Zastosowanie czujników wiroprądowych w środowisku próżniowym

W niniejszym artykule opisano rozważania dotyczące zastosowania czujników wiroprądowych w aplikacjach gdzie występuje próżnia. Opisano następujące zagadnienia:

• odgazowywanie,
• złącza przelotowe przez ściany zbiornika niskociśnieniowego,
• iskrzenie przy niskim ciśnieniu,
• generowanie ciepła przez sondę,
• typowe konfiguracje czujników.

Problem z odgazowywaniem

Każda substancja poddana działaniu próżni wykazuje potencjał do uwolnienia uwięzionych gazów. Te gazu mogą spowodować utlenianie lub zanieczyszczenie powierzchni w środowisku próżni. Zależnie od zastosowania, odgazowywanie może spowodować znaczne uszkodzenia procesu lub wyposażenia. Wysokopróżniowe materiały sondy i procesy są zaprojektowane tak, aby zminimalizować lub wyeliminować proces odgazowywania.

Materiały konstrukcyjne sondy minimalizujące odgazowywanie

Głównym materiałem, z którego wykonana jest sonda to metalowy korpus, epoksyd, PEEK (polieteroeteroketon), przewodniki i okablowanie. Sondy przystosowane do pracy w próżni są wykonane ze stali nierdzewnej 303. Epoksyd w sondach został szczegółowo przetestowany pod kątem niskiego odgazowywania podczas pracy w próżni. Przewody sondy są osłonięte PTFE, który jest wysoce stabilny i powoduje bardzo niewielkie odgazowywanie. Przewodniki w kablach sondy są wykonane z miedzi beztlenowej (OFC) i pokryte srebrem.

Opcjonalne wygrzewanie przed dostawą

Wszystkie czujniki są dokładnie czyszczone i szczelnie zamknięte w plastikowych torbach przed wysyłką. Opcjonalnie czujniki przeznaczone do pracy w próżni mogą zostać poddane wygrzaniu. Podczas wygrzewania sonda jest podgrzewana do 80oC i utrzymywana w tej temperaturze przez kilka godzin w niewielkim podciśnieniu. Podczas tego procesu uwięziona wilgoć i gazy zostają usunięte z czujników, a węglowodory zostają usunięte z powierzchni. Sondy są następnie pakowane w specjalny sposób, aby zminimalizować ilość zanieczyszczeń.

Połączenia przechodzące przez ścianę zbiornika próżniowego są realizowane za pomocą łącznika lub przelotek przystosowanych do pracy w próżni. Elementy te posiadają krótkie przewody z niewielkimi 5-cio pinowymi łącznikami Lemo, które łączą się z uszczelnioną, próżniową częścią łącznika Lemo. Kabel przedłużający łączy zewnętrzną część złącza ze sterownikiem sondy. Te łączniki można stosować do ciśnienia 10-6 Tor (130 μPa). Wielkość przecieku utrzymuje się na poziomie 10-6 mbar l/s.

W przypadku wyższych ciśnień, sonda i przewody sterownika są umieszczone w 9-cio pinowym łączniku typu Sub D, pasującym do ceramicznego łącznika Ceramaseal. Uzyskanie większej odporności na wyższą próżnię wiąże się ze skomplikowaniem procesu montażu i zwiększeniem naprężenia przewodów w porównaniu z łącznikami Lemo.

Prawo Paschena odnosi się do napięcia, przy którym gaz jonizuje i pojawia się iskrzenie pomiędzy dwoma przewodnikami. Według tego prawa charakterystyka jonizacji gazu w szczelinie jest funkcją ciśnienia gazu i wielkości szczeliny. Zależność ta nie jest liniowa.

Oznacza to, że dla danej szczeliny między przewodnikami napięcie iskrzenia zmniejsza się wraz ze zmniejszeniem ciśnienia. Przy bardzo niskim ciśnieniu krzywa charakterystyki osiąga minimum i zaczyna ponownie narastać. Punkt minimalny wynosi ok 300 V dla powietrza (rys. 1). Dla argonu ten punkt wynosi tylko 150 V. Opisywany punkt minimalny pojawia się przy ciśnieniu ok 5 Tor (650Pa), w zależności od materiału przewodnika i typu gazu.

Czujniki Lion Precision posiadają szczelinę wielkości ok 1 mm pomiędzy uziemionym korpusem i aktywnym przewodnikiem. Maksymalne napięcie pomiędzy nimi wynosi mniej niż 100V. Standardowe sondy Lion Precision nie przekraczają minimalnego napięcia krzywej Paschen’a i nie będą iskrzyć, gdy ciśnienie zostanie zredukowane do minimalnej wartości na krzywej.

Ciepło generowane przez sondę

Pobór prądu sondy wiroprądowej zależy od jej kalibracji. Typowa wartość poboru prądu wacha się od 50μW do 3mW

Typowe konfiguracje czujników

Na poniższych rysunkach zaprezentowano konfiguracje czujników: rysunek 2 – czujnik pracujący w próżni od 10-1 do 10-6 Tor, rysunek 3 – czujnik pracujący w próżni poniżej 10-6 Tor.

*dokument opracowano na podstawie materiałów firmy Lion Precision - https://www.lionprecision.com/eddy-current-sensors-in-vacuum/