Устройство для измерения давления Советский патент 1978 года по МПК G01L11/00 

Изобретение относится к технике измерения давления, в частности к датчикам давлений Б вакуумных системах. Известны различные типы датчиков давления, например термопарные ионизационные, датчики парциального давления и т ,д. l . В термопарных манометрах используется зависимость теплопроводности газа от давления. Ионизационные мано метры основаны на пропорциональности удельной ионизации газа его плотности. И термопарные и ионизационные -манометры имеют невысокую точность измерения. Кроме того, их недостатками являются необходимость периодической градуировки и зависимость показаний от состава газа. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является кислородный датчик парциального давления, представляюпусй собой потенцио метрическую твердоэлектролитную ячей ку (ТЭЯ) с измерителем ЭДС, причем рабочая камера ячейки соединяется с вакуумной системой газовым трактом 2J Внутренний электрод твердоэлектролитной ячейки контактирует с атмосферой вакуумной системц. Наружный электрод омывается окружающим воздухом. ЭДС, образовавшаяся на электродах потенциометрической твердоэлектролитной ячейки, пропорциональна логарифну отношения разности парциальных давлений кисЛорода в вакуумной камере и окружающем воздухе и выражается известным уравненнем Нернста. Датчик имеет аналитическую градуировочную характеристику, выведенпую из уравнения Нернста V -ЦгЛV « « в - парциальиое давлеиие кислсфода в вакуумюй камере атмосферное давление окружающего воздуха) концентрация кислороде в воздухе; число зарядов в ионизированной молекуле; число Фзд адея; ЭДС твердоэлектролитной ячейки; газовая постояиная; рабочая температура, твердоэлектролитной ячейки; Датчик позволяет определять общее давление вакуумной системы, если известна концентрация кислорода в ней. Известное устройство обладает высокой точностью измерения парциё льного давления кислорода. Oko может быть также применено при измерении полных давлений в тех случаях если вакуумная система йе содержит горючи газов и газов, диссоциирующих лри .вы сокой температуре с образованием кис лорода (, CO;2 ), и известна конгцентрация кислорода. При этом точнос измерения давления определ«еа;ся точностью, с которой Ъпрёяёлена концентрация кислорода. Таким офразом, точ ность в большинстве случаев недостаточна. Цель изобретения - повьииение точности и расширение пределов измерени давления. Указанная цель достигается Teii, чтр в устройство для измерения давле ния, содержащее потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку с измерителем ЭДС, рабочая камера которой со динена с вакуумной системой газовым трактом, введен натекатель газа в. вид дозирующей о вердоэлектролитной ячейки с источником тока, подключенный к ра бочей камере потенциометрической твер доэлектролитной ячейки, а газовый тракт выполнен в виде трубки, размещенной между рабочей камерой твердоэлектролитной ячейки и вакуумной системой. , Диаметр трубки газового тракта определяется следующим соотношением ,,,к4 XUPpBobni / (3 - диаметр соединительной трубки; минимально возможное давление вакуумной системы; давление при нормальных условиях; ЗЭо - коэффициент диффузии нормальных условиях; - выбранный или нормирован;ный предел погрешности дл всего диапазона давлений; Д - максимальная разность кон центраций в вакуумной сис ; теме fi рабочей камере тве доэлектролйтйой ячейки; -О, - концентрация кислорода в рабочей камере ТЭЯ; GO - минимально возможная центрация кислорода в вакуумной системе; (J - коэффициент вязкости. В качестве натекателя газа может быть использована дозирующая твердоэлектролитная ячейка с источником Тока. Действие предл гаф1ого устройства основано на создании в рабочей каме1з твердоэлектролитной ячейки среды с известным содержанием кислорода, при чем давление поддерживается равным давлению в вакуумной системе. Бларгодаря этому ЭДС измерительной ячейки Является мерой давления вакуумной системы. На чертеже схематически представлено предлагаемое устройство. Для конкретности в качестве источника газа с известной концентрацией кислорода и одновременно натекат.еля используется дозирующая твердое лектролитная ячейка 1 с источником тока 2. Ячейка 1 газовым трактом соединена с входом потенциометрической твердоэлектролитной ячейки 3, которая через трубку 4 соединена с вакуумной системой 5. ЭДС ячейки 3 измеряется измерителем б. Измерение давления осуществляется следующим образом. Ячейка 1 под действием тока от источника тока 2 дозирует кислорсэд, который поступает в измерительную 3.1 Н& электродах ячейки 3 воз,никает ЭДЬ, измеряемая измерителем б, которая в соответствии с законом Нернста равна с RT о ZOj -газовая постоянная; -рабочая температура ячейки;число зарядов в ионизированной молекуле кислорода; число Фарадея; парциальное давление кислорода в сравнительной среде - .воздухе; парциальное давление кис лоррда в вакуумной системе. Парциальные давления кислорода QZ 02 можно выразить через полные давления и объемные концентрации . Здесь РОТЛЛ атмосферное давление; давление в вакуумной системе, которое прак тическое фавно давлению в ячейке, так как она соединена с системой газовым трактомтрубкой;концентрация кислорода в воздухе в объемных долях (эту концентрацию можно без большой ошибки считать постоянной и принять равной 0,207); концентрация кислорода в рабочей камере ТЭЯ 3 в объемных долях, равная, в связи с тем, что дозируется чистый кислород, единице. Подставив значения Рд в выражение (1) , выражений ПОЛУЧё1ЮТ Заменив постоянные коэффициенты численными значениями, после несложных преобразований получают при те пературе ТЭЯ 3 Т в 1008°К : ,гО7 Р..- Соотношение {4а) позволяет onj eделить давление в вакуумной системе. Кроме рассмотренного случая., когда дозируется чистый кислород, возможна дозировка газа с другой/ не обяза, тельно известной концентрацией кир порода (например воздуха). Применение натекателя газа с известной концентрацией кислорода значительно расширяет область примене. устройства и позволяет использовать его для измерения давления вакуумных систем независимо, от состава остаточных газов. Кроме того, благодаря тому, что концентрация кислорода в смеси, используемой для натекателя, может быть задана весьма точно, повышается точность измерения. Как показали испытания, при измерении малых давлений .(по 1,10 мм рт.ст.) погрешность из- 35 мерения не пр§вь1шает i 5% отв. Поскольку количественно концентрации кислорода в рабочей камере твердоэлектролитной ячейки 3 и вакуумной системе 5 не равны между собой, о в выходной трубке 4 будет иметь место взаимная .диффузия компонентов газа рабочей камеры и вакуумной системы, что приводит к изменению концентрации кислорода в рабочей камере ТЭЯ 3 .и,как следствие, к пограчности измерения. Диффузию против потока газа (противодиффузию) можно сделать как угодно малой применяя выходную соединительную трубку соответствующей длины и диаметра или изменяя расход газа через рабочую камеру ТЭЯ 3. Однако увеличение длины трубки и расхода газа неизбежно вызовет перепад давления между рабочей камерой ТЭЯ 3 и вакуумной системой. Ниже показана возможность выбора оптимального варианта расчетным методом. Изменение концентрации кислорода i в рабочей камере ТЭЯ 3 может быть с известней степенью приближения определено по формуле, ДСССо- )ехр( 620854 ро 10, гд , по ка гд в р но из пол тор пот уст ди 45 ном тру вя гд ке ил ме лу ме gg ле где CQ концентрация кислорода в рабочей камере ТЭЯ 3; концентрация кислорода в вакуумной системе; скорость потока в трубке;коэффициент диффузии; длина трубки. Коэффициент диффузии в области мсшьных температур равен iD«D,-, (6) 0 коэффициент диффузии при нормальных условиях; РО давление при нормальных условиях; давление газа в соединительной трубке 4. Средняя по сечению трубки скорость ока газа, выходящего из рабочей еры ТЭЯ 3 V JQ Q - поток газа (объемньй рас ход, приведенный к единичному давлению); d - внутренний диаметр трубки 4; Изменение концентрации кислсфода абочей кг1мере.приводит к погрешти измерения, равной, как сэтедурт формулы (4), 8Ср2, ,., а Решая совместно уравнения (5)-(8) ведя обозначение 4Qe itd учают Величина Ф играет роль некоого газодинамического параметра ока газа в выходной трубке. 4. Течение газа по трубопроводам в ановках низкого вакуума происхов большинстве случаев в вяэкострежиме. Пропускная способность бопровода круглого сечения при костном режиме течения равны I ТЭ Izejut tJ - коэффициент вязкости. Перепад давления в выходной труб4 о . подставляя выражение (II) иирияя обозначения уравнения (9),поают , :.р.- W, Увеличение давления врабочей каре ТЭЯ 3 вследствие перепада давния приводит к погрешности измврв; ния, равной, как сле4;ует из формулы (4) 1 АР (13) и после подстановки выражения получают Згф/j Су Л1арная погрешности, свяэё(нная с эффект и1в{ противодиффузии и переп да давления, равна (Г« rf-jj (. Выбор койструктивных пар гметров измерительной схемы проведен из условия. , м - выбранный или нс змирован ный предел относительной погрешности для всег ди апазона давлений. Из уравнения (10) следует, что rto rpeuiHocTb не зависит от давления газа. При использовании в качестве натекателя твердоэлектролитной ячейки дозирующей спектрально чисты кислород, . Из уравнения (13) следует, что / О , причем при увеличении дав ления газа величина ее резко убывает Тогда условие (16), можно выполнит (17) (18) Оояставляя выражение (10. в выражение (17) и решая приСд сС относительно Ф получают I Со - с Ф о5оЬ« / Подставляя выражение (14) в выражение (18) и решая Р - РММН , полу чают условие для выбора Аиаметра вы ходной трубки ( . ) или подставляя выражение (19) в выражен;1е (20), 5.65 где - максимальная разност У2«ААкс концентраций кислород в вакуумной камере и рабочей камере ТЭЯ 3 Использоваяие в предлагаемом уст ройстве трубки огфеделенного диаметра для соединения рабочей Кс1меры тв эдоэлектропитн ячейки с вакуум ной системой позволяет расив рить пр дел измерения устройства от атмосферного до 0,1 мм рт.ст. и ниже, так как оно пригодно для измерения давления в системах с любым составом остаточных газов, а наличие натекателя для подачи газа в известной конценTpamiej кислорода повышает точность змерения менее ± 5% отн. Формула изобретения 1. Устройство для измерения давления, содержащее потенциометрическую твердозлектролитнуто ячейку с измерителем ЭДС, рабочая которой соеди)нена с вакуумной системой газовым трактом, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения пределов измерения давления, в него введен натекатель газа, подключенный к рабочей камере потенциометрической твердоэлектролитной ячейки, а газовый тракт выполнен в виде т|рубки, размещенной между камерой твердоэлектролитной ячейки и вакуумной системой. 2 о Устройство ПОП.1, отличаю щ е| е с я тем, что диаметр трубки газового тракта определяется соотнотаением ((г f . / цРоДреп/аь;сж : . где 3 - диаметр соединительной трубки; РМИН минимально возможное давление вакуумной системы; РО - давление при нормальных условиях; - коэффициент диффузии при нормальных х словиях; - выбранный или нормированный предел погрешности для всего диапазона давлений;АСп. максимальная разность конУамАкс центраций в вакуумной системе и рабочей камере твердоэлектролитной ячейки; концентрация кислорода в рабочей камере ТЭЯ; Сп - минимально возможная конЛЛАИИ центрация кислорода в вакуумной системе; - коэффициент вязкости. 3. Устройство по П.1, отличающееся тем, что, в качестве натекателя газа использована дози)Л рующая твердозлектролитная ячейка с источником тока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1. Техника высокого вакуума, Гршиковский Я.,изд-во Мир , М.р 1975,, стр.330. 2 . X Мой Ъ. T.Vac-Sci.Teuhnoe lOj 5, bept/Ofct, 1973, с.852-858.