СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ВЕРХНЕГО ПРЕДЕЛА ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРОННОГО МАНОМЕТРА Российский патент 2019 года по МПК G01L21/30 G01L21/12 

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=(I_p-I₀)/(I_m-I₀), где I_p - 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, I_m - 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 I_m 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 (I_P-I₀) на (I_m-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

Изобретение относится к технике измерения вакуума и может быть использовано при создании термоэлектронных манометров с пределами измерения от атмосферного давления до 10^-8 Па 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_p-I₀)/(I_m-I₀), где I_p - 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, I_m - 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 I_m и I₀ для 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.

1. Способ повышения верхнего предела измерения давления термоэлектронного манометра, заключающийся в использовании для давлений ниже 0,133 Па ионизационного режима работы ионизационного манометрического преобразователя, отличающийся тем, что с целью расширения верхнего предела измерения давления газа до атмосферного используется переключение ионизационного манометрического преобразователя в режим манометра Пирани, 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=(I_p-I₀)/(I_m-I₀), где I_p - 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, I_m - интеграл тока накала катода по времени за время действия импульса при атмосферном давлении, а значение параметра X переводится в величину давления с помощью градуировочной зависимости параметра X от давления газа, полученной предварительно совместно со значениями I_m и I₀ для используемого типа ионизационного манометрического преобразователя, при этом на другие электроды ионизационного манометрического преобразователя напряжения не подаются.

1. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величина амплитуды импульса напряжения выбирается из условия допустимой температуры нагрева нити накала (500-700 К) при атмосферном давлении воздуха, которая исключает снижение эмиссионной способности катода при переключении манометрического преобразователя в ионизационный режим, а длительность импульса напряжения выбирается достаточной (например, 2 с) для повышения температуры катода до установившегося значения, период следования импульсов выбирается большим времени остывания катода до температуры окружающей среды (например, 20 с).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для уменьшения погрешности измерения давления при первом использовании образца манометрического преобразователя определяются значения интеграла тока по времени за время действия импульса напряжения I_р при атмосферном давлении и I₀ при давлении, меньшем 0,133 Па.