DD224116A1

DD224116A1 - Verfahren und anordnung zur kontinuierlichen druckmessung in abgeschlossenen vakuumschaltkammern, insbesondere vakuumschuetzen

Info

Publication number: DD224116A1
Application number: DD26258384A
Authority: DD
Inventors: Burkhard Juettner
Original assignee: Adw Ddr
Priority date: 1984-05-02
Filing date: 1984-05-02
Publication date: 1985-06-26

Abstract

Die erfindungsgemaesse Loesung kann zur kontinuierlichen Druckkontrolle waehrend der Fertigung und bei der Lagerung von Vakuumschaltkammern angewendet werden. Es ist Aufgabe der Erfindung, Verfahren und Anordnung zur Registrierung des Restgasdruckes in abgeschlossenen Vakuumschaltkammern fuer solch eine Gasentladungsform anzugeben, die auch in kleinen Volumina gezuendet werden kann. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass in der Vakuumschaltkammer ein elektrisches Feld erzeugt wird, dem impulsartig ein hohes Magnetfeld 1 T ueberlagert wird. In der Vakuumschaltkammer tritt eine nichtstationaere Vorform der Magnetronentladung auf, deren Stromimpulse mit Zeitkonstanten 0,1 ms analysiert werden. Durch Vergleich der Impulsparameter (Amplitude, Verzoegerungszeit, Schwingungsfrequenz) mit Eichkurven wird der Druck in der Vakuumschaltkammer ermittelt. Kennzeichnend fuer die vorgeschlagene Anordnung ist die Verwendung eines Hochstromschalters zur Erzeugung eines hohen Magnetfeldimpulses sowie ein Messwiderstand im Kondensatorstromkreis, an dem das Messsignal aus der Impulsmessung abgegriffen wird.

Description

Verfahren und Anordnung zur kontinuierlichen Druckmessung in abgeschlossenen Vakuumschaltkammern, insbesondere Vakuumschütζen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur kontinuierlichen Messung des-Restgasdruckes in Vakuumgefäßen, in deren Inneren.sich zwei oder mehr elektrisch voneinander isolierte Bauteile befinden, welche mit äußeren Zuleitungen verbunden werden können.

Von praktischer Bedeutung ist die erfindungsgemäße Lösung insbesondere für elektrische Schalter, bei denen die Schaltkontakte in einem Vakuumgefäß (im folgenden Vakuumschaltkammer, VSK, genannt) untergebracht sind. Solche Geräte dienen vorzugsweise zum Schalten von hohen Strömen und Spannungen (Höchspannungsleistungsschalter) oder zum Schalten von mittleren Strömen und Spannungen (Schütze). Um den Schaltvorgang zu ermöglichen, ist in VSK wenigstens ein Kontakt beweglich ausgebildet. Die Vakuumkammern werden in der Regel nach geeigneten Formierüngsschritten von dem Vakuumerzeuger getrennt. In den dann abgeschlossenen Gefäßen treten Veränderungen des Restgasdruckes auf. Wenn der Restgasdruck eine kritische Größe übersteigt, wird das Schaltgerät funktionsunfähig, da es dann weder" bei geöffneten Kontakten die Spannung zu halten vermag, noch beim Schalten die erforderlichen Löscheigenschaften aufrechterhalten werden. Daher ist eine kontinuierliche Druckkontrolle während der Fertigung und bei der Lagerung von VSK erforderlich. Auch während des Betriebes ist eine gelegent-

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liehe Messung wünschenswert. Die Ergebnisse dieser Kontrolle haben'wesentliche-Auswirkungen auf die Herstellungstechnologie und die Sicherheitstechnik. .'·,..

Charakteristik der,bekannten technischen Lösungen

Aus ökonomischen Gründen ist es nicht vertretbar, an oder in den VSK Druckmeßzellen unterzubringen, mit denen der Grad des Vakuums auf herkömmliche Weise gemessen-werden kann. Die bekannten technischen Lösungen gehen daher von abgeschlossenen' VSK ohne solche Zusätze aus. In der wissenschaftlich-technisehen Literatur und in Erfindungsbeschreibungen werden zwei prinzipielle Methoden vorgeschlagen: die Erfassung der mechanischen Wirkung des Druckes auf den beweglichen Kontakt und die Ionisierung des Restgases und Extraktion eines Ionenstromes bzw. Gasentladungsstromes, dessen Intensität ein Maß für den Druck ist. , .

Die Methode der Erfassung der mechanischen Wirkung des..,Druckes auf den beweglichen Kontakt wurde von, W-. Jette in US-PS 3.493.952'"und von J. Sofianek in US-PS 3.814.885 beschrieben. Die Methode ermöglicht keine ausreichende Betriebs- und- Produktionskontrolle, da sie erst bei Drücken über 10 Pa anwendbar ist, während der zulässige Betriebsdruck in VSK in der Regel unter 1 Pa liegt. ,

Bei der Methode der Ionisierung des Restgases und''Extraktion eines Ionen-.bzw.'Gasentladungsstromes ist sowohl die Ionisierung des .Restgase's als auch die Messung des Ionenstromes problematisch. Von Th. H„ Lee (US-PS 2.864.998) wird ein Elektroneneiaitter vorgeschlagen, dessen Betrieb für die Ionisierung sorgt, welche durch ein äußeres Magnetfeld wei-'. ter verstärkt wird. Das erfordert aber zusätzliche Einbauten' in die VSK. Bin anderer Weg ist die Zündung einer Gasentladung, durch welche die benötigten Ionen gebildet werden. Um auch unter Vakuumbedingungen eine solche Entladung zu ermöglichen, muß die Stoßzahl der Ladungsträger im Entladungsvolumen erhöht werden. Th. H. Lee (US-PS '2.864.998) und -J. Gobine und -J. Lafferty (US-PS 3.495'. 165) schlagen daher

die Anwendung eines HP-Feldes vor, in dem die Ladungsträger pendeln und hinreichend oft.stoßen. Dieses Verfahren ist technisch aufwendig.

Einfacher ist die Verlängerung der Flugbahnen von Ladungsträgern durch ein zusätzliches Magnetfeld. Daher wird diese Methode vorzugsweise angewendet. Sind Magnetfeld und elektrisches Feld in der VSK senkrecht zueinander, so bezeichnet man den Vorgang als Penningentladung, sind die Felder parallel (i.a. axial bezüglich der VSK), liegt eine Magnetronentladung vor. Die Penningkonfiguration wurde von W, W. Watrous in US-PS 3.575.656 vorgeschlagen, während die Magnetronentladung von J. E. Lucek und W. J. Pearce in US-PS 3.263*162 beschrieben wurde. Für Hochspannungsleistungskammern hat sich in d-er Praxis die Magnetronentladung bewährt, wie in den Arbeiten von W. Kühl und K. Wiehl (Siemens-Zeitschrift 51, 1977, [ 427-430), von Kageyama (J* Vac. Sei. Technol· A1, 1983, 1522 - 1532) und von B. Jüttner, L. Roth und E. Freund (Wiss. Techn. Mitteilungen IPK 19, 1978, 25 - 27) beschrieben wird. Dabei wird ein elektrisches Feld in der VSK durch Anlegen von Hochspannung zwischen den geöffneten Kontakten oder zwischen Kontakten und Schirm erzeugt, dem gleichzeitig von außen ein Magnetfeld < 0,1 T in der gleichen Achse überlagert wird. Es wird eine stationäre Magnetronentladung· gezündet, deren Entladungsstrom mit Zeitkonstanten > 1 ms registriert wird· Die gemessenen Stromwerte werden mit der Eichkurve verglichen, dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß der Entladungsstrom annähernd proportional zum Restgasdruck ist. Dieses Verfahren hat zwei Mangel: Die Entladung ist mit "einem Pumpeffekt verbunden (Gasaufzehrung),· der sich besonders im stationären Betrieb auswirkt. Deshalb stellt die Messung einen Eingriff in die zu messende Größe dar. Außerdem benötigt die Entladung zu ihrer Ausbildung ein Mindest volumen, das in der Regel über dem Volumen von Vakuumschützen liegt» Diese Methode ist daher nicht auf Vakuumschütze und andere Vakuumkammern mit ähnlich kleinem Volumen anwendbar.

Das Magnetfeld von < 0,1 T wird von einer stromdurchflossenen

- ' - 4 - .

Spule erzeugt> die über der VSK angeordnet ist. Der Entladungsstrom setzt sich, aus 'dem Strom zur Masseelektrode und dem Strom zum Schirm zusammen. Beide Ströme werden mit Galvanometern oder Schreibern registriert. Die Entladung zündet durch Einschalten entweder der Hochspannung oder des Magnetfeldes. Die zur Erzeugung der Magnetronentladung und Registrierung des Entladungsstromes verwendete Anordnung besteht üblicherweise aus einem Hochspannungskreis, der die zu mes-, sende Vakuumschaltkammer, Kondensator, Spannungsquelle und ein Gerät zur Registrierung des Entlädungsstromes enthält, und aus einem Magnetkreis, der eine über die zu messende Vakuumschaltkammer geschobene Magnetspule, Ladewiderstand und Spannungsquelle enthält.

Ziel der Erfindung . .

Ziel der Erfindung ist die Bestimmung des Restgasdruckes in abgeschlossenen Vakuumschaltkammern, insbesondere Vakuum-

schützen. ' , . ,· . '.'...

Darlegung des Wesens der Erfindung . .

Es ist technische Aufgabe der Erfindung, Verfahren und Anordnung zur Registrierung des Restgasdruckes in abgeschlossenen Vakuumschaltkammern für solch eine Gasentladüngsform anzugeben, die auch in kleinen Volumina gezündet werden kann und die eine geringere Gasaufzehrung als bisher bekannte Verfahren bewirkt. ·': ,

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß* in der Vakuumschaltkammer ein elektrisches Feld erzeugt wird, dem impulsartig ein hohes Magnetfeld > 1 T überlagert wird. In der Vakuumschaltkammer tritt eine nichtstationäre Vorform der Magnetronentladung-auf, deren Stromiispulse mit Zeitkonstanten <0,1 ms analysiert werden. Durch Vergleich, der Impulsparame-, .ter (Amplitude, Verzögerungszeit, Schwingungsfrequenz) mit Sichkurven wird, .der Druck in der Vakuumschaltkammer ermittelt.

, Bei kleinen Volumina ist eine zeitliche Begrenzung der Entladung nicht erforderlich. Bei großen Vakuumkammern'muß.die

Entladungszeit von außen begrenzt werden, wenn der Gasaufzehrungseffekt der stationären Entladungen vermieden werden * soll, die auf die nichtstationäre Vorform der Entladung folgen können. Die Vorentladungen selbst haben wegen ihrer Kürze nur eine vernachlässigbare Pumpwirkung.

Die Stromimpulse der' nicht stationären Entladung hängen in charakteristischer Weise vom Restgasdruck ab: Die Amplitude' ist dem Druck direkt, die Verzögerungszeit für das Auftreten des ersten Stromimpulses indirekt propotional. Der erste Impuls wird von weiteren gefolgt, die einen oszillierenden Charakter aufweisen, und zwar mit einer Frequenz, die dem Druck indirekt proportional ist.

Der Restgasdruck in einer Vakuumschaltkammer wird also erfindungsgemäß im willkürlich erzeugten, nichtstationären Torstadium der Entladung durch eine Analyse der Stromimpulse hinsichtlich Impulsamplitude, Verzögerungszeit und Schwingungsfrequenz bestimmt. .

Das erfindungsgem'äße Verfahren ist zur Kontrolle des Restgasdruckes von Vakuumschaltkammern auch mit kleinen Volumina während ihrer Herstellung und nach dem Formierungsprozeß anwendbar.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren verwendete Anordnung \ besteht aus einem Hochspannungs- und einem Magnetkreis.

Der Magnetkreis besteht aus einer über eine zu messende Vakuumschaltkammer geschobenen Magnetspule, einer erfindungsgemäß mit dieser Magnetspule verbundenen Kondensatorbatterie, einem erfindungsgemäß mit dieser verbundenen Hochstromschalter, der das Ziehen von hohen Strömen > 2 kA zum Erzeugen des impulsartigen Magnetfeldes gewährleistet, und entsprechend dem Stand der Technik aus Ladewiderstand und Spannungsquelle. Spannungsquelle und Ladewiderstand sind mit der Kondensatorbatterie verbunden, die den hohen Strom für die Erzeugung eines Magnetfeldes > 1 T liefert.

Der Hochspannungskreis besteht üblicherweise aus der zu messenden Vakuumschaltkammer mit beweglichem Kontakt, einem Kon-

densator, einem Ladev/iderstand, einer Spannungsquelle und einem Gerät zur Analyse der Steuerimpulse. Spannungsquelle, Ladewiderstand, Kondensator und Kontakte der Vakuumschaltkammer sind miteinander verbunden und gewährleisten die Hochspannungsversorgung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in der Vakuumschal tkanimer. Erfindungsgemäß ist für die' Registrierung der in der nichtstationären Vorform der Entladung erzeugten Stromimpulse im Kondensatorstromkreis, bestehend aus Spannungsquelle, Kondensator und Widerstand, zusätzlich ein Meßwid'erstand angeordnet, an dem das Meßsignal aus der Impulsmessung abgegriffen wird. Ein Gerät zur Analyse der Stromimpulse ist mit dem Meßwiderstand verbunden.

Die Druckmessung läuft folgendermaßen ab: An die geöffneten ' ^! Schaltkontakte der Vakuumschaltkammer wird stationär Hochspannung vom Kondensator im Hochspannungskreis, der über den" Ladewiderstand von einer Hochspannungsquelle aufgeladen wurde, angelegt und ein elektrisches Feld_in der Vakuumschaltkammer. erzeugt. Durch' Schließen' des Hochstromschalters wird die vorher .geladene-Kondensatorbatterie im Magnetkreis auf die, Magnetfeldspule entladen und impulsartig dem elektrischen Feld , ein hohes Magnetfeld >1 T überlagert. In der Vakuumschaltkammer entsteht ein Magnetfeldimpuls, der die nichtstationäre Vorentladung zündet. Die dabei entstehenden Stromimpulse erzeugen am Meßwiderstand impulsartige Signale, die dem Analysiergerät zugeleitet und hinsichtlich Impulsamplitude oder Verzögerungszeit oder Schwingungsfrequenz durch Vergleich mit Eichkurven ausgewertet werden und somit den Restgasdruck in der ..Vakuumschaltkammer ergeben. . .

Die Entladungsdauer wird durch^xdie Entladung entweder des Kondensators oder der Kondensatorbatterie zeitlich begrenzt.

Die Entladung kann entweder zwischen den Kontakten gezündet werden (bei großem Kontaktabstand) oder im komplementären Raum zwischen dem beweglichen Kontakt und dem Gehäuse der Vakuumschaltkammer (bei kleinem Kontaktabstand).·

Ausführungsbeisρie1

Pigβ 1 zeigt eine Möglichkeit zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen Lösung.

Die Messung wird durch Entladen einer Kondensatorbatterie 7 mit einer Kapazität von 5-15 mF (Batteriespannung 150 bis 400 Y) auf eine Magnetfeldspule 2 eingeleitet, welche über die Vakuumschaltkammer 1 geschoben ist·

An die geöffneten Schaltkontakte der Vakuumschaltkammer 1 wird stationär Hochspannung (3-6 kV) vom Kondensator 3 mit einer Kapazität von 1 -10 ni¹ angelegt, welcher über den Ladewiderstand 4 vom Spannungsversorgungsgerät 5 aufgeladen wird. Die Kondensatorbatterie 7, welche den Magnetfeldstrom liefert, wird über den Ladewiderstand 10 vom Spannungsversorgungsgerät 11 aufgeladen. Beim Messen gibt das Zündgerät 12 einen Steuerimpuls an den Thyristor 6 ab, der daraufhin als Hochstromschalter dürchschaltet und die« Kondensatorbatterie auf die Magnetfeldspule 2 entlädt. Y/enn dabei eine Entladung in der Vakuumschaltkammer 1 zündet, so entstehen am Meßwiderstand 8 Spannungsimpulse. Diese werden einem Analysator 9 zugeführt, der nach einer sample-and-hold-Technik den Maximalwert der Impulse mit einer Zeitkonstanten von 30/ίs festhält. Über die proportionale Abhängigkeit des Druckes in der Vakuumschaltkammer von der Impulsamplitude wird der Wert des Restgasdruckes in der Vakuumschaltkammer errechnet und digital angezeigt.

Claims

Erfindungsanspruch ' . ,

1. Verfahren zur kontinuierlichen Druckmessung in abgeschlossenen VakuumschaItkammern mit einem beweglichen Kontakt, insbesondere Vakuuraschützen, bei dem einem elektrischen Feld in der Vakuumschaltkammer ein Magnetfeld parallel überlagert und eine Eiagne tr onent ladung gezündet wird, gekennzeichnet dadurch, daß' dem in der Vakuumschaltkammer erzeugten elektrischen EeId ein Magnetfeld > 1 T impulsartig überlagert wird, daß die während einer nichtstationären Vorform der Magnetronentladung entstehenden Stromimpulse hinsichtlich Impulsamplitude und/ oder Verzögerungszeit des ersten Stromimpulses und/oder Schwingungsfrequenz der Stromimpulse analysiert und mittels ihrer proportionalen Abhängigkeit vom Druck in der Vakuumschaltkammer dieser Druck bestimmt wird. .
2. Anordnung. ·zur kontinuierlichen Druckmessung in abgeschlosseneii Vakuum s cha 11 kamm em mit einem beweglichen Kontakt,' insbesondere Vakuumschützen, bestehend aus einem Hochspannungskreis4 der die zu messende Vakuumschaltkammer, einen, Kondensa.torStromkreis, bestehend aus Spannungsquelle, Kondensator und Ladewiderstand, und ein Gerät zur' Analyse der Sntladungsströ'me enthält, und aus einem Magnetkreis, der eine über-die zu messende Vakuumschaltkammer geschobene Magnetspule, Lade— widerstand und Spannungsquelle enthält, gekennzeichnet dadurch, daß im Hochspannungskreis für die Registrierung der in der nichtstationären Vorform der Entladung erzeugten Stromimpulse im Kondensatorstromkreis zusätzlich ein Meßwiderstand in Reihe zum Kondensator angeordnet ist, an dem das Meßsignal aus der'Impulsmessung abgegriffen wird, daß, im Magnetkreis die Magnetspule über einen Hochstromschalter mit einer Kondensatorbatterie' zur Gewährleistung der Erzeugung-eines impulsartigen Magnetfeldes > 1 T verbunden ist» . .

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen