Способ контроля параметров газовой среды и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК G01L21/34 

112 Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для контроля параметров газовых сред при проведении технологических процессов при пониженных давлениях. Цель изобретения - повышение точности контроля параметров газовой среды при пониженных давлениях. Способ заключается в .том, что при создании электрического разряда над поверхностью звукопровода в результате взаимодействия по зерхностной акустической волны с электронно-ионной компонентой тока разряда происхо дит сильное изменение характеристик указанных волн. Однако такое взаимодействие эффективно лишь в том случае, когда кинетическая энергия заря женных частиц W у поверхности звукопровода не Превышает значительно их энергию в электрическом потенциале поверхностной акустической волны ц , т.е. , где N - зарядовое число Частицы; f - заряд электрона. При очень низких энергиях заряженных час тиц W 0,1 эВ, ввиду малости этой энергии взаимодействие неэффективно, и в то же время частицы с высокими энергиями W 10 эВ как бы не замечают неоднородный электростатический потенциал поверхностной акустической волны, поэтому взаимодействие ослаблено. Например, для LiNbO. элек ростатический потенциал мВ-1В а энергия заряженных частиц в таком поле равна 0,16-4,8 эВ. При низком давлении, когда влияние газового нагружения в отсутствие разряда на характеристики поверхностных акустических волн невелико, и при эффектив ном взаимодействии заряженных частиц с поверхностными акустическими волна ми в процессе разряда измеряемая раз ница в параметрах указанных волн существенна, что позволяет более точно судить о параметрах исследуемой газо вой среды. Изменение давления исследуемой га зовой средь сильно влияет на парамет ры разряда, в частности подвижность и концентрация носителей тока при разряде в интервале давлений 10 1 мм рт.ст. изменяются приблизительн на два порядка, что в свою очередь влияет на акустоэлектронное взаимодействие в исследуемой системе и,, ка следствие, происходит изменение характеристик поверхностных акустичес72ких волн, в данном способе предио-. гитеЛьнее создавать тлеющий разряд, поскольку для таунсендовского (темнового) разряда характерны очень малые токи разряда и слабое акустоэлектронное взаимодействие, а для дугового разряда - слишком большие токи при высокой кинетической энергии заряженных частиц и высокие температуры, что приводит к интенсивному испарению вещества, из которого изготовлены электрод1л и подложка. Отсюда вытекает и наиболее приемлемый для измерений диапазон исследуемых данным способом параметров газовой среды. Тлеюиулй разряд легко получить и поддерживать для давлений порядка 10 -10 мм рт .ст., так как при очень низком давлении ( мм рт.ст.) эмиссии электронов при бомбардировке катода положительными ионами недостаточно для поддержания тока разряда, а при давлении вьте 10 мм рт.ст. тлеющий разряд, как правило, переходит в дуговой. Поэтому предлагаемый способ наиболее приемлем при давлении порядка -10 мм рт.ст. О параметрах газовой среды можно судить и по разнице характеристик поверхностных акустических волн, измеренных при различных значениях тока разряда. Изменение тока разряда в исследуемой газовой среде приводит к изменению концентрации и кинетической энергии заряженных частиц в приповерхностном слое у звукопровода, поэтому для каждого значения тока разряда характерно свое акустоэлектронное взаимодействие, и, следовательно, характеристики Поверхностных акустических волн на выходном преобразователе в зависимости от величины тока разряда разные. Значения тока разряда выбирают исходя из типичных значений тока при тлеющем разряде . 10-10 А. При токах ниже 10 А процесс создания заряженных частиц в газе неустойчивый, разряд становится несамостоятельньЕч, а при токах выше разряд переходит в дуговой, что нежелательно. Изменяя направление тока разряда и измеряя при этом характеристики поверхностных акустических волн по их разнице можно также судить о параметрах газовой среды. В этом случае изменяется направление дрейфа зарядов 3 ионизированном газе, причем могут б,ыть реализованы различные случаи.

т.е. дрейф может быть задан либо в направлениях, параллельных волновому вектору поверхностной волны qf, либо перпендикулярных к q, либо под некоторыми заданными углами к q, что всякий раз изменяет условия акустоэлектронного взаимодействия у поверхности звукопровода. Например, если у поверхности звукопровода .расположе анод, то эффективное акустоэлектронное взаимодействие связано с повьшенной концентрацией электронов, которы анод притягивает из положительного столба при газовом разряде в процесс формирования пространственного заряд Если у поверхности звукопровода расположен катод, то лишь у вторичных электронов, выбиваемых ионами высоки энергий при бомбардировке катода, энергия соизмерима с их энергией в поле поверхностной акустической волны, и в данной области акустоэлектронное взаимодействие с ними менее эффективно, чем при обратной полярности.

Предлагаемым способом можно производить контроль следующих параметров газовой среды: давления, температуры, молекулярного веса, а для одноатомных газов - атомного веса. В качестве измеряемых характеристик поверхностных акустических волн используют затухание, фазовую и групповую скорости, амплитудно-частотные характеристики.

На г. 1 изображено устройство .для осуществления способа; на фиг.2экспериментальные данные.

Предлагаемое устройство состоит из звукопровода 1, преобразователя 2 и 3 поверхностных акустических волн, высокочастотного генератора 4, усилителя 5, индикаторного блока 6, электродов 7 и 8 для создания разряда, источника 9 разряда И блока 10 синхронизации. Генератор 4 подключен к входному преобразователю 2 поверхностных акустических волн, выходной преобразователь 3 поверхностных акустических волн соединен через усилитель 5 с индикаторным блоком 6. У поверхности звукопровода 1 расположены электроды 7 и 8, присоединенные к источнику 9 разряда. Блок 10 синхронизации подключен к источнику 9 разряда и индикаторному блоку 6.

Устройство для контроля параметро газовой среды работает следукяцим образом.

Высокочастотные колебания с генератора 4 подают на преобразователь 2 поверхностных акустических волн и возбуждают на пьезоэлектрической подложке звукопровода 1, например, из YZ-ниобата лития, находящейся в контакте с исследуемой газовой средой, поверхностные акустические волны на частоте 10-50 МГц. С преобразователя 3 поверхностных акустических волн выходной сигнал подается через усилитель 5 на индикаторный блок 6. Затем в исследуемом газе создают электрический разряд между электродом 7, выполненнь в виде металлической сетки прижатой к поверхности звукопровода 1 и электродом 8, выполненным в виде сплошной металлической пластины, расположенной на расстоянии 5-20 мм от электрода 7. На электроды 7 « 8 подают от источника 9 импульсы напряжения длительностью не менееt I/v (I - длина электродов вдоль направления распространения поверхностных акустических волн; v -скорость распространения поверхностных акустических волн на подложке). 1 10-20 мм длительность импульсов напряжения должна быть порядка 3-10 мкс. Одновременно с импульсом разряда с преобразователя 3 поверхностных акустических волн вновь поступает сигнал через усилитель 5 на индикаторный блок 6, где он сравнивается с предыдущим сигналом. По разнице характеристик поверхностных акустических волн, например по разнице коэффициента затухания, определяются параметры исследуемой газовой среды, например давление, Блок 10 регулирует подачу импульсов напряжения на электроды и включение при этом индикаторного блока 6.

Экспериментальные данные по кор реляции между давлением волн на подложке из LiNbO на частоте 30 МГц приведены в таблице. На фиг. 2 показаны:

I- область практического использования способа без разряда в газе;

II- область наиболее предпочтительного использования предлагаемого способа с разрядом в газе; III - область максимальной погрешности контроля (погрешность контроля соизмерима

с контролируемой величиной затухания), НапрШ4ер, без разряда в газе затуха1ние oL поверхностных акустических волн и 10 дБ/МКС соответствует давлению воздуха О,1 и 1 мм рт.ст. Точность контроля дгвления, определяемая погрешностью измерения затухания, составляет не менее 30-50%. При возбуждении электрического разряда вблизи подложки (т.е йри контр оле.по предлагаемому способу) затухание поверхностных акустических волн возрастает до нескольких единиц и может быть измерено с точностью 2-5%. Следовательно, точность контроля повышается в 5-10 раз. Формула изобретения 1. Способ контроля параметров газовой среды, закпючакэдийся в том, чт на пьезоэлектрическом звукопроводе возбуждают поверхностные акустически волны и при воздействии на него исследуемой газовой среды измеряют характеристики указанных волн, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности контроля при низком давлении газа, дополнительно соз дают над поверхностью звукопровода электрический разряд в исследуемом газе длительностью 1 1/v, где 1 длина разрядных электродов вдоль направления распространения поверхност ных акустических волн; v - скорость их распространения с кинетической энергией заряженных частиц у поверх ности звукопровода, не превышающейр их энергии в электростатическом потенциале указанных волн и находящейся в пределах 0,1-10 эВ, измеряют

Без разряда в газе 17б те же характеристики волн в процессе газового разряда и по разнице измеряемых характеристик судят о параметрах газовой среды, 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измерение характеристик поверхностных акустических волн проводят при нескольких значениях тока разряда, находящихся в пределах , и по разнице характеристик поверхностных акустических волн судят о параметрах газовой среды. .3. Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что измерения характеристик поверхностных акустических волн проводят при разных направлениfex тока разряда и По разнице характеристик поверхностных акустических волн судят о параметрах газовой среды. 4. Устройство для контроля параметров газовой среды, содержащее пьезоэлектрический звукопровод, на котором установлены входной и выходной преобразователи поверхностных акустических волн, соединенные соответст;венно с выходом высокочастотного генератора и с входом усилителя, выход которого подключен к одному входу индикаторного блока, отличающееся тем, что в него введены электроды, расположенные у поверхности звукопровода и подключенные к выходам источника разряда, и блок синхронизации, выходы которого соединены с входом источника разряда и с другим входом индикаторного блока.

Изобретение относится к приборостроению и позволяет повысить точность контроля параметров газовой среды при пониженных давлениях. Высокочастотные колебания с генератора 4 подают на преобразователь 2 поверхностных акустических волн и возбуждают на подложке звукопровода 1 поверхностные акустические волны на частоте 10-50 ИГц, С преобразователя 3 выходной сигнал подается через усилитель 5 на индикаторный блок 6. В исследуемом газе создают электрический разряд между электродами 7 и 8. Одновременно с этим с преобразователя 3 вновь поступает сигнал через усилитель 5 на индикаторный блок 6, гце он сравнивается с предыдущим сигналом. По разнице характеристик поверхностных акустических волн определяют параметры исследуемой газовой среды. 2 с.п. ф-лы, 2 з.п. ф-лы, 1 табл. 2 ил. 10

При разряде в газе

Р 1 мм рт.ст.i ,1 в рт.ст.

,4 дБ/МКС (3%) 1 ,1 дБ/МКС (3%)

А

,0 дБ/МКС

W 0,8 зВ

ot 1,4 дБ/МКС

1 60 мЛ

,6 дБ/МКС

эВ

сД 1,6 дБ/МКС

Анод у

поверхн.,3 дБ/МКС звукопр.

Катод у

поверхн. с 1,2 дБ/МКС

звукопр.

,1 дБ/МКС

о(2,3 дБ/МКС

Ы 0,9 дБ/МКС

с 2,2 дБ/МКС

о( 0,7 дБ/МКС

ot 1,5 дБ/МКС