14737

Изучение устройства и исследование характеристик элементов ГС технологического оборудования микроэлектроники

Лабораторная работа

Производство и промышленные технологии

Лабораторная работа №3 Изучение устройства и исследование характеристик элементов ГС технологического оборудования микроэлектроники Цель работы: I изучить физические основы работы элементов газовых систем; 2 изучить конструкцию элементов газовых систем; 3 исслед

Русский

2013-06-09

1.63 MB

8 чел.

Лабораторная работа №3

 Изучение устройства и исследование характеристик элементов ГС технологического оборудования микроэлектроники

Цель работы: I) изучить физические основы работы элементов газовых систем; 2) изучить конструкцию элементов газовых систем; 3) исследовать характеристики  регуляторов рсхода газа.

Теоретические сведения

Процессы окисления, диффузии и эпитаксии являются одними из основных технологий, определящими возможности создания электронной компонентной базы. Эти процессы осуществляются в реакционных камерах, в которые поступают парогазовые смеси (ПГС) заданного состава и в заданном количестве. Формирование, контроль и управление параметрами ПГС производится газовыми системами.

Для осуществления перечисленных функций газовые системы содержат аппаратуру и элементы различных типов, большинство из которых представлено в таблице 1.

Аппаратура для приготовления ПГС

Дозаторы

Дозаторами называются устройства, предназначенные для создания и поддержания параметров ПГС (расхода, давления, температуры и концентрации) на заданном уровне.

В промышленных установках для наращивания эпитаксиальных слоев кремния наибольшее распространение получили дозаторы барботажного типа (рис.1,а). Они отличаются высокой производительностью, простотой конструкции и надежностью в работе.

Среди существующих дозаторов для диффузионных процессов самыми распространенными являются дозаторы с зеркалом испарения (рис.1, б, в), принцип работы которых основан на испарении диффузанта с поверхности в поток газа-носителя, движущегося вдоль этой поверхности. Для проведения процессов используются также дозаторы с диффузионной трубкой (рис.1, г). Их работа основана на законах диффузионного переноса массы (уравнения Фика, Стефана, Дарси). Менее распространенными являются дозаторы капельного типа (рис1, д).

Физические основы работы и технические характеристики дозаторов изложены в/ 1 /.

 

Рис.1 Схемы дозаторов:

а – барботажного типа;  б,в – с зеркалом испарения;  г – с диффузионной трубкой;  д – капельного типаэ  1 – крышка;  2 – корпус дозатора;  3 –подача газа-носителя Vг);   4 – выход парогазовой смеси (Vг + Vп);  5 – распределитель;  6 – смеситель;  7 – калиброванная трубка;  8 – дозирующий газ;  9 – дозирующее устройство;;  10 – диафрагма;  11 – балластный объём;  12 – бюретка;  13 – испаритель.


Аппаратура газовых систем

Таблица 1

Назначение аппаратуры

Очистка газов

Приготовление ПГС

Распределение и регулирование параметров газов

Измерения параметров газов

Автоматизация газораспределения и управление параметрами газов

Утилизация, нейтрализация вторичных газов.

Фильтры механические и электростатические.Установки для сорбционной осушки. Установки для диффузионной очистки и осушки.

Дозаторы: барботажные, поверхностного типа, диффузионные, капельные. Смесители.Устройства ввода ПГС.

Регуляторы давления. Стабилизаторы давления и расхода. Запорные краны и вентили. Регулирующие вентили. Натекатели. Электромагнитные клапаны.

Манометры механические и жидкостные. Ротаметры. Счетчики расхода. Расходомеры калометрические и анемометрические. Измерители концентрации. Газоанализаторы.

Программаторы командно-временные. Программаторы расходов, концентраций, температур. Преобразователи: расходов, давлений, концентраций, температур, мощностей.

Регенераторы. Гидрозатворы и свечи. Скрубберы.


Запорно-регулирующая аппаратура

В газовых системах применяются разнообразные клапаны, вентили, дроссели, с помощью которых производится распределение газов по каналам. В зависимости от состава, назначения и степени чистоты газовых сред эта аппаратура делится на две группы.

К первой группе относится аппаратура, устанавливаемая в линиях технических и продувочных газов: обеспыленного воздуха, азота, аргона, водорода. Это, как правило, стандартная аппаратура (из нержавеющей стали) с уплотняющими элементами из кислотостойких резин, фторопласта.

Ко второй группе относится аппаратура, устанавливаемая в линиях реакционных газов и чистого водорода, а также в линиях ПГС, содержащих пары жидких диффузантов . К ней предъявляются особые требования по герметичности и чистоте.

Некоторые типовые конструкции показаны на рис. 2.

Клапаны электромагнитный

Клапаны электромагнитные предназначены для коммутации и дистанционного управления потоками газов и парогазовых смесей  в газовых системах оборудования  для производства изделий электронной техники.

Клапан (рис.2, д).состоит из следующих основных частей:  При обесточенной катушке 4 плунжер 2 пружиной 7 отжимается вниз и перекрывает герметично поток сжатого воздуха на седле  8 и открывает дренажное отверстие. для сброса избыточного давления в клапане.

При включенной катушке 4 плунжер 2, преодолевая усилие пружины 7, под действием электромагнитных сил перемещается вверх и открывает проход сжатого воздуха, идущего на управление нормально открытыми (рис. 2,г) и нормально закрытыми пневматическими клапанами.


    г)     

      д)    е)


Устройство и работа реле давления

Реле предназначены для двухпозиционной сигнализации давлении газов и их смесей и используются в составе технологического оборудования для изготовления изделий электронной техники. Сигнализация обеспечивается в двух выставленных при предварительной настройе требуемых точках в рабочем диапазоне давлений.

В основе работы реле лежит принцип фиксации линейных перемещений чувствительного элемента за счет изменения давления.

Устройство реле показано на рис.   

Рис. 3 Устройство реле давления

1 – сильфон;  2 – микровыключатель;  3 – пружина;  4 – колодка;  5 - винт

В качестве чувствительного   элемента используется сильфон 1 с жестко закрепленным на нем кронштейном для осуществления нажатия на микровыключатель.

Сигнализирующими элементами являются два микровыключателя 2, установленных соответственно, на двух винтах 5 и имеющих возможность перемещаться поступательно вверх и вниз.

Для исключения люфтов микропереключатели поджаты пружинами 3, Электрические контакты выведены на колодку 4.

Газ поступает через входной штуцер в сильфон. Давление газа определяет положение сильфона и закрепленного на нем кронштейна. Положение микропереключателей определяет диапазон рабочих давлений реле.

Различие по диапазонам давлений в двух модификациях реле конструктивно определяется различными параметрами сильфона.

При выходе давления за пределы рабочего диапазона срабатывает один из микропереключателей, коммутируя сигнал во внешней цепи.

Для удобства эксплуатации разводка  контактов микропереключателей на колодку поз. 4 представлена на крышке рис.  

Регуляторы давлений (РД)

Качественное проведение технологических процессов требует стабилизации параметров, в том числе и давлений газов, входящих в состав ПГС. Для этих целей в газовых системах используются регуляторы давлений.

Принцип работы регулятора давления

РД обеспечивает поддержание заданного давления в канале или на входе в регулятор расхода за счет дросселирования потока газа. Чувствительным элементом РД, как правило, является мембрана, реагирующая на усилия задатчика и давление газа. При изменении давления мембрана деформируется и перемещает дроссельный регулирующий орган, который изменяет величину потока газа в камеру регулятора. Давление дозируемого газа может меняться в зависимости от сосредоточенного усилия, развиваемого задатчиком, или от изменения давления в камере задатчика. Для достижения большей чувствительности применяют "вялые" мембраны большей площади. Для повышения точности регулирования "вялые" мембраны снабжаются жестким центром, причем диаметр жесткого центра выбирается меньшим или равным 0,8 диаметра мембраны.

Устройство и работа регулятора давления.

В основе работы регулятора давления лежит принцип изменения проходного сечения затвора, через который проходит поток газа, при изменении входного давления и расхода.

Устройство регулятора показано на рис.  .

В исходном состоянии пружина 6 поджимает шток 2 к седлу 1 и, тем самым, обеспечивает запирание регулятора. Задание определенного уровня выходного давления осуществляется путём вращения  ручки 3 по часовой стрелке. В этом случае усилие нажимной пружины 4 передается через мембрану 5 на шток 2. Шток, перемещаясь вниз, открывает проход в затворе, и газ попадает в рабочую полость А..  Значение выходного давления определяют по показанию манометра, подсоединенному к выходу регулятора.

                           а)                                                                               б)

Рис. 4.  Устройство регуляторов давления

В установившемся режиме чувствительный элемент – мембрана  5 находится в динамическом равновесии между усилием сжатия пружины 4, с одной стороны, и усилие от давления газа, с другой. Мембрана связана посредством силового замыкания со штоком 2 и управляет его работой. При возмущениях выходного давления, вызванных изменением расхода газа, входного давления, изменением настройки регулятора, равновесие мембраны нарушается, и она перемещается в направлении большего усилия, приводя к перемещению штока затвора. При этом изменяется величина проходного сечения затвора, что приводит к изменению давления под мембраной, противоположному первоначальному возмущению и восстановлению равновесия. В случае появления самотека через затвор регулятора из-за засорения затвора, произойдет увеличение давления в подмембранной полости А, и, за счёт зацепления мембраны5 и штока 2, увеличится усилие герметизации в затворе и самотёк устранится..

Регулятор имеет в своем составе предохранительный клапан (рис.  ). В исходном состоянии шток 3 прижимается пружиной 2 к седлу штуцера 1. При достижении избыточного давления на выходе регулятора не более 1 МПа происходит сброс газа расходом не менее 2,5 х10-4 м3 /с.

На рис.3,б представлена одна из наиболее простых конструкций регулятора давления газа. Давление газа за регулятором устанавливается с помощью винта 3, воздействующего на пружину 4. Усилие пружины уравновешивается давлением газа на мембрану 2 в полости A. При измерении давления газа в сети клапан 5, связанный с мембраной, перемещается, изменяя проходное отверстие I до наступления положения равновесия. Этот регулятор работает при давлении газа на входе  Па и обеспечивает на выходе давление  Па с точностью не менее 5 %.

Определение пропускной способности регулирующих органов РД

Одной из основных задач обеспечения качественной работы РД является правильный выбор пропускной способности исполнительных устройств , определяющей размер регулирующего органа РД.

На основании уравнений неразрывности, движения и состояния вычисляется расход газа , проходящего через РД:

  (1)

где  - пропускная способность РД, определяемая экспериментально, ; - площадь сечения для прохода газа, ;  - коэффициент местного сопротивления РД;  и  - давление на входе в РД и выходе из него, Па;  - плотность среды, проходящей через РД, кг/. Из уравнения (1) выразим величину

 (). (2)

Для определения пропускной способности РД при нормальных условиях ( Па и  К) необходимо величины расхода газа и плотности среды привести к нормальным условиям:

   (3)

и

    (4)

Подстановка выражений (3) и (4) в уравнение (2) дает

 . () (5)

Максимальная пропускная способность РД при докритическом истечении () рассчитывается по формуле

  () (6)

где  - объемный расход газа (максимальный), отнесенный к нормальным условиям, . Он определяется из условия максимальной производительности при форсированном режиме работы исполнительного устройства.

Работа проводится на стенде газовом, общий вид и схема которого приведены на рис. 5.

Аппаратура для измерения расходов газов

Для контроля расхода газа в технологическом оборудовании микроэлектроники наибольшее распространение получили [2].

- расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры);

- тепловые расходомеры.

Ротаметры

Поток газа, проходящий через ротаметр снизу (рис.6), поднимает поплавок до тех пор, пока расширяющаяся кверху кольцевая щель между телом поплавка и стенками конусной трубки не достигнет величины, при которой действующие на поплавок силы уравновесятся. При этом поплавок устанавливается на той или иной высоте в зависимости от величины расхода.


Рис. 5. Схема ротаметра

Силы, действующие на поплавок сверху:

- сила тяжести:

  (Н), (7)

- сила давления на верхнюю поверхность поплавка:

  (Н). (8)

Силы, действующие на поплавок снизу:

- сила давления на нижнюю поверхность поплавка

  (Н). (9)

- сила трения потока газа о поплавок:

  (Н). (10)

здесь  - объем поплавка, ;  - плотность материала поплавка, кг/; g - ускорение свободного падения, ; ,  - среднее давление потока на носовой и верхней поверхностях поплавка соответственно, ,  - площадь наибольшего поперечного сечения поплавка, ;  - коэффициент сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса и шероховатости поверхности канала и поплавка;  - средняя скорость потока газа в кольцевом канале, м/с;  - боковая поверхность поплавка, ; n - показатель степени, зависящий от режима течения.

В условиях равновесия:

 . (11)

или

 .

Откуда

 . (12)

Если с увеличением расхода газа увеличивать площадь кольцевого канала, так чтобы скорость потока газа  сохранялась неизменной, то перепад давления будет постоянным поскольку остальные величины, входящие в уравнение (12), являются постоянными для данного прибора.

По этой причине ротаметры называются расходомерами постоянного перепада давления. Расход среды, протекающей через ротаметр, можно определить из совместного решения уравнений Бернулли и сплошности. Для объемного расхода:

 .  (13)

для массового расхода:

 .  (14)

Так как величины под корнем практически постоянны, то их можно заменить коэффициентом k. Тогда

.. (15)

Эта зависимость линейна, поэтому шкала ротаметра будет равномерной.

Коэффициент расхода  для ротаметров зависит от большого числа величин, которые не поддаются аналитическому определению. Поэтому каждый ротаметр требует индивидуальной градуировки. Такая градуировка шкалы ротаметра точна лишь в тех случаях, если при эксплуатации значения всех величин, входящих в уравнение расхода, соответствуют градуировочным условиям.

В противном случае показания ротаметра, полученные при градуировке, необходимо умножить на коэффициент, учитывающий различие плотностей среды при градуировке и измерениях.

Так, при измерении расхода газа имеет место . Тогда при определении объемного расхода старые показания следует умножить на коэффициент

 , (16)

а при измерении массового расхода - умножить на коэффициент

, (17)

Конструкция ротаметра

В электронной промышленности выпускаются специальные ротаметры [1]. Они снабжены встроенными натекателями и уплотнениями из резины ИРП-122Р для работы в агрессивных средах.

Конструктивно ротаметр выполнен в виде двух корпусов верхнего 3 и нижнего 13, неподвижно закрепленных на основании 11 (рис.7).

Внутри верхнего корпуса 3 располагается T-образный корпус 2, который может перемещаться вертикально. Между корпусами 2 и 13 помещается стеклянная ротаметрическая трубка 4, имеющая шкалу на 100 делений.

Рис.6. Конструкция ротаметра

Уплотнение торцов ротаметрической трубки достигается с помощью резиновых прокладок 12 за счет подтягивания гайки. Для предотвращения поперечного биения поплавка (шарика 9) на внутренней поверхности трубки имеются направляющие. Упоры 5 ограничивают перемещение шарика в вертикальном направлении.

Игольчатым вентилем, встроенным в корпус 13 ротаметра, вращением ручки 7 производится регулировка расхода газа.

Установка ротаметра в магистраль производится с помощью накидных гаек 10, а уплотнение соединений - с помощью прокладок 8.

Для предохранения трубки ротаметра имеется прозрачная крышка 14.

Тепловые расходомеры

Существенным недостатком ротаметров является возможность только визуального измерения, что исключает применение их в системах автоматического регулирования. Этого недостатка лишены тепловые расходомеры.

Принцип их действия основан на зависимости теплового состояния приемного преобразователя (ПП), содержащего нагреваемый элемент, от параметров измеряемого потока.

Несмотря на некоторые различия конструкции тепловых расходомеров, существует уравнение, которое является общим для всех видов этих приборов. Это уравнение связывает мощность нагревателя , рассеиваемую потоком газа, с расходом  и разностью температур , на которую нагревается (охлаждается) газ.

 (Вт), (18)

где  - коэффициент, зависящий от типа и конструктивного исполнения ПП; n - показатель степени, зависящий от типа расходомера и режима течения потока. Для калориметрических расходомеров n=1. Для расходомеров пограничного слоя n=0,33 для ламинарного и n=0,8 - турбулентного потоков.

Конструкция теплового расходомера показана на рис.7.

Основная часть измеряемого расхода газа проходит через трубку 4, в которой установлена диафрагма 5 с калиброванным отверстием. Часть расхода проходит через тонкостенную никелевую трубку 1, на которой намотаны две обмотки 2 из медного

а)

б)

  а)       б)

Рис. 7 Устройство преобразователя расхода (а) и схема его включения (б)

микропровода, подключенные к источнику стабилизированного постоянного напряжения. Под воздействием потока газа одна обмотка охлаждается, температура другой, второй по ходу газа, понижается в меньшей степени. Обе обмотки включены в мостовую схему. Изменение сопротивления обмоток приводят к появлению тока в диагонали моста, величина которого пропорциональна расходу газа. Для снижения теплового воздействия внешней среды корпус 3 выполнен из материала с высокой удельной теплоемкостью.

Сигнал разбаланса через усилитель (рис. подается на стрелочный индикатор расхода газа и на задатчик величины расхода газа. Разность заданного  и фактического  расходов газа усиливается сервоусилителем и подается на двигатель, который изменяет проходное сечение вентиля таким образом, чтобы довести расход газа  до заданного значения. Точность установки расхода  обеспечивается импульсным включением двигателя при подходе к положению равновесия за счет мультивибратора. Описанный преобразователь расхода обеспечивает линейную зависимость выходного напряжения (0 - 10 вольт) от измеряемого расхода. При диаметре отверстия диафрагмы, равном 0,001 м, верхний предел измерений по водороду равен . При диаметрах отверстий 0,003 и 0,006 м - соответственно  и .

Регулятор расхода реагента. (РРР)

Регулятор предназначен для регулирования тетрахлорида кремния (SiCl4) в технологическом оборудовании для производства изделий электронной техники.

В основу работы регулятора положен принцип управления потоком газа-носителя, проходящего через испаритель с реагентом, с целью поддержания  заданного уровня расхода реагента, уносимого газом-носителем, независимо от условий в испарителе (температура, давление, уровень).

В качестве реагента используется тетрахлорид кремния (SiCl4), газ-носитель водород (Н2).

Регулятор представляет собой систему автоматического регулирования, в которой по текущему значению расхода водорода – (VH2)тек и заданному мольному отношениу  вычисляется расход SiCl4 – (GSiCl4)выч = VH2 mSiCl4 . Полученное значение GSiCl4 сравнивается с заданной величиной (GSiCl4 )зад ,а затем исполнительным механизмом изменяется расход водорода до такого значения (VH2)зад, при котором разность между заданным (GSiCl4)зад и вычисленным значениями (GSiCl4)выч расхода SiCl4 не станет равной нулю, т.е. ΔGSiCl4 = . (GSiCl4)зад - (GSiCl4)выч =0

В состав регулятора входят устройства, преобразующие расход водорода в мольное отношение mSiCl4 в электрические сигналы, умножитель этих сигналов, устройство, изменяющее расход водорода и схема его управления.

Общий вид и структурная схема регулятора приведена на рис. 8..

а)

                                                   б)

Рис. 8. Общий вид (а) и структурная схема (б) регулятора расхода реагента

1 – никелевая трубочка;  2 – преобразователь первичный;  3 – корпус;  4 – термоэлемент;  5 – гайка;  6 –шток;  7 – корпус исполнительного механизма;  8 – терморезистор;  9 – преобразователь вторичный;  10 – шарик;  11 – уплотнение;

12 –втулка (байпас)

Преобразование расхода водорода в электрический сигнал происходит следующим образом.

Газ-носитель через поступает в регулятор через входной штуцер (рис. 8,а) и разделяется на два потока. Один поток (0,5%, номинального расхода) проходит через преобразователь первичный 2, другой (99,5%)– через втулку (байпас-пакет из тонких трубочек) 12. Так, например, при номинальном расходе Vu = 540 л/ч, , через преобразователь проходит  (2÷2,5) л/ч.

Преобразователь первичный представляет собой тонкостенную никелевую трубочку 1. Через эту трубочку, на наружную поверхность которой намотаны два теплоприемника (проволочные никелевые терморезисторы и нагреватель из нихрома)., проходит газ.  При отсутствии потока газа газа оба терморизистора имеют одинаковую температуру и сопротивление. При наличии потока газа происходит охлаждение первого по ходу газа терморезистора R1.1. стоящего до нагревателя, и дополнительного терморезистора R1.2, расположенного после нагревателя (рис.9,б). Чем больше расход газа, тем более длинным будет участок нагретого газа после нагревателя, тем выше будет температура терморезистора R1.2  .

Разность сопротивлений R1.1 и R1.2 преобразуется уселителем измерительным в выходное напряжение, пропорциональное расходу газа-носителя Uг.н

Преобразование мольного отношения в электрический сигнал основано на сравнении теплопроводности чистого водорода  с теплопроводностью смеси, которая уменьшается с  увеличением содержания  SiCl4. Чистый водород поступает в один из каналов преобразователя первичного (рис. 9,б), выходит из регулятора, проходит через испаритель, насыщаясь парами SiCl4 , и возвратившись к регулятору, поступает во второй канал преобразователя первичного.

Преобразователь первичный представляет собой две пластины. Между которыми зажата тонкая электроизоляционная плёнка с двумя никелевыми терморезисторами 8. В пластинках есть каналы для доступа газа к терморезисторам. Один из них сообщается с чистым водородом, другой со смесью. Терморезисторы нагреваются проходящим через них током, их температура и сопротивление определяются теплопроводностью окружающей среды. Разность сопротивлений преобразуется измерительным усилителем в иэлектрический сигнал, пропорциональный мольному отношению mSiCl4 .

Умножение полученных напряжений и управление исполнительным механизмом осуществляется с помощью устройства управления.

Действие механизма исполнительного основано на удлинении стальной трубочки при нагреве.

Механизм исполнительный содержит шарик 10 (см рис.9,а), приваренный к концу трубочки, нагреваемой термоэлементом 4..

Шарик перемещается в сферическом седле, изменяя расход водорода. Шток 6 (шарик с приваренной трубочкой и фланцем) закреплён в корпусе между пружинами и гайкой 5. Гайка обеспечивает регулировку (перемещение штока вдоль оси) начального положения шарика в седле.

Лабораторное задание

на выполнение комплекса лабораторных работ, посвященных изучению устройств и исследованию характеристик элементов газовых систем технологического        оборудования  .

В состав комплекса входят собственно 2 - 3 лабораторных работы (по 4 часа каждая) с общей продолжительностью 8 - 12часов.

Каждая из работ имеет общие теоретические  основы и два лабораторных задания:

I. Исследование характеристик ротаметров (расходомеров постоянного перепада давления)  и исполнительных устройств регуляторов давления.

II.  Исследование характеристик регуляторов расхода  газа (тепловых расходомеров - РРГ)

 При проведении каждой из работ необходимо:

  1.  Изучить физические основы работы дозаторов, расходомеров, регуляторов давления.
  2.  Изучить конструкцию ротаметров, тепловых расходомеров, регуляторов давления и других элементов газовых систем по указанию преподавателя.
  3.  Провести градуировку ротаметра по двум газам и вычислить поправочные коэффициенты .
  4.  Определить пропускную способность исполнительного устройства РД по заданию преподавателя.
  5.  Провести градуировку регуляторов расхода газа
  6.  Определить условия истечения и построить график истечения газа через регулирующий орган.

Оборудование и приборы

Для выполнения работы используется следующее оборудование и материалы:

  1.   Кран-фильтр – 1 шт.;
  2.  Манометр  - 4 шт;
  3.  регуляторы давления – 1 шт;
  4.  ротаметр (на разные расходы ) – 2 шт;
  5.  регулятор расхода газа (РРГ) – 1шт;
  6.  клапан нормально открытый (НО) – 1 шт;
  7.  клапан нормально закрытый (НЗ) – 1 шт;
  8.  счетчик гасовый – 1 шт;
  9.  барометр (барограф) – 1 шт;
  10.   термометр лабораторный (с ценой деления 0,1 0С)
  11.    U – образный (микро) манометр;
  12.   секундомер;

13) воздух, аргон, азот;

Все приборы смонтированы на стенде, схема которого приведена на рис.9.


Рис.  9. Схема стенда для исследования  характеристик элементов газовых систем

1, 13 – вентиль;   2 – кран- фильтр;  3, 5, 9, 12 – манометр;  4 - регулятор давления;  6, 7 – ротаметр;  8 – регулятор расхода газа;  10 – клапан нормально закрытый (НЗ);  11 - нормально открытый (НО);  14 – счетчик газовый;

15 – U – образный манометр


Порядок выполнения работы

Выполнение   работы  разбивается (условно) на следующие три этапа:

а) подготовительный

1. Изучение физических основ работы и конструкций элементов газовых систем.

2.Изучение устройства стенда, расположение информационно-измерительных устройств и их взаимодействие.

3.Изучение методики проведения работы, оформление протоколов   измерений и обработку результатов их.

4.Ознакомление правилами  техники   безопасности,   рабочей   схемой  испытания.

5.Проверка наличия на стенде измерительных приборов, их правильного подключения и исправности.

б) экспериментальный*)

6. Проведение измерений:

9.1 градуировка ротаметров при различных давлениях газов на входе ( Р1= var ) и сопротивлении линии за ротаметром ( Р2= var ) *) ;

9.2 исследование характеристик  регулятора расхода газа при различных давлениях газов на входе ( Р1= var ) и сопротивлении линии за ротаметром (Р2= var) *) ;

9.3. исследование гидравлических сопротивлений элементов газовых систем при различных давлениях газов на входе ( Р1= var ) и и расходах  газа*);

9.4.исследование пропускной способности исполнительного устройства регулятора давления (РД), построение зависимости.

в) оформительский,

10.Расчёт коэффициентов приведения (к нормальным условиям) и построение градуировочной зависимости ротаметра - Vн = f (деления ротаметра, Р4);

11.Построение градуировочных зависимостей РРГ – Vг = φ(Р1, ΔР2-3); 12.Построение градуировочных зависимостей РРГ – ΔР2-3 = ξ(Vг ) и ΔР3-4 = ξ1(Vг ) ;

13. Построение зависимости пропускной способности  РД – kv =f1(ΔР1-2, Vг)

14.Систематизация результатов, оформление отчёта.

*) – значения задаются преподавателем.

     Градуировка ротаметра

  1.  Подсоединить к стенду источник газа (сжатый воздух, газ из баллона)
  2.  С помошью редуктора установить давление газа (на источнике) Р вх ≤ (3 ÷ 4).105 Па, подать газ на стенд и убедиться в его герметичности;
  3.  Ослабить пружину задатчика регулятора давления (4), вращением регулировочного винта против часовой стрелки.
  4.  Открыть вентиль (1) и  входной клапан кран-фильтра (2)
  5.  Записать в протокол наблюдений (таблица 2) показания манометра Р 1 (3)
  6.  Открыть (полностью) вентиль-натекатель ротаметра (6 или 7).
  7.  Открыть  вентиль (13) до положения, при котором поплавок ротаметра установится на максимальном значении шкалы. Если при полность открытом вентиле (13) поплавок ротаметра не дотигнет предельного значения, плавным вращением винта задатчика РД (4) (по часовой стрелки) установить такое значение давления (за регулятором) Р2, при котором поплавок ротаметра достигнет максимального  значения шкалы.
  8.  Записать в протокол наблюдений (таблица 2) показания манометра Р 2 (4) и Р 4 (11)
  9.  Вращение ручки вентиля-натекателя ротаметра (6 или 7) добиться установки поплавка ротаметра на минимальном значении шкалы ротаметра
  10.  Записать показания значений давлений Р1 , Р2, Р3 в протокол наблюдений (таблица 2)
  11.  Установить поплавок ротаметра на заданные (преподавателем) значения шкалы
  12.   Добиться  установившегося положения поплавка ротаметра, зафиксировать (визуально) положение стрелки газового счётчика (14) и начать фиксировать время  прохождения (через газовую систему стенда) определенного расхода газа
  13.  По прошествии заданного расхода газа (учитывается счётчиком) зафиксировать время его прохождения.
  14.  Записать показания значений давлений Р1 , Р2, Р3, объём прошедшего газа и время его прохождения в протокол наблюдений (таблица 2)
  15.  Установить поплавок ротаметра на очередном положении шкалы (дается преподавателем) и повторить операции, отвечающие  п.12 – п.14.
  16.  Вычислить (для каждого измерения) коэффициент приведения показаний ротаметра к нормальным условиям ( Па и К)  по следующим формулам:

при использовании в качестве контрольного расходомера образцового ротаметра:

 ,  (19)

при использовании в качестве контрольного расходомера счетчика газового (объемного расходомера):

 ,  (20)

В формулах (19) и (20):

- абсолютное давление газа, Па;  - барометрическое давление, Па;  - температура газа, К;

17.  После приведения расхода газа к нормальным условиям заполнить форму табл.2 и построить градуировочный график зависимости расхода газа Vн от числа делений ротаметра n  (см. образец оформления лабораторной работы).

Градуировка регулятора расхода газа (РРГ)

1.  Подайте напряжение питания на регулятор

2.  Подайте в магистраль рабочий газ под давлением от Р1мин= 30 кПа до Р1макс = 300 кПа

3. Нажмите кнопку «Открыто» и в течение 5 минут продуйте регулятор. Верните кнопку в исходное состояние

4. Нажмите кнопку «Закрыто»

5.  Перекройте расход газа клапаном (9) или краном (12)

6.  Пргрейте регулятор в течение 1часа

7. Установите резистором R6  «Уст -  0» Uвых = ±5 мВ, откойте клапан (9) или кран (12) и верните кнопку «Закрыто» в исходное состояние

8.  Подайте расход газа, равный 70% от верхнего предела прибора, т.е. Vг =  07 Vвп

9.  Резистором R19 «Калибр» установите Uвых = (7,02 ± 0,02) В

  1.    Перекройте расход газа и установите Uвых = ±5 мВ
  2.    Повторите операции по пп.2-4 три раза
  3.   Провести три цикла измерение выходного напряжения в точках (5,10,20,30,40,50.60,70.80,90,100,103)%  отVвп
  4.  Заполнить форму табл.3, определить средние значения Uвых  каждого измерения и по средним значениям Uвых постройть статическую характеристики преобразователя регулятора в виде зависимости  Uвых г = f (V г) и  V гн = φ (ΔР2-3)

Проверку «0» (нуля) выходного напряжения производится перед каждым циклом работы регулятора. Подстройка «0» (нуля) производится в случае если Uвых > (±20) В

Определение пропускной способности РД

  1.  Подсоединить к стенду источник газа (сжатый воздух, газ из баллона);
  2.  С помошью редуктора установить давление газа (на источнике) Р вх ≤ (3 ÷ 4).105 Па, подать газ на стенд и убедиться в его герметичности;
  3.   Вращением регулировочного винта задатчика РД (4) по часовой стрелке (до упора) установить максимальную пропускную способность РД;
  4.   Открыть полностью вентили 1,13 и вентили-натекатели  ротаметров (6) и (7);
  5.   В протокол наблюдений  ( таблица 4) записать показания манометров  и  и показания ротаметров (6) и (7) (или иного контрольного расходомера), просуммировав их расход;
  6.   Вычислить значения  и ;
  7.   Вычислить пропускную способность  по формуле (6), если ;
  8.   Вычислить значение , отвечающее заданному положению задатчика РД, давлению  и расходу газа ;
  9.   Изменить положение рукоятки задатчика РД, установив новое давление газа за РД - ;
  10.   Повторить (7 - 10 раз) в той же последовательности все операции, вычислив  и определив расход газа, отвечающий этому новому положению задатчика;
  11.   Построить универсальный график истечения газа через регулирующий орган;
  12.   Проанализировать полученные результаты и  сделать выводы о рабочих характеристиках РД.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

  1.  наименование и цель работы;
  2.  перечень основных элементов газовых систем с кратким описанием их принципа работы;
  3.  схему стенда газового;
  4.  схему стенда газового;
  5.  схему стенда газового;
  6.   схему стенда и эскизы конструкции основных элементов газовых систем;
  7.  протоколы наблюдений (табл. 2,3 и 4) с исходными данными и рассчитанными величинами;
  8.  графики градуировки ротаметров, регулятора расхода газа, зависимостей расхода  от параметра  и универсальной зависимости

  1.  выводы о рабочих характеристиках РД и их исполнительных органах.

Контрольные вопросы

  1.  Каково назначение газовых систем?
  2.  Перечислите элементы аппаратуры газовых систем и расскажите о ее назначении.
  3.  Назовите основные типы дозаторов и дайте краткую характеристику принципов их работы.
  4.  Объясните устройство и принцип работы запорных устройств
  5.  Объясните устройство и принцип работы регуляторов давления.
  6.  Объясните устройство и принцип работы регуляторов расхода реагента.

7.Что такое пропускная способность исполнительных устройств и как она определяется?

  1.  Расскажите об устройстве и принципе работы ротаметра.
  2.  Расскажите о принципе работы тепловых расходомеров.
  3.  Что такое коэффициент расхода?
  4.  Чем массовый расходомер отличается от объемного?

     

     Литература

1. БАРИЛ М.А., САМОЙЛИКОВ В.К. Газовые системы оборудования производства полупроводниковых приборов и интегральных схем. -М.: Энергия, 1978. - 112 с.

2. ПРЕОБРАЖЕНСКИЙ В.П. Теплотехнические измерения и приборы. -М.: Энергия, 1978. - 704 с.


Приложение

Форма таблицы  1

Номер замера

Деление ротаметра , дел

Показания контрольного расходомера

Время , с

Расход в мин 60, л/мин

Температура газа

Давление газа

Коэффициент  

Расход газа нл/мин

 

К

К

, дел

, кг/см

, Па

, Па

, Па

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

5

10

20

40

60

80

90

100

70

50

30

Форма табл. 2

Номер замера

По барометру , Па

Давление газа

Отношение

Параметр истечения

Температура Т, К

Плотность , кг/

Расход газа

Пропускная способность РД ,

Характерное  отношение

до РД*

За РД

Перепад на РД , Па

Истинный , /ч

коэффициент

Приведенный , /ч

Относительный

по манометру

Абсолютное , Па

по манометру

, дел

, Па

, дел

, Па

1

2

3

4

5

6

7

8

*Тип исследуемого регулятора давления (РД) задается преподавателем.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

41259. Встановлення нормальності перманганату калію за вихідними речовинами 83.5 KB
  З рівняння видно що окиснювальний потенціал сильно залежить від рН розчину. В іншому випадку можливий перебіг побічних процесів наприклад: Для підкислення розчину застосовуеться звичайно сірчана кмслота оскільки HCl відновлюється перманганатом а азотна кислота сама здатна виступати як окисник що зрозуміло у кількісному аналізі неприпустимо. Приготування робочого розчину Як видно з рівняння реакції еквівалентна маса KMnO4 дорівнює Ми ділемо молярну масу на 5 у даному випадку тому що молярні маси еквівалентів в окисновідновних реакціях...
41260. Приготування та встановлення нормальності робочих розчинів йодометрії 92.5 KB
  Загальна характеристика методу Методи які базуються на виділенні або поглинанні йоду називаються йодометрією і займають особливе місце серед інших методів редоксометрії. Сильні відновники SnCl2 N3SO3 та інші визначають прямим титруванням робочим розчином йоду подібно перманганатометрії дихроматометрії тощо. До розчину окисника додають спочатку надлишок йодиду калію при цьому виділяється еквівалентна кількість йоду який відтиттровують тіосульфатом натрію. Деякою перепоною для широкого впровадження йодометрії при масових аналізах є...
41261. Комплексна функція електричного кола і частотні характеристики лінійних електричних кіл 247 KB
  Аналіз ланцюгів синусоїдального струму показує що амплітуди і початкові фази струмів у гілках і напруг на елементах ланцюга в загальному випадку залежать не тільки від схеми і параметрів її елементів не тільки від амплітуди і початкової фази коливань джерел що діють у ланцюзі але і від частоти цих коливань. Іншими словами характеристики процесів у ланцюгах істотно залежать від частоти. Визначаючи реакції одного і того ж ланцюга на гармонійні впливи з однаковими амплітудною і початковою фазою але різною частотою і порівнюючи них легко...
41262. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ПЕРЕХІДНІ ПРОЦЕСИ В ЕЛЕКТРИЧНИХ ЛАНЦЮГАХ 255.5 KB
  Розрізняють два режими роботи ланцюга: сталий стаціонарний і несталий перехідний нестаціонарний. Несталим режимом або перехідним процесом у електричного ланцюга називають элекромагнитный процес що виникає у ланцюзі при переході від одного сталого режиму до іншого. Цей процес виникає в електричних ланцюгах при підключенні до них або відключенні від них джерел елект...
41263. Перехідні процеси в нерозгалужених колах першого порядку 190 KB
  Перехідні процеси у нерозгалужених ланцюгах першого порядку с джерелом постійної напруги Перехідні процеси в ланцюгах першого порядку з джерелом постійної напруги можуть виникнути як при підключенні джерела до ланцюга так і при стрибкоподібній зміні її чи схеми параметрів її елементів. Методику аналізу перехідних процесів що виникають у нерозгалуженому ланцюзі першого порядку при підключенні до неї джерела постійної напруги при нульових початкових умовах розглянемо на прикладі ланцюга r мал. На підставі другого закону...
41264. Аналіз проходження сигналів через лінійні електричні кола методом інтегралу Дюамеля 116.5 KB
  При малій тривалості Δτ реакція ланцюга на кожен імпульс fвх kt відповідно до формули 18.3 визначається за допомогою її імпульсної характеристики як добуток: fвых kt= tτSиk = tτ fвх τΔτ.8 Реакцію ланцюга на вплив fвх t відповідно до принципу накладення: знайдемо як суму реакцій fвых kt n τ=nΔt fвых t= Σ fвых kt= Σ fвхτtτΔτ.9 k=0 τ=0...
41265. Операторні передавальні функції 180.5 KB
  Операторной передатною функцією лінійного електричного ланцюга ДОр називають відношення зображення вихідної величини Xρ до зображення вхідної величини Fp при нульових початкових умовах: дор=Xρ Fρ.23...
41266. Числівник як повнозначна частина мови 69 KB
  Розряди числівників за значенням та граматичними ознаками. Особливості відмінювання та правопису числівників. Сполучення числівників з іменниками Пономарів Правопис. Вся складна система числівників базується на: десяти назвах чисел першого десятка: один два три чотири п’ять шість сім вісім дев’ять десять шести числових назвах: нуль сорок сто тисяча мільйон мільярд.
41267. Займенник як частина мови 46.5 KB
  Займенник як частина мови. Розряди займенників за значенням. Відмінювання та правопис займенників. Займенник – самостійна частина мови яка лише вказує на предмети ознаки та кількість але не називає їх.