Способ повышения верхнего предела измерения давления термоэлектронного манометра - RU2690049C1
Код документа: RU2690049C1
Описание
Изобретение относится к технике измерения вакуума и может быть использовано при создании термоэлектронных манометров с прямонакальным катодом и пределами измерения от 105 Па до 10-8 Па.
Для измерения высокого и сверхвысокого вакуума широкое распространение получили термоэлектронные манометры с ионизационными манометрическими преобразователями с термокатодом [1, 2]. В них электроны, испускаемые нагретым до 2500 К прямонакальным катодом, ускоряются в направлении сетчатого анода, находящегося под положительным относительно катода потенциалом, и производят ионизацию молекул газа. Часть образующихся положительных ионов поступает в цепь коллектора, потенциал которого ниже потенциала катода. В рабочем диапазоне измеряемых давлений ток коллектора ионов пропорционален давлению газа. С помощью такого преобразователя обеспечивается измерение давления в диапазоне 1-10-8 Па. Например, отечественный ионизационный манометрический преобразователь ПМИ-2 измеряет давление в диапазоне 1-10-5 Па. Отечественный ионизационный манометрический преобразователь ПМИ-27 измеряет давление газа в диапазоне 1-10-8 Па. Современные манометрические преобразователи типа Баярда-Альперта корейской компании KVC измеряют давление в пределах 1-10-8 Па, манометрические преобразователи AIGX (модель AIGX-S-NW25) компании Edwards - 5 - 5⋅10-8 Па. [3].
Измерение давлений выше 1 Па ограничено тем, что ток ионов, поступающих на катод, становится соизмеримым с электронным, что приводит к появлению погрешности в поддержании постоянным электронного ионизирующего тока, возможностью возникновения газового разряда между катодом и ускоряющим электродом, окислением нагретого до температуры 2500 К катода и его разрушением. Как правило, в вакуумных системах при наличии ионизационного манометрического преобразователя обязательно присутствует низковакуумный манометрический преобразователь, поскольку откачка вакуумной системы обычно начинается с атмосферного давления и необходимо определять давление, при котором можно включить термоэлектронный манометр.
Для расширения диапазона измеряемых давлений в вакуумной системе используют либо два отдельных манометрических преобразователя (низковакуумный и высоковакуумный) со своими измерительными блоками, либо размещение в одном вакуумноплотном баллоне низковакуумного и высоковакуумного манометрических преобразователей. Так в широкодиапазонном вакуумметре фирмы Televac СС-10 в диапазоне давлений от 105 Па до 1 Па используется кристаллический кварцевый манометрический преобразователь, а в диапазоне 1 Па-10-7 Па используется двойной инверсно-магнетронный манометрический преобразователь с холодным катодом [4].
С такой же целью в манометрическом преобразователе WPC400 в одном баллоне размещены манометрический преобразователь Пирани и ионизационный манометрический преобразователь с холодным катодом [5].
В манометрическом преобразователе WPH-300 в одном баллоне размещены манометрический преобразователь Пирани и ионизационный манометрический преобразователь с горячим катодом (манометрический преобразователь типа Баярда-Альперта) [5]. Оба манометрических преобразователя действуют одновременно. Аналогичное решение использовано в манометрических преобразователях компании Agilent серий FRG-730 [6].
Наиболее близким к заявляемому техническому решению можно считать способ расширения диапазона измеряемого давления, основанный на размещении в одном баллоне ионизационного манометрического преобразователя типа Баярда-Альперта и теплового манометрического преобразователя (манометра Пирани) [5, 6].
В то же время многими фирмами выпускаются ионизационные манометрические преобразователи без встроенных в их баллон низковакуумных манометрических преобразователей, например, датчики AIGX (модель AIGX-S-NW25) компании Edwards с диапазоном измеряемых давлений 5 - 5⋅10-8 Па. Все отечественные ионизационные преобразователи с термокатодом (ПМИ-2, ПМИ-27, ПМИ-51, МИ-10-2) также не имеют встроенных в баллон низковакуумных манометрических преобразователей.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение верхнего предела измерения давления термоэлектронного манометра в сторону больших давлений, вплоть до атмосферного, при помощи электродной системы ионизационного манометрического преобразователя.
Эта задача решается путем использования нити катода ионизационного манометрического преобразователя для реализации теплового манометрического преобразователя (манометра Пирани [1, 2]), в котором используется зависимость сопротивления нагретой нити накала катода от давления газа. С целью расширения верхнего предела измерения давления газа используется переключение ионизационного преобразователя из ионизационного режима в режим теплового манометрического преобразователя, который реализуется путем приложения к выводам катода ионизационного манометрического преобразователя напряжения в виде периодически следующих прямоугольных импульсов и определения интеграла тока накала по времени за время действия импульса напряжения, а в качестве меры давления используется информативный параметр X=(Ip-I0)/(Im-I0), где Ip - интеграл тока накала катода по времени за время действия импульса при текущем давлении, I0 - интеграл тока накала катода по времени за время действия импульса при давлении ниже 0,133 Па, Im - интеграл тока накала катода по времени за время действия импульса при атмосферном давлении, а значение параметра X переводится в величину давления с помощью математического выражения, соответствующего используемому типу ионизационного манометрического ионизационного преобразователя, по предварительно полученным значениям Im и I0, при этом на другие электроды ионизационного манометрического преобразователя напряжения не подаются.
Для построения градуировочной кривой теплового манометрического преобразователя производится измерение интегралов тока накала катода при атмосферном давлении и давлении ниже 0,133 Па. По этим параметрам с помощью соответствующего математического выражения для каждого типа ионизационного манометрического преобразователя воспроизводится граду-ировочная кривая теплового манометрического преобразователя в памяти измерительного блока вакуумметра.
Импульсный режим нагрева нити накала используется для снижения времени воздействия агрессивных газов на разогретую до температуры порядка 700 К нить накала. Интегрирование тока накала за время действия импульса обеспечивает снижение погрешности измерения давления при действии электрических помех.
Поскольку в различных экземплярах ионизационных манометрических преобразователей одного типа имеется разброс сопротивлений нити накала, то определяется относительное изменение сопротивления при данном давлении газа, что обеспечивается делением (IP-I0) на (Im-I0).
Преимуществом предлагаемого способа расширения диапазона измерения давления по сравнению с аналогами является возможность использования имеющихся ионизационных манометрических преобразователей с прямонакальным катодом для реализации широко диапазонного вакуумметра, которые значительно дешевле комбинированных манометрических преобразователей.
Литература
1. Востров Г.А., Розанов Л.Н. Вакуумметры. - Л.: Машиностроение, 1967.
2. Гуляев М.А., А.В. Ерюхин Измерение вакуума. - М: Издательство комитета стандартов 1967, 148 с.
3. www.edwardsvacuum.com
4. Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.w.televac.ru>catalog/cc_10_wide_wakuumetr.php
5. www.zencoplazma.ru
6. www.taco-line.ru
Реферат
Изобретение относится к технике измерения вакуума и может быть использовано при создании термоэлектронных манометров с пределами измерения от атмосферного давления до 10Па с помощью ионизационного манометрического преобразователя. Предлагается способ повышения верхнего предела измерения давления термоэлектронного манометра с ионизационным манометрическим преобразователем с прямонакальным катодом. Согласно заявленному способу с целью расширения верхнего предела измерения давления газа до атмосферного используется переключение ионизационного манометрического преобразователя в режим теплового манометрического преобразователя (манометра Пирани), реализующийся путем приложения к нити накала катода напряжения в виде периодически следующих прямоугольных импульсов и определения интеграл тока нити накала по времени за время действия импульса напряжения. В качестве меры давления используется информативный параметр X=(I-I)/(I-I), где I- интеграл тока накала катода по времени за время действия импульса при текущем давлении, I- интеграл тока накала катода по времени за время действия импульса при давлении ниже 0,133 Па, I- интеграл тока накала катода по времени за время действия импульса при атмосферном давлении, а значение параметра X переводится в величину давления с градуировочной зависимости параметра Х от давления газа, полученной предварительно совместно со значениями Iи Iдля используемого типа ионизационного манометрического ионизационного преобразователя, при этом на другие электроды ионизационного манометрического преобразователя напряжения не подаются. Технический результат - повышение верхнего предела измерения давления газа до атмосферного. 2 з.п. ф-лы.
