NI LabVIEW ayuda a equilibrar la próxima generación de bombas turbomoleculares

Rendimiento ultraalto de la bomba de vacío

Edwards, un fabricante líder de equipos de vacío y reducción, presta servicios a algunas de las industrias más avanzadas del mundo, incluidos semiconductores, productos farmacéuticos y energía solar, y facilita la investigación de vanguardia en campos como la energía renovable, la genética, la investigación con células madre y la física de partículas.

Entre los nuevos productos más innovadores de la compañía se encuentra la bomba de vacío molecular nEXT Turbo, que proporciona un rendimiento de vacío ultraalto mediante la utilización de un rotor de turbina que gira a 60.000 rpm, con una velocidad de punta de pala que se aproxima al 90% de la velocidad del sonido.

Una aplicación clave para este tipo de bomba es en el laboratorio, donde la bomba se incorpora en equipos de espectrometría de masas y microscopía electrónica para proporcionar el entorno de vacío ultra alto necesario para permitir que las partículas ionizadas lleguen a los detectores. Sin embargo, este tipo de instrumentos son muy sensibles a las vibraciones y a las interferencias electromagnéticas. Con esto en mente, la bomba nEXT fue diseñada para ofrecer niveles significativamente más bajos de vibración y campos magnéticos parásitos que cualquier bomba alternativa.

Creación de una solución interna

Fabricar una bomba capaz de lograr un rendimiento de vibración líder en su clase, mientras que también gira cuatro veces más rápido que un motor de Fórmula 1, no es una tarea fácil. Requiere que el rotor de la bomba se equilibre dentro de tolerancias extremadamente ajustadas, con niveles de vibración residual tan bajos que la medición de esta vibración, para lograr las tolerancias de equilibrio requeridas, estaba más allá de la capacidad de cualquiera de nuestros equipos de equilibrio existentes.

Naturalmente, se contactó a los proveedores de estas plataformas, con miras a comprar nuevos sistemas o actualizaciones, pero pronto se hizo evidente que ninguno de estos sistemas estándar sería capaz de satisfacer nuestros requisitos especializados.

A falta de pocas semanas para el lanzamiento de nuestro producto, el reto se convirtió en desarrollar una solución interna. Aunque hemos utilizado varios proveedores de hardware de prueba y lenguajes de programación a lo largo de los años, los productos de National Instruments, incluido el software de diseño de sistemas LabVIEW, han surgido como estándares aceptados en nuestra empresa, no solo para pruebas de producción, sino también en nuestros centros de servicio de todo el mundo y en nuestros laboratorios para facilitar la investigación y el desarrollo continuos.

El uso generalizado de LabVIEW dentro de nuestra empresa, junto con su facilidad de uso y una compatibilidad sin igual con NI y hardware de terceros, lo convirtieron en una opción obvia para esta aplicación. Para cumplir con nuestros exigentes requisitos de captura de señal, elegimos el NI-9234 DSA de cuatro canales. Si bien su frecuencia de muestreo de 51,2 kS/s, su resolución de 24 bits y su excelente rango de entrada dinámica de 102 dB satisfacían con creces nuestros requisitos, este módulo también ofrecía las ventajas de una integración perfecta con acondicionamiento de señales LabVIEW e IEPE. Podemos conectarnos directamente a un acelerómetro, simplificando así la construcción general del sistema.

Implementación

El trabajo comenzó con el uso del módulo DSA, junto con el NI Sound and Vibration Toolkit, para armar un prototipo de sistema que podría usarse para probar el concepto. Se acopló un acelerómetro al cuerpo de la bomba y se utilizó un fotosensor para detectar la posición del rotor de la bomba y proporcionar una referencia de velocidad del tacómetro. El fotosensor es un dispositivo digital que emite un solo pulso corto en cada rotación del rotor. Conectar un sensor digital como este a una entrada analógica normalmente no es viable. Sin embargo, el software de la suite de medición lo hizo posible al ofrecer varias funciones para reconstruir la señal de taco original del dominio analógico. Utilizando el Asistente de Sonido y Vibración NI incluido en el paquete de software de medición y el hardware NI, armamos un prototipo de sistema de trabajo en cuestión de horas, demostrando la viabilidad de una solución interna.

El siguiente paso fue trasladar el prototipo a LabVIEW, para poder comenzar a trabajar en la aplicación completa. El Asistente de sonido y vibración lo hizo fácil al generar el código LabVIEW para nosotros y proporcionar una base para el desarrollo del software.

A partir de aquí, fue relativamente simple agregar una interfaz de usuario, funciones de calibración, diálogos para ajustar parámetros específicos del producto y el código para calcular el desequilibrio de la bomba a partir de los datos de vibración medidos. La metodología para estos cálculos es bien conocida, con amplia literatura disponible sobre este tema. Sin embargo, al calcular el desequilibrio y las masas que deben agregarse para corregirlo, generalmente se da por sentado que cualquier medición se realizará lo más cerca posible de la fuente. En nuestro caso, esto no fue posible porque el rotor está contenido dentro de una carcasa de bomba que impide que las mediciones se realicen directamente, lo que hace que el proceso de estimación del desequilibrio real sea menos sencillo. Las soluciones estándar no están diseñadas para hacer frente a estas desviaciones de la práctica estándar, lo que obliga a los operadores a compensar realizando los cálculos manualmente. Nuestra solución interna nos permitió incorporar el conocimiento y las prácticas de la empresa para hacer el sistema más intuitivo y mejorar el flujo de trabajo de producción y la eficiencia de fabricación. Además, al agregar una herramienta de software interactiva para ayudar a los operadores a obtener la masa de corrección requerida a partir de pesos estándar, mejoramos la experiencia del cliente y obtuvimos más mejoras en el flujo de trabajo.

Finalmente, utilizando el paralelismo inherente en LabVIEW y las dos entradas restantes de DSA, escalamos el software para apoyar el equilibrio en dos bombas al mismo tiempo. Por lo tanto, desarrollamos dos plataformas de equilibrio por una fracción del precio de uno. El desarrollo completo, desde la prueba de concepto hasta la validación y entrega final de la solución de trabajo, tomó poco menos de cinco semanas.

Aprovechar los beneficios

Usando LabVIEW, hardware de adquisición de datos NI y el paquete de medición de sonido y vibraciones NI, desarrollamos un sistema de balance robusto y fácil de usar con un rango de entrada dinámico que supera con creces el de cualquier sistema disponible comercialmente, a una fracción del costo y dentro de un plazo de proyecto extremadamente ajustado.

Además de ahorros significativos en los costos, la producción de una solución personalizada proporcionó varios beneficios, incluyendo una mejor precisión de medición, mejoras en el flujo de trabajo y la eficiencia de la producción, y un soporte muy simplificado (si alguna vez se rompe, podemos arreglarlo nosotros mismos).

Desde que presentamos la solución el año pasado, hemos ido más allá de las especificaciones originales y hemos adaptado la aplicación para permitir el equilibrado en toda nuestra gama de turbobombas, de modo que sirva como un sustituto universal para los bancos de equilibrado comerciales. A medida que nuestra empresa se expande, las herramientas de distribución integradas de LabVIEW facilitan la implementación de esta solución a nivel mundial a nuevas instalaciones de servicio y fabricación, ofreciendo así los sustanciales ahorros de costos continuos y mejoras en los procesos de producción necesarios para ayudar a garantizar el lugar de Edwards como líder mundial.

Información del autor:

Gerard Johns
Edwards
15 Marshall Road, Hampden Park
East Sussex BN22 9BA
Reino Unido
Tel: 01323 525327
gerard.johns@edwardsvacuum.com