УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ Российский патент 2005 года по МПК G01L21/34 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для обнаружения потока разреженного газа, измерения его концентрации и направления, в частности, в космонавтике.

Известны ионизационные и магниторазрядные измерители давления разреженного газа (вакуумметры). Их принцип действия основан на зависимости числа ионизированных в объеме (ионизационной камере) соответствующего преобразователя молекул от давления газа [1]. Как правило, вакуумметры имеют градуировочную характеристику, устанавливающую связь выходного параметра (ток, напряжение) и давления.

Преобразователь ионизационного вакуумметра содержит источник электронов - накальный катод, анод, ускоряющий и отводящий первичные и вторичные электроны и специальный приемник ионов - коллектор. Электроны, имитируемые катодом, движутся к аноду под воздействием создаваемого им ускоряющего электрического поля, сталкиваются по пути с молекулами разреженного газа, имеющимися в объеме преобразователя, и ионизируют их. Положительные ионы, собираемые коллектором, образуют в цепи коллектора ток, который при фиксированном потоке электронов пропорционален молекулярной концентрации газа.

Недостатком указанного преобразователя является зависимость результатов измерения от потока имитируемых накальным катодом электронов. Изменение потока приводит к дополнительной погрешности измерения, что на практике требует применения мер по его стабилизации, а также сравнительно малый срок службы преобразователей (из-за наличия накаленного катода) и низкая механическая прочность конструкции. Это определяет относительно невысокие эксплуатационные характеристики ионизационного преобразователя в жестких условий эксплуатации на космических аппаратах.

От указанных недостатков свободны преобразователи магниторазрядного вакуумметра [1], в котором ионизация разреженного газа обеспечивается за счет самостоятельного газового разряда, возникающего под действием электрического и магнитного полей.

За прототип выбран магниторазрядный измеритель плотности (МИП) с преобразователем инверсно-магнетронного типа, использовавшийся для исследования параметров разреженной атмосферы, окружающей космический аппарат в орбитальном полете [2]. Конструкция МИП с преобразователем “открытого” типа содержит корпус с установленными в нем кольцевой магнитной системой и соосно с ней ионизационной камерой, образованной не проницаемыми для набегающего потока соосными цилиндрическими катодом и анодом, а также торцевыми сетками. Ось катода и анода (ось ионизационной камеры) совпадает с направлением постоянного магнитного поля. Перпендикулярно оси расположены торцевые сетки, через которые газовые потоки поступают в ионизационную камеру, обеспечивая газовый обмен между внешней средой и ионизационной камерой. Анод МИП через балластное сопротивление подключен к плюсовому выходу источника питания, а катод соединен с первым входом измерителя тока, второй вход которого соединен с корпусом и минусовым выходом источника питания. Используя градуировочную характеристику МИП по выходному напряжению измерителя тока, судят о величине давления.

Недостатком данного МИП является то, что он измеряет лишь один параметр и не может обнаруживать наличие динамического газового потока и измерять его параметры.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей устройства для обнаружения и измерения параметров динамического газового потока.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в устройстве, содержащем корпус с установленной в нем кольцевой магнитной системой и соосно с ней ионизационной камерой, образованной не проницаемыми для газового потока соосными цилиндрическими катодом и анодом, ось которых совпадает с направлением постоянного магнитного поля, и расположенными перпендикулярно оси торцевыми сетками, источник питания, плюсовой выход которого через балластное сопротивление подключен к аноду, измеритель тока, один вход которого подключен к катоду, а второй вход соединен с корпусом и минусовым выходом источника питания, катод разделен на электрически изолированные друг от друга части, торцевые сетки выполнены с неоднородной проницаемостью и зафиксированы относительно частей катода, дополнительно установлены измерители тока в количестве n-1, где n - количество частей катода, выходы измерителей тока соединены со входами вычислителя для вычисления параметров газовых потоков.

Выполнение сеток с неоднородной проницаемостью позволяет получить в камере распределение концентрации, которое, с одной стороны, зависит от характера неоднородности проницаемости сетки, а с другой - от параметров газового потока, таких как концентрация разреженного газа равновесного газового потока, наличие направленного движения разреженного газа (динамический газовый поток), концентрация, скорость и направление вектора скорости динамического газового потока.

Для выявления образовавшегося распределения концентрации катод разделен на электрически изолированные друг от друга части и зафиксирован относительно сеток, что позволяет измерять катодный ток и, следовательно, концентрацию газовой среды отдельно в каждой части ионизационной камеры, тем самым определяя распределение концентрации в ионизационной камере, и рассчитывать параметры газового потока.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства для измерения равновесного газового потока и направленного по оси ионизационной камеры динамического газового потока; на фиг.2 - ионизационная камера с катодом, разделенным на две части. На фиг.3 - ионизационная камера с катодом, разделенным на четыре части.

Устройство для измерения параметров газового потока (фиг.1) состоит из корпуса 1, магнитной системы 2, катода, разделенного на две части 3 и 4, торцевых сеток 5 и 6, которые имеют неравномерную проницаемость для газового потока и зафиксированы относительно частей катода так, что создают вместе с ними две части, образующие ионизационную камеру (фиг.2), анода 7, подключенного через балластное сопротивление 8 к одному из выходов источника питания 9, измерителей тока 10 и 11, первые входы которых подключены к частям катода, вторые входы к минусовому выходу источника питания и корпусу, а выходы ко входам вычислителя 12, с выхода которого получают значения концентрации обоих газовых потоков.

Устройство работает следующим образом. При подаче на анод напряжения в ионизационной камере возникает самостоятельный газовый разряд. Токи частей катода пропорциональны концентрации разреженной газовой среды соответствующей части ионизационной камеры. Концентрация разреженной газовой среды в каждой части является суммой концентраций, создаваемых в них каждым потоком. Благодаря неоднородной проницаемости сеток каждый поток будет создавать в каждой части камеры свою концентрацию разреженного газа. Концентрация будет больше в той части ионизационной камеры, которая для данного потока имеет большую проницаемость торцевой сетки. По результатам измерения токов частей катода можно судить о концентрации каждого потока.

Действительно, напряжения на выходе измерителей тока:

где α₁, α₂,- коэффициенты преобразования 3 и 4 частей катода и подключенных к ним соответственно 10 и 11 измерителей тока;

N₁, N₂, - концентрация газа в первой и второй частях ионизационной камеры, образованной 3 и 4 частями катода соответственно.

При этом:

где N_с - концентрация равновесного газового потока;

N_v - концентрация направленного по оси динамического газового потока.

k₁, l₁, k₂, l₂, - коэффициенты пропорциональности концентрации в первой и второй частей ионизационной камеры для каждого вида газового потока соответственно.

Подставляя значения из (2) в (1), получаем

Решение системы уравнений (3) имеет вид

где A_1c, A_2c, A_1v, A_2v - конструктивные характеристики устройства, могут быть получены расчетным и эмпирическим путем.

При симметричной конструкции ионизационной камеры и одинаковых характеристиках измерителей тока можно принять α₁=α₂=α, k₁=k₂=k, тогда

где A, В, С - коэффициенты, определяемые конструктивными характеристиками устройства;

ΔU=U₂-U₁ - разностный сигнал двух измерителей тока;

UΣ=U₂+U₁ - суммарный сигнал двух измерителей тока.

Коэффициенты А, В, С могут быть получены при градуировке устройства и расчетным путем. Для этого при отсутствии динамического газового потока N_v=0, ΔU=0 при известной концентрации равновесного газового потока Nc определяется коэффициент А. Затем при известной концентрации равновесного газового потока N_c и динамического газового потока N_v с заданными динамическими характеристиками определяются коэффициенты В и С.

Другой вариант - устройство для измерения параметров - концентрации равновесного газового потока, концентрация и направления вектора динамического газового потока - газовых потоков отличается от предыдущего тем, что катод разделен на четыре части 3, 4, 13, 14 и совместно с торцевыми сетками 5 и 6, имеющими неравномерную проницаемость для газового потока и зафиксированными относительно частей катода, образуют четыре части, образующие ионизационную камеру (фиг.3), введены дополнительно два измерителя тока, а с выхода вычислителя получают

- значения концентраций обоих газовых потоков;

- два угла, характеризующие направление вектора динамического газового потока.

Аналогично предыдущему напряжения на выходе измерителей тока:

где α₁, α₂, α₃, α₄ - коэффициенты преобразования 3, 4, 13, 14 составной части катода и подключенных к ним измерителей тока соответственно;

N₁, N₂, N₃, N₄ - концентрация газа в первой, второй, третьей и четвертой частях ионизационной камеры, образованной 3, 4, 13, 14 составной частью катода соответственно.

При этом:

где N_c - равновесный газовый поток;

N_z, N_x, N_y - проекции вектора динамического газового потока на оси Z, X, Y ионизационной камеры соответственно;

k_i, l_i, m_i, n_i, (i=1...4) - коэффициенты пропорциональности концентрации в первой, второй, третьей и четвертой частях ионизационной камеры для каждого вида газового потока соответственно.

Подставляя значения из (2) в (1), получаем

(8) представляет собой систему линейных уравнений, в которой число уравнений равно числу неизвестных. Определитель системы:

Элементы определителя системы являются величинами, определяющими конструктивные характеристики устройства.

Решение системы:

где D_c, D_z, D_x, D_y - определители, полученные из определителя системы (D) заменой столбца, составленного из коэффициентов при неизвестном, столбцом, составленным из свободных членов.

Тогда:

где A_ic, А_iz, A_ix, А_iу (i=1...4) - конструктивные характеристики устройства. Могут быть получены расчетным и эмпирическим путем. Проекции набегающего потока могут быть определены:

Тогда получаем:

Пример конкретного выполнения устройства.

Было сконструировано и изготовлено предлагаемое устройство в соответствии с фиг.1, в котором цилиндрический катод был разделен на две равные части. Торцевые сетки представляли собой круглые диски из стали, одна половина которых была сплошной, то есть не проницаемой для газового потока, а отверстия во второй половины составляли около 80% ее поверхности и обеспечивали ее проницаемость для газового потока. Сетки были повернуты относительно друг друга на 180° и зафиксированы относительно частей катода так, что непроницаемая часть сетки совместно с соответствующей частью катода образовывала полуцилиндр. Высокое напряжение 1600 В от источника питания подавалось на анод через балластное сопротивление 10 МОм. Магнитная система преобразователя состояла из четырех кольцевых, соосно расположенных магнитов марки 15БА300 типа К100×50×9,0. Измерители тока представляли собой два идентичных преобразователя ток - напряжение и, в зависимости от величины входного тока, имели два коэффициента преобразования 10⁷ Ом и 10⁵ Ом. Переключение коэффициента преобразования автоматическое, причем с большего на меньший при выходном напряжении более 10 В, а с меньшего на больший при выходном напряжении менее 0,1 В. Выходные напряжения измерителей тока поступали на вычислитель, с выхода которого снимались суммарное и разностное напряжения двух измерителей тока (UΣ и ΔU). В состав вычислителя входил масштабирующий усилитель суммарного напряжения с коэффициентом усиления 10 и 1. Переключение коэффициента усиления автоматическое: при сумме напряжений измерителей тока менее 1 В коэффициент усиления равен 10, в противном случае - 1. Таким образом суммарное выходное напряжение имело 4 диапазона, а разностное - 2. Устройство предназначено для установки на внешней поверхности космических аппаратов и измерения параметров разреженных газовых потоков в условиях орбитального полета.

В наземных условиях, в отсутствие динамического потока, была проведена градуировка устройства в диапазоне от 10^-9 до 10^-4 мм рт.ст., которая выполнялась так же, как в прототипе, и получена зависимость давления Р равновесного газового потока от измеренной величины суммарного напряжения: Р=f(UΣ). Результаты градуировки приведены на фиг.4

Моделируя взаимодействие молекул газа с ионизационной камерой и используя метод статистических испытаний, было определено распределение концентрации газа внутри ионизационной камеры для различных видов газовых потоков: равновесного газового потока и двух видов динамического газового потока, направленного по оси ионизационной камеры. При этом результаты расчетов были нормированы относительно концентрации набегающего потока - относительная концентрация. Первый вид динамического газового потока соответствует потоку, набегающему на космический аппарат при его орбитальном полете, второй - однонаправленному газовому потоку с максвелловским распределением скоростей, возникающему, например, при вытекании газа из герметичного объема в вакуум. В условиях орбитального космического полета одновременно с динамическим газовым потоком существует равновесный газовый поток, создаваемый собственной внешней атмосферой космического аппарата.

Были вычислены средние относительные концентрации газа в каждой половине ионизационной камеры и определены соответствующие коэффициенты пропорциональности для каждого вида газового потока. Эти коэффициенты являются постоянными для данного исполнения устройства. Результаты моделирования и вычислений:

- для равновесного потока k=1,139;

- для динамического потока первого вида l₁=16,33, l₂=18,85;

- для динамического потока второго вида l₁=1,673, l₂=1,071.

По результатам градуировки, моделирования и вычисления коэффициентов пропорциональности получены выражения для расчета концентрации как равновесного газового потока, так и динамического газового потока по результатам измерений предлагаемым устройством. Результаты расчетов представлены в единицах давления, соответствующего молекулярной концентрации при Т=300 К.

Для первого вида динамического потока:

Для второго вида динамического потока:

где m=1 для 1 и 3 диапазонов; m=0 для 2 и 4 диапазонов суммарного сигнала.

Легко показать, что выражения (14) и (15) аналогичны выражению (5).

Действительно, если принять то

В качестве примера на фиг.5 приведены результаты расчета по формулам выражения (14). Приведенные графики построены для фиксированных значений суммарного напряжения: 1,2 В, 3,4 В, 7,5 В во 2 диапазоне, что соответствует значениям концентрации, полученным при градуировке устройства (фиг.4): 2,93·10^-8 мм рт.ст., 7,06·10^-8 мм рт.ст. и 1,50·10^-7 мм рт.ст. соответственно, и показывают зависимость концентрации равновесного газового потока и динамического газового потока первого вида от величины разностного напряжения.

Таким образом, используя разделение катода на части и применяя сетки с неравномерной проницаемостью для газовых потоков, зафиксированные по положению относительно частей катода, можно измерять несколько параметров потоков разреженного газа, причем количество параметров равно количеству составных частей, на которые разделен катод.

Источники информации

1. Кузьмин В.В. “Вакуумные измерения”, М., Изд-во стандартов, 1992 г.

2. Донской Л.А., Пылев В.П., Рабинович Б.А., Сергеев В.В. “Исследование параметров разреженной атмосферы, окружающей космические аппараты при орбитальном полете”. Научно-технические ведомости СПбГТУ №4(22) 2000, Санкт-Петербург, издательство СПбГТУ.

Использование: для обнаружения потока разреженного газа, измерения его концентрации и направления, в частности, в космонавтике. Устройство для измерения параметров газовых потоков содержит корпус с установленной в нем кольцевой магнитной системой и соосно с ней ионизационную камеру, образованную цилиндрическими катодом и анодом, ось которых совпадает с направлением постоянного магнитного поля, и расположенными перпендикулярно оси торцевыми сетками. Катод разделен на электрически изолированные друг от друга части, относительно которых зафиксированы торцевые сетки, выполненные с неоднородной проницаемостью. Кроме того, устройство имеет источник питания, который через балластное сопротивление подключен к аноду, и измеритель тока, один вход которого подключен к катоду, а второй вход соединен с корпусом и минусовым выходом источника, и дополнительно могут быть установлены измерители тока в количестве n-1, где n - количество частей катода, входы которых подключены к соответствующим частям катода, а выходы - к входам вычислителя для вычисления параметров газовых потоков. Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для обнаружения и измерения параметров динамического газового потока. 5 ил.

Устройство для измерения параметров газовых потоков, содержащее корпус с установленной в нем кольцевой магнитной системой и соосно с ней ионизационной камерой, образованной не проницаемыми для потока цилиндрическими катодом и анодом, ось которых совпадает с направлением магнитного поля, и расположенными перпендикулярно оси торцевыми сетками, проницаемыми для газового потока, источник питания, плюсовой выход которого через балластное сопротивление подключен к аноду, измеритель тока, один вход которого подключен к катоду, а второй вход соединен с корпусом и минусовым выходом источника питания, отличающееся тем, что катод разделен на электрически изолированные друг от друга части, торцевые сетки выполнены с неоднородной проницаемостью и зафиксированы относительно частей катода, дополнительно установлены измерители тока в количестве n-1, где n - количество частей катода, выходы измерителей тока соединены со входами вычислителя для вычисления параметров газовых потоков.