette for hånd med en skarp tapetkniv; alternativt kan konturen bli profesjonelt kuttet av en emballasje leverandør.
  2. Bruk dimensjonene på ventilen gitt av ventilprodusenten og fingerbøll / flens dimensjoner gitt i Figur 2. Skjær plass til fingerbøll stor nok til å romme tindene (1,5 cm x 3,8 cm).

5. Rengjøring av vakuum komponenter

  1. Rengjør alle vakuum komponenter for ultra-høy vakuum (UHV) før montering. Vår anbefalte rengjøringsmetoder er som følger.
    1. Håndtak vakuum deler ved hjelp av Nitril, Latex eller vinyl hansker. Ikke berør med bare hendene.
    2. Rengjør delene med et mildt rengjøringsmiddel (som er oppført i materialer / utstyrsliste) oppløst i destillert eller de-ionisert vann og en lofri klut.
    3. Plasser delene i et bad av mildt rengjøringsmiddel oppløst i destillert eller de-ionisert vann og legg i en ultrasonisk renere for 20 min.
    4. Skyll delene grundig med destillert eller de-ionisert vann.
    5. Dekk deler med aceton og plasser i en ultrasonisk renere for 20 min.
    6. Fjern deler fra aceton. Dekk deler med etanol og plasser i en ultrasonisk renere for 20 min.
    7. Fjerne deler fra etanol. Skyll grundig med destillert eller de-ionisert vann.
    8. Blås delenetørk med tørr nitrogen eller ren tørr luft.
    9. La delene lufttørke på et rent rommet kvalitet lofri klut i 24 timer.

6. Monter Spring-transport Mechanism

  1. Under montering, slitasje nitril, vinyl, eller latekshansker. Ikke berør vakuum deler med bare hendene.
  2. Samle de nødvendige verktøy: nebbtang, socket head driver for 8-32 mutter, skiftenøkkel for adapter, linjal eller målepunktet. Tørk ren linjal / mikrometer med etanol; rengjøre alle andre verktøy som bruker prosedyren i trinn 5.
  3. Samle de nødvendige delene: ventilen, fingerbøl, kulelager, ball-holderen / fjærenheten (se trinn 3.5), 18 mm lang 8-32 stud, gjengeadapter, nøtter og lock-skiver, 3 mm unbrakonøkkelen og maskering teip. Se figur 5.
  4. Spring-Transport Mechanism Montering:
    1. Fullt lukke høyre vinkel ventilen ved å dreie den med urviseren til den stopper.
    2. Ser gjennom ventilportene, identifisere M6 stud centered på ventilsetet.
    3. Skru adapteren tett på M6 stud. Sett inn en UHV ren nøkkel eller tang gjennom porten for å få adapteren som tettsittende som mulig.
    4. Sett 8-32 stud inn i den andre enden av adapteren. Stram så tett som mulig. Den 8-32 stud vil forlenge gjennom adapteren og presse mot M6 stud.
    5. Plasser lock-skive på 8-32 stud og deretter en mutter. Stram mutteren med en ren socket driver eller tang. Ventilen kan bli stengt i dette trinnet for å gjøre stramme enklere.
    6. Sett en mutter på 8-32 stud. Slå den til nesten berøre mutter på den andre enden. Plasser låseskive på 8-32 stud.
    7. Fest våren / kuleholderen til 8-32 stud av standoff. Snu standoff inntil den berører lock-skive.
      Merk: Følgende prosedyre beskriver hvordan du kontrollerer lengdejustering av fjærpakken, se figur 6.
    8. Plasser rotoren i den egendefinerte fingerbøll og fest den med en magnet (fra acommercial SRG) ved å plassere den på fingerbøl enden og feste den med maskeringstape. Rotoren er nå ved slutten av kause.
    9. Skyv fingerbøll over spring / ball-holder, stopper når ballen holderen berører ballen. Mål avstanden mellom ventilflensen og fingerbøll flens, som i figur 6.
      1. Hvis gapet er i størrelsesorden 2 mm til 6 mm, hopp til trinn 6.4.10.2). En nominell gap på 3 mm er ideell, men en åpning i området er fra 2 til 6 mm tilstrekkelig. Et gap som er mindre enn 2 mm er ikke akseptabelt.
      2. Fjern fingerbøll / flens montering og sett til side. Hvis gapet var mindre enn 2 mm, rotere standoff mot klokken for å gjøre gapet større. Hvis gapet var større enn 6 mm, roter standoff klokken for å gjøre gapet mindre. Gå tilbake til trinn 6.4.10.
    10. Fjern fingerbøll / flens montering og sett til side. Hvis gapet var mindre enn 2 mm, rotere standoff mot klokken for å gjøre gapet større. Hvis gapet var større enn 6 mm, rotere standoff klokken for å gjøre gapet mindre. Gå tilbake til trinn 6.4.10.
    11. Trekk til mutteren mot standoff.
    12. Åpne ventilen ved å vri mot klokka.
  5. Monter Flens:
    1. Fjern rotoren ved å fjerne maskeringstape og magnet og nøye slik at rotoren til å rulle ut av fingerbøl.
    2. Fest de to tindene til flensen med en lock-skive og bolt inn gjennom back-siden av den tilpassede flens / fingerbøl. Låsen-skive og bolt er levert av kommersielle SRG. Låsen-skive og bolten trenger ikke å bli renset for ultrahøyt vakuum.
    3. Rotere knivene slik at de er firkantet med hverandre, som på figur 1 og figur 9.
    4. Sjekk tindene for retthet av styre SRG hodet over fingerbøl. Hodet skal gli på fritt.
    5. Gi de to boltene en endelig innstramming og re-sjekk for justering som i trinn 6.5.3.
    6. Plassere rotoren tilbake i fingerbøl, end fest med magnet og maskeringstape.
  6. Fullfør Spring Transport Montering:
    1. Plasser kobber eller sølvbelagt kobber pakning på ventilporten.
    2. Sett rotoren til fingerbøll (hvis det ikke allerede i fingerbøl fra trinn 6.5.6).
    3. Skyv flensen / fingerbøl montering over våren / ball-holderen. Orientere flensen slik at set-skruen i tindene vil peke nedover når ventilen er festet til kammeret.
    4. Ved hjelp av ¼-28 bolter og muttere, feste flensen til ventilen.
    5. Steng ventilen.
    6. Fjern magnet og tape holder ballen.

7. Monter Shipping Container

  1. Skjær esteren skummet til størrelsen av transportkassen. Tykkelsen på skummet vil avhenge av høyden av beholderen. Plasser en minimumstykkelse på 7,6 cm skum i bunnen. Figur 7 viser den skumsammenstillingen.
  2. Plasser PE-skum cutout på toppen av than ester skum.
  3. Plassere et lag av ester skum i lokket. Den minste tykkelse bør være 7,6 cm. Figur 8 viser den endelige plassering av fjærtransportmekanismen. Bruk ren aluminiumsfolie og en plastendestykket (som fulgte med ventil) for å beskytte den åpne ende av ventilporten under transport.

8. Bruk Spring-transport Mechanism

  1. Montering og opphengning av rotoren:
    Merk: Figur 9 viser den monterte fjærtransportmekanisme med hodet festet. Det første trinnet er å fjerne fjærtransportmekanismen fra container. I det følgende er det forutsatt at leseren er kjent med driften av den roterende rotor måler. Detaljer om drift av kontrolleren kan bli funnet i kontrolleren bruksanvisningen. Det er også antatt at leseren er kjent med høy vakuumteknologi.
    1. Ta av munnstykket og folie fra den åpne porten på våren transportmekanisme. Feståpen port til en DN 40 (CF 2,75 ") på et vakuumkammer ved hjelp av en ny kobber eller sølvbelagt kobber pakning og en ¼-28 bolt set. Orienteringen av ventilen vil være avhengig av orienteringen av tindene. Riktig orientering er vist i figur 9. tinde~~POS=TRUNC med settskruen peker nedover. Stikk hodet over fingerbøl, bør orienteringen av fingerbøl være vertikal til innen 2 °. Kontroller retningen med et nivå.
    2. Evakuere vakuumkammeret til mindre enn 10 -3 Pa. Sakte åpner fjærtransportmekanisme ventil.
    3. Fest hodet til kontrolleren. Slå på kontrolleren og suspen ballen.
  2. De-montering av Spring-Transport Mechanism
    1. De-suspendere rotoren ved hjelp av den elektroniske styreenheten. Slå av kontrolleren.
    2. Lukk fjærtransportmekanisme ventil.
    3. Fjern hodet.
    4. Vent vakuumkammer.
    5. Ta av fjærtransportmekanismen ved å fjerne bolting ventilenport fra vakuumkammeret.
    6. Plasser ren folie og plast endestykket over den åpne porten på fjærtransportmekanisme. Place fjærtransportmekanisme i cut-out i container.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Samtlige komponenter i kommersielle SRG er vist i figur 1. Dette omfatter rotoren, fingerbøl, hode som inneholder permanentmagneter og trådspoler som benyttes til oppheng og pickup, og den elektroniske kontrolleren. Den lille fjær vist (figur 1c) brukes til å beholde ballen i fingerbøl; denne holderen våren er ikke brukt i den fjærtransportmekanisme. Den kommersielle styreenheten og hode er brukt i den fjærtransportmekanismen. Tindene fra den kommersielle hylsen kan fjernes og anvendes i fjærtransportmekanisme, eller en kopi av disse enkle deler kan fremstilles. Rotoren kan også anvendes, eller et annet kulelager kan anvendes, slik det er angitt i listen materialer. De mekaniske tegninger i figur 2-4 gi de kritiske dimensjonene av tilpassede deler som må fabrikkert for å bygge den fjærtransportmekanisme. Ballen holderen i figur 4 erpunktsveiset på den ene ende av en fjær og den andre ende av fjæren er heftsveiset til en standoff. Med unntak av fingerbøll, blir alle de nødvendige for å montere den fjærtransportmekanismen delene vist i figur 5. Fjæren må komprimeres minst 2 mm og nominell kompresjon på 3 mm er foreslått av forfatterne. Figur 6 viser måleteknikk for å bestemme om fjæren blir riktig komprimert, som diskutert i prosedyren.

Figur 7 viser en typisk sammenstilling av skuminnlegg, Figur 8 viser fjærtransportmekanismen i transportemballasjen. En container bør velges som er stor nok til å gi plass til 7,6 cm skum rundt fjærtransportmekanismen på alle sider og ender. Ved hjelp av et minimum på 7,6 cm av ester skum på toppen og bunnen, og et minimum på 7,6 cm av PE-skum på sidene, the støt oppleves av den fjærtransportmekanismen vil bli holdt på mindre enn 100 g, selv ved fall fra 152 cm, som vist i figur 10. Det er meget viktig å være sikker på at skummet ikke er komprimert ved pakking den fjærtransportmekanismen. Dette kan skyldes bruk av skum som er for tykk Figur 11 viser effekten av å komprimere skummet selv av en liten mengde. Sjokket blir øket med omtrent 40%. I dette tilfelle skummet sammenpresset ca. 1? Cm over 22 ¾ cm. Etter å ha utført over 180 fallprøver av en av våre prototyper, tok vi et nøytron røntgenbilde, Figur 12, som klart viser fjærtransportmekanismen fungerer som designet. Legg merke til at ventilen i figur 12 er fra en annen produsent enn det som er angitt i den foreliggende fremgangsmåte ventilen. Den førstnevnte er ikke lenger er kommersielt tilgjengelig. Til slutt, Figur 9 viser fjærtransportmekanismen montert forbruk.

Drop-tester er en vanlig praksis i emballasjeindustrien, og ifølge typiske industri retningslinjer for pakker mindre enn 34 kg (75 lbs) standard fallhøyde for testing er 76 cm (30 tommer). En rimelig design mål var at fjærtransportmekanismen erfaring et sjokk på mindre enn 50 g når falt fra 76 cm, og mindre enn 100 g da falt fra 152 cm, som er det dobbelte av anbefalt høyde for en falltest. Hardrotasjonsstøpte tilfeller og to typer standard skum ble valgt til å pakke våren transportmekanisme. Polyuretan (ester) skum og polyetylen (PE) skum er vanlige skumtyper som er tilgjengelige for emballasje. De kommer i forskjellige tettheter og er vanligvis spesifisert av deres nominelle densiteter slik som 2 # skum (32 kg / m 3). Kommersielle emballasje guider gir kurver som viser ønsket skjørhet nivå (i g, som representerer den maksimale sjokk som kan motsto avgjenstanden) versus skum tykkelse, med forskjellige kurver som representerer slippe boksen fra forskjellige høyder. For eksempel, hvis en gjenstand med en statisk belastning på 0,77 N / cm 2 er utelatt fra 76 cm, 7,6 cm tykk 2 # ester skum og 12,7 cm tykke 2 # PE-skum både gi et sjokk på omtrent 30 g. Skummet må være elastisk nok til å forsiktig retardere objekt over en rimelig avstand, men stiv nok, slik at det er liten eller ingen komprimering av skummet når under statisk belastning. Komprimering vil kompromittere plastens evne til å absorbere støt. 2 # ester skum ble brukt på toppen og bunnen av den fjærtransportmekanisme, og 2 # PE-skum ble anvendt for utsparingen, som vist i figur 7. Grunnen til at PE-skum ble anvendt for utskjæringen fordi den statiske belastning er større på endene av ventilen på grunn av det mindre område.

Drop tester ble utført på fjær transport pakken ved å feste en Accelerometer til den fjærtransportmekanisme og slippe pakken fra forskjellige høyder og orientering. Figur 10 viser resultatene av 7,6 cm og 15,2 cm svart 2 # PE-skum. Som det kan ses, har den tykkere skum ikke utfører noe bedre enn 7,6 cm skum. Dette er fordi når skummet er tykk nok til å fullt bremse objekt over sin tykkelse, og legger mer skum hjelper ikke. Derfor ble det konkludert med at 7,6 cm PE-skum var tilstrekkelig til sidene. På toppen og bunnen, ble det funnet at en 7,6 cm tykkelse på 2 # ester skum var nødvendig og tilstrekkelig. Dette er konsistent med den lettere statisk belastning (større areal) av ventil sidene. En liten del av 5 cm tykke egg-kartong stil ester skum ble også brukt til å fylle bunnen av utskjæringen, slik at fjærtransportmekanismen ikke vil bevege seg i utskjæringen. Figur 11 illustrerer viktigheten av ikke å komprimere skummet. I fallprøver hvor skummet ble svakt komprimert, var det sjokkmye større. Ulike størrelser av tilfellene ble også testet. Det ble funnet at en liten tilfelle med mindre polstring fremstilt et mindre støt enn en større tilfelle. Ved første dette resultatet virket overraskende, men det må bli husket at når skum tykkelse er tilstrekkelig, og legger mer skum gir ikke bedre støt. En hypotese er at mindre tilfeller produsere mindre sjokk da droppet da disse veier mindre enn større saker og sprette mer når droppet, og dermed dissipating noe av energien. Den minimale innvendige dimensjoner bør være stor nok til å omgi fjærtransportmekanismen med 7,6 cm av skum på hver side, nemlig 39,5 cm x 25,4 cm x 23 cm.

Mange slipp tester med den fjærtransportmekanismen ble utført. Kontakt mellom rotor og koniske enden av fingerbøll ble overvåket under fallprøver ved å logge elektrisk kontinuitet mellom ballen og to ledninger som går gjennom en spesiallaget test fingerbøl, som desbert i referanse 11. Vi har ikke observere en svikt av den fjærmekanisme for å holde rotoren i løpet av en hvilken som helst av de fallprøver. Figur 12 viser et nøytron røntgenbilde 12 av et fjærtransportmekanisme bygget av NIST og underkastet over 180 fallprøver. Som det kan ses på røntgenbildet bildet, mens de fjær transport- mekanismen fungerer utformet selv etter å være falt så mange ganger. Ved å følge prosedyren som er gitt her, kan en robust fjærtransportpakke opprettes som er i stand til å minimere effekten av transport på den langsiktige stabiliteten i spinne rotormålere.

Figur 1
. Figur 1: Elementer av en typisk Spinning Rotor Gauge Dette bildet viser alle elementene i en spinnende rotor måler: (a) stål ball eller rotor; (B) kause som inneholder rotoren (kommersiell versjon),de to rektangulære deler nær kanten av flensen er "tinder" som holder hodeenheten; (C) holdefjæren for rotoren (ikke brukes i en fjærtransportmekanisme); (D) leder og kabel montering; (E) den elektroniske styreenheten.

Figur 2
Figur 2: Mekanisk Tegning av Custom fingerbøll kritiske dimensjoner er vist og er gitt i USA sedvane enheter (1 tomme = 25,4 mm).. Alle toleranser er 0.005 inches (0,1 mm). A * .step filen er inkludert som en supplerende fil. Den delen bør være laget av 316L rustfritt stål, RA16 finish (mikro-inches, RA 0,4 mikrometer). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3: Mekanisk Tegning av tråd Adapter kritiske dimensjoner er vist og er gitt i USA sedvane enheter (1 tomme = 25,4 mm).. Alle toleranser er 0.005 inches (0.1mm). A * .step filen er inkludert som en supplerende fil. Den delen bør være laget av 316L rustfritt stål; trådene er av type 2A. M6 Thread har en 1 mm banen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4: Mekanisk Tegning av Ball Holder kritiske dimensjoner er vist og er gitt i USA sedvane enheter (1 tomme = 25,4 mm).. Alle toleranser er 0.005 inches (0.1mm). A * .step filen er inkludert som en supplerende fil. Den delen bør være made av 316L rustfritt stål, RA16 finish (mikro-inches, RA 0,4 mikrometer)., uten skarpe kanter Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5:. Elementer av Spring Transport Mechanism For montering (fra høyre til venstre), de delene som vises er: ventil, gjengeadapter, lock-skive, mutter, kuttet 8-32 stud, mutter, låseskive, ball -holder / våren montering, og 4,5 mm rotor.

Figur 6
Figur 6:. Stille Avstand fra Ball-Holder Etter montering fjærtransportmekanisme, lukke ventilen, plasser rotoren i den egendefinerte fingerbøl, sikre rotor med en magnet tappet til slutten av thimble og deretter plassere fingerbøll over kuleholderen / våren. Gapet bør måle minst 2 mm, men ikke mer enn 6 mm.

Figur 7
Figur 7:. Montering av Foam Den mørke grå representerer PE-skum cutout, lys grå rektangler er esteren skum.

Figur 8
Fig. 8: Den fjærtransportmekanisme i transportpakken Den fjærtransportmekanismen er passe inn i en utskjæring i PE-skum. Ester skum blir brukt under PE-skum, og i det tilfelle lokket. Esteren skum er større enn 7,6 cm tykk. Saken er en rotasjonsstøpt hardt etui.

Figur 9
Figur 9: Våren-transport mekanismen som er montert til et vakuumkammer. Fjæren transportmekanismen må være montert på vakuumkammeret, slik at hodet er loddrett til innenfor 2 °, som vist.

Figur 10
Fig. 10: Sjokk versus Høyde for PE-skum Sjokket for to forskjellige tykkelser av PE-skum er vist som en funksjon av fallhøyden. Den gjennomsnittlige sjokk på 76 cm fallhøyde er nær 50 g, men det spredning i dataene som målt ved standardavviket er nesten 10% (vist som usikkerhets søyler). Selv ved en fallhøyde på 152 cm, er den støt mindre enn 100 g og godt innenfor holdekraften av fjæren.

Figur 11
Figur 11: Effekten av komprimert skum En liten mengde av skumkompresjons grader.Rades evnen av skum for å redusere støt, som vist ved de større støt verdier av det komprimerte skum.

Figur 12
Fig. 12: Neutron Røntgenbilde av den fjærtransportmekanismen (a) er ventilen i åpen stilling, og (b) er ventilen i lukket stilling, og viser rotoren pent fanget i toppunktet av den koniske ball-holder og fingerbøl. Den fjærtransportmekanisme vist var falt mer enn 180 ganger før røntgenbildet ble tatt. Dette tallet er tidligere publisert i Fedchak, JA, Scherschligt, J., Sefa, M., Phandinh, N. Building en fjærtransportpakke for å spinne rotormålere. J. Vac. Sci. Technol. A. 33 (3), 033 201 (2015); brukes i henhold til Creative Commons Attribution 3.0 Unported License.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 å redusere sjokket. Impulskraften som oppleves av en gjenstand når i er droppet kalles sjokk og blir vanligvis målt i forhold til akselerasjonen på grunn av tyngdekraften, g. Dersom et objekt er sluppet fra en høyde h og bremses over en avstand d, er det bare sjokk (h / d) x g. For eksempel, hvis et objekt blir sluppet fra en høyde på 1 m og er bremser over en avstand på 1 cm, og S-Hock oppleves av objektet er 100 g. Dette eksemplet representerer et rimelig estimat av sjokket vi kan forvente når en godt pakket objekt er droppet under håndtering. Derfor er den fjærtransportmekanismen er utformet for å holde rotoren immobiliserte under støt på minst 100 g. Dette var ikke vanskelig å oppnå. En fjær med en fjærkonstant av 3 N / mm, som ble komprimert ved 3 mm med ventilen helt lukket. Massen av rotoren var 0,37 g og massen av kuleholderen var 0,55 g, og dermed den komprimerte fjæren produsert en holdekraft på flere hundre g. Fra lengden av fjæren, vil det synes at en kompresjon på minst 2 mm er lett oppnås; Men vi merke til at varmen som genereres av heftsveising tendens til å forkorte fjæren lett ved å redusere avstanden mellom fjæren i nærheten av endene. Den konisk formede fingerbøll og ball-holder sikre at kulen ikke vil bevege seg sideveis i forhold til den fingerbøll akse. Fingerbøl måtte være tilpasset made av to grunner: den innvendige enden er designet for å være konisk utformet for å begrense ball, og lengden måtte være slik at fjæren vil skaffe riktig kompresjon når ventilen er lukket. Ventilen slag er den totale lineære forskyvning av ventilsetet og kritisk i bestemmelse av fingerbøll lengde. Dersom et merke eller modell av ventilen blir valgt som har et annet slag enn ventilen i listen materialer, kan en annen fingerbøll lengde være nødvendig. Ventilen vi valgte i denne søknaden er angitt på mer enn 1000 nedleggelser, krever ikke en momentnøkkel for å lukke, og har en praktisk plassert stud for montering av våren, noe som gjør den ideell for dette programmet. Til slutt, bruk av låseskiver og stram montering sikrer robusthet av enhetene, som våre tester som presenteres nedenfor viser.

Som omtalt tidligere, har andre institusjoner laget og brukt fjærtransportmekanismer. Det er lite informasjon i litteraturen om hvordan disse othere versjoner ble konstruert eller testet. Den historiske bevis på langtidsstabilitet av spinne-rotor målere transporteres ved hjelp av disse andre versjoner av den fjærtransportmekanismen viser at den er effektiv i å bevare boligen koeffisient av SRG, forutsatt at fjæren transportmekanismen opererer som utformet og gjør ikke klarer å immobilisere rotoren under transport. NIST-versjonen som presenteres her har blitt grundig testet for robusthet og forventes å bevare SRG overnatting koeffisient minst like bra som de tidligere versjonene. Dessuten har betydningen av emballasje den fjærtransportmekanismen på en slik måte for å minimalisere sjokk ikke blitt diskutert i litteraturen. Her detaljerte spesifikasjoner og instrukser gitt på hvordan å pakke den fjærtransportmekanisme. De fallprøver som diskuteres i foregående avsnitt viser at emballasjen vil redusere det sjokk som utformet.

Andre metoder blir ofte bruktå transportere spinne rotormålere. Den vanligste metoden som brukes for kunder av NIST kalibrerings tjenesten er å sikre rotoren til fingerbøll ved hjelp av en ekstern magnet. En annen metode er å fjerne rotoren fra fingerbøll og legg den i en glassflaske eller pakk rotoren i aluminiumsfolie eller lofri klut. En studie av 70 kunde rotorer med gjentatte kalibreringer på NIST indikert at den gjennomsnittlige repeterbarhet var 0,94%. 13 Som tidligere påpekt, historiske data for de fjærtransport mekanikk indikerte at 90% av tiden, rotorer hadde repeterbarhet er bedre enn 0,75% i intercomprisons hvor rotorene er sendt flere ganger internasjonalt. En annen fraktmetode som brukes ved levering rotorer som har gitt gode stabilitets resultater er å hånd bære rotoren. Dessverre er denne metoden er ikke praktisk i de fleste tilfeller.

Utformingen til stede i protokollen er spesifikk for ventilen modell og type som er angitt. Andre ventiler kan være ossed, men det ville være nødvendig å endre utformingen. Nærmere bestemt er lengden av fingerbøll må justeres for å tilpasse ventilen slag slik at fjæren komprimeres ved hjelp av minst 2 mm når ventilen er helt lukket. I tillegg er det nødvendig å velge en ventil som har et passende feste for fjærsammenstillingen; ikke alle ventilene har slike funksjoner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgements

Forfatterne er takknemlige for hjelp av NIST nøytron bildestudio instrument forskeren Dr. Daniel Hussey for å hjelpe oss med nøytron røntgen.

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