ИОНИЗАЦИОННЫЙ ВАКУУММЕТР

Изобретение относится к измерительной технике и, в частности, к измерению вакуума с помощью ионизационных вакуумметров, в которых используется магнитный электроразрядный датчик вакуума.

Существует задача измерения вакуума в нескольких точках контролируемого объема. Если контролируемый объем достаточно велик, то эта задача может решаться с помощью нескольких приборов, таких как портативный ионизационный вакуумметр MP7ER фирмы TELEVAC с питанием от сети постоянного тока напряжением 24 В. Этот вакуумметр содержит магнитный электроразрядный датчик вакуума, конструктивно совмещенный с измерительным блоком, который имеет преобразователь постоянного напряжения сети 24 В в высокое напряжение возбуждения датчика (2-4) кВ, токоизмерительный резистор и индикатор напряжения, подключенный параллельно этому резистору и гермоввод, необходимый для подключения датчика к контролируемому объему.

Действие этого ионизационного вакуумметра основано на измерении зависимости силы тока самостоятельного электрического разряда в разреженном газе в скрещенных магнитных и электрических полях от концентрации газа.

Конструктивное совмещение датчика, измерительного блока и гермоввода в моноблоке не позволяет использовать вакуумметр для работы с двумя магнитными электроразрядными датчиками вакуума.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является ионизационный вакуумметр, содержащий магнитный электроразрядный датчик вакуума и измерительный блок, подключенный кабелем к датчику вакуума, измерительный блок, включающий в себя высоковольтный источник питания, токоизмерительный резистор и индикатор, подключенный параллельно этому резистору, анод датчика вакуума подключен через кабель к положительной шине высоковольтного источника питания, а катод датчика вакуума подключен через кабель и токоизмерительный резистор к минусовой шине высоковольтного источника питания (Вакуумметр электроразрядный магнитный ВМБ-1/8-001, 3.476.008 ТУ).

Как оказалось недостатком данного устройства является то, что измерительный блок обеспечивает работу только одного электроразрядного датчика вакуума. Экспериментально было установлено, что включение (зажигание разряда) нескольких однотипных датчиков вакуума, находящихся в среде с одинаковым давлением газа, происходит при несильно различающихся, но неодинаковых по величине напряжениях зажигания (разброс напряжений зажигания составляет порядка 200-300 В). Это объясняется тем, что напряженность и форма магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами, а также геометрические размеры электродов датчиков имеют некоторый разброс, который и обуславливает различные напряжения зажигания датчиков. Поэтому параллельное включение двух и более магнитных электроразрядных датчиков вакуума приводит к тому, что после включения датчика, имеющего более низкое напряжение зажигания, происходит шунтирование всех остальных датчиков. Таким образом, первый датчик, который включается, начинает работать, а другие - нет, так как они шунтированы первым датчиком.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в расширении функциональных возможностей ионизационного вакуумметра за счет увеличения до двух и более числа датчиков вакуума.

Поставленная задача решается тем, что в ионизационный вакуумметр, содержащий магнитный электроразрядный датчик вакуума и измерительный блок, подключенный кабелем к датчику вакуума, содержащий высоковольтный источник питания, токоизмерительный резистор и индикатор, подключенный параллельно этому резистору, катод датчика вакуума подключен через кабель и токоизмерительный резистор к минусовой шине высоковольтного источника питания, введены n электроразрядных датчиков вакуума, n кабелей, n токоизмерительных резисторов, n индикаторов и n+1 токоограничивающих резисторов, анод каждого датчика вакуума подключен через соответствующий кабель и соответствующий токоограничивающий резистор к плюсовой шине высоковольтного источника питания, катод каждого датчика вакуума подключен через соответствующий кабель и соответствующий токоизмерительный резистор к минусовой шине высоковольтного источника питания, который выполнен в виде преобразователя постоянного напряжения аккумулятора в высокое напряжение питания датчика вакуума, каждый индикатор подключен параллельно соответствующему токоизмерительному резистору, причем величина всех токоограничивающих резисторов Rогр.i установлена одинаковой и в пределах Rогр.i=(0,5-2,0)Uв/Imax.i>>Rизм.i, где i=1…n+1, Uв - напряжение высоковольтного источника питания, Imax.i - максимальный ток разряда i-го датчика вакуума в режиме измерения. На рисунке для примера приведена функциональная схема ионизационного вакуумметра с двумя магнитными электроразрядными датчиками вакуума.

Ионизационный вакуумметр содержит два электроразрядных датчика вакуума 1 и 2 и измерительный блок 3, подключенный кабелями 4 и 5 соответственно к датчикам вакуума 1 и 2. Измерительный блок 3 содержит высоковольтный источник питания 6, выполненный в виде преобразователя постоянного напряжения аккумулятора в высокое напряжение питания датчиков, два токоизмерительных резистора 7 и 8 и два индикатора 9 и 10, подключенные параллельно соответствующим токоизмерительным резисторам 7 и 8. В измерительный блок 3 введены два токоограничивающих резистора 11 и 12. Катод датчика вакуума 1 подключен через соединительный кабель 4 и токоизмерительный резистор 7 к минусовой шине высоковольтного источника питания 6, а анод - через соединительный кабель 4 и токоограничивающий резистор 11 подключен к плюсовой шине источника питания 6. Катод датчика вакуума 2 подключен через соединительный кабель 5 и токоизмерительный резистор 8 к минусовой шине источника питания 6, а анод - через соединительный кабель 5 и токоограничивающий резистор 12 подключен к плюсовой шине источника питания 6. Причем величина Rогр1 и Rогр2 токоограничивающих резисторов 11 и 12 установлена в пределах Rогр1=Rогр2=(0,5-2,0)Uв/Imax1(2)>>Rизм1=Rизм2, где Uв - напряжение высоковольтного источника питания, Imax1 и Imax2 - максимальные токи разрядов датчиков вакуума 1 и 2 в режиме измерения, Rизм1, Rизм2 - величина токоизмерительных резисторов 7 и 8.

Устройство работает следующим образом. Магнитные электроразрядные датчики вакуума 1 и 2 устанавливаются в зонах, где необходимо проводить измерения степени разреженности газа (или воздуха). При включении измерительного блока 3 на датчики вакуума 1 и 2 по кабелям 4 и 5 через соответствующие токоограничивающие резисторы 11 и 12 и токоизмерительные резисторы 7 и 8 подается от источника питания 6 высокое напряжение 2-4 кВ. В результате в датчиках возникает сильное электрическое поле, которое вырывает из катодов датчиков электроны и заставляет их двигаться к анодам. Электроны, двигаясь к аноду датчика, сталкиваются с молекулами газа, ионизируя их. Наличие скрещенного электрического поля и магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, приводит к увеличению длины пробега электронов и ионов в межэлектродном пространстве датчика. В результате в каждом датчике возникает тлеющий разряд, интенсивность тока которого прямо пропорциональна количеству молекул газа, находящихся в контролируемых зонах (объемах). Токи тлеющих разрядов датчиков 1 и 2 создают на токоизмерительных резисторах 7 и 8 падения напряжений Uвых1 и Uвых2, которые также пропорциональны количеству молекул газа, а следовательно, и давлениям газов в контролируемых объемах.

Величина сопротивления токоизмерительных резисторов 7 и 8 устанавливается в пределах от 100 Ом до 10 кОм. Напряжения Uвых1 и Uвых2 измеряются индикаторами 9 и 10.

Диапазон измерения магнитных электроразрядных датчиков вакуума составляет 10^-3-10^-6 Торр (мм рт.ст.).

Опытным путем было установлено, что включение последовательно с каждым датчиком токоограничивающих резисторов 11, 12 определенной величины (порядка 1-3 МОм) позволяет исключить влияние датчиков друг на друга.

Экспериментально было установлено, что при изменении давления от 10^-3 до 10^-6 Торр ток разряда датчиков вакуума 1 и 2 изменяется от 1 мкА до 1 мА. То есть максимальные токи разрядов датчиков вакуума 1 и 2 составили 1 мА.

Напряжение Uв высоковольтного источника питания 2 было установлено 2,5 кВ. Величины токоограничивающих резисторов Rогр1=Rогр2 были установлены равными 2 МОм. Величины токоизмерительных резисторов Rизм1=Rизм2 были установлены 10 кОм.

Влияние токоограничивающих резисторов 11 и 12 на режим работы датчиков вакуума 1 и 2 проявляется только на «низком» вакууме, то есть при давлении Р=10^-3 Торр, когда ток разряда датчиков увеличивается до 1 мА. При этом падение напряжения на токоограничивающих резисторах 11 и 12 увеличивается до 2000 В, а падение напряжения на датчиках вакуума 1 и 2 уменьшается до 500 В. А выходные напряжения на токоизмерительных резисторах 7 и 8 составляют 10 В. На «высоком» вакууме, когда давление газа составляет Р=10^-6 Торр, а ток разряда уменьшаются до 1 мкА, падение напряжения на токоограничивающих резисторах 11 и 12 уменьшается до 2 В, а на датчиках вакуума 1 и 2 напряжение увеличивается до 2448 В. При этом выходные напряжения на токоизмерительных резисторах 7 и 8 уменьшились до 10 мВ.

Количество однотипных датчиков вакуума, которые могут быть подключены к общему высоковольтному источнику питания 2, определяется его мощностью и обычно составляет от 2 до 5 штук. При этом мощность высоковольтного источника питания 2 увеличивается с 5-ти до 12,5 Вт.

Введение и соответствующее подключение токоограничивающих резисторов, сопротивления которых определены в соответствии со специальными соотношениями их величин, обеспечивает одновременную и независимую работу двух и более датчиков вакуума от общего высоковольтного источника питания 2. Наличие в измерительном блоке 1 общего высоковольтного источника питания 2 позволяет уменьшить габариты и вес измерительного блока 1, что очень важно для бортовой аппаратуры, используемой в космонавтике, в частности, для поиска мест утечек воздуха из космического корабля.