DK166048B - Fremgangsmaade og apparat til maaling af lave tryk - Google Patents

Description

DK 166048 B

Opfindelsen vedrører en fremgangsmåde til måling af lave tryk med et gasfriktionsvakuummeter og specielle udførelsesformer for et gasfriktionsvakuummeter til udøvelse af fremgangsmåden. Gasfriktionsvakuummeteret har et rotations-5 legeme, der er lejret berøringsfrit i et magnetfelt i et målehoved, og som bringes i rotation og holdes over en forudbestemt minimal rotationsfrekvens ved hjælp af drivspoler, der omslutter rotationslegemet. Rotationslegemets omdrejningstalsformindskelser som følge af gasfriktion 10 udbalanceres ved kontinuerlig eller intermitterende påvirkning af drivspolerne med vekselstrøm, der frembringes af en vekselstrømsgenerator. Til detektering af rotationslegemets rotationsfrekvens er der i målehovedet monteret følere, som videregiver deres signaler til en elektronisk 15 beregningsenhed, der ud fra den tidslige ændring af rotationsfrekvensen detekterer trykket af den gas, som om giver rotationslegemet.

Det er kendt at benytte gasfriktionsvakuummetre med frit roterende rotationslegemer som måleinstrumenter til be-20 stemmelse af trykket i et højvakuumområde, se fx tysk patentskrift nr. 30 19 315 C2. Måleområdet for de kendte instrumenter er begrænset til et trykområde under ca. 0,1 mbar. Dette kan skyldes, at den til trykmåling målte gasfriktion tiltager proportionalt med trykket ved små gastryk 25 i højvakuum, men kun tiltager ganske svagt ved større gastryk. Ved gastryk over 0,1 mbar bestemmes gasfriktionen i alt væsentligt af gassens viskositet, der imidlertid i vid udstrækning er trykuafhængig. Viskositeten påvirkes derimod kraftigt af gassens temperatur. Dette er årsag til, 30 at gasfriktionens konstante og meget begrænsede trykafhængighed ved højere tryk i uønsket grad overlejres af viskositetspåvirkninger, hvilket fører til usikkerheder ved trykmålingen.

Tilvejebringelsen af en termostat, der holder målehovedet 35 på en konstant temperatur, løser ikke problemet, da rotationslegemet som følge af rotationsfeltet, som drivspolerne

DK 166048 B

2 frembringer til opretholdelse af rotationslegemets minimale omdrejningstal, opvarmes uregelmæssigt. De problemer, som er forbundet med denne ophedning af rotationslegemet under drift ved bestemmelse af meget lave tryk, er beskrevet af 5 J.W. Beams et al., "Spinning Rotor Pressure Gauge", i The Review of Scientific Instruments, bind 33, side 151-155, samt i tysk offentliggørelsesskrift nr. 1.573.603. Temperaturvariationer er således uundgåelige. Hertil kommer opvarmningen af målehovedet og vakuumkammeret, som omslutter 10 rotationslegemet, som følge af den elektriske effekt, som omsættes i drivspolerne. Gassen, som omgiver rotations— legemet, foretager således ved varmeveksling med rotationslegemet og vakuumkammeret temperaturvariationer, der påvirker gasfriktionen. Ved en ændring af den gasfriktion, 15 som måles med rotationslegemet, kan det som følge heraf ikke bestemmes, om denne ændring forårsages af en ændring af temperaturen eller af en trykændring. De termiske fluktuationer i målehovedet forhindrer dermed anvendelse af gasfriktionsvakuummeteret til trykmåling i området over 0,1 20 mbar.

Et formål med opfindelsen er at udvide anvendelsesområdet for gasfriktionsvakuummeteret til højere tryk. Den temperaturbetingede ændring af gasfriktionen, som påvirkes af viskositeten, skal så vidt muligt undertrykkes under tryk-25 målingen.

Dette formål opnås med en fremgangsmåde af den indledningsvis nævnte art og med de i krav 1 angivne ejendommeligheder. Beregningsenheden tilføres et signal, som korrelerer med temperaturen af den gas, om omgiver rotationslegemet, 30 på en sådan måde, at påvirkningen på trykmålingen som følge af temperaturen af gassen, som opvarmes ved drift af rotationslegemet, korrigeres. Beregningsenheden beregner ved hjælp af signalet en korrektionsstørrelse for den temperaturbetingede ændring af gasfriktionen som følge af gassens 35 viskositet, der ændrer sig. En anvendelse af en beregningsenhed til temperaturkonpensation er allerede kendt for

DK 166048 B

3 magnetbåndapparater fra DE-PS 2.914.037 C2. Ved den foreliggende opfindelse bliver der fra regneenheden ved hjælp af signalet beregnet en korrektionsstørrelse for den temperaturafhængige ændring af gasfriktionen som følge af gas-5 sens ændrede viskositet. Den beregnede korrektionsstørrelse bestemmes af sammenhængen mellem gastemperatur og viskositet i overensstemmelse med gasteorien. Ifølge denne er viskositeten tilnærmelsesvis proportional med kvadratroden af den absolutte gastemperatur. Korrelationen mellem det 10 elektriske signal og temperaturen af gassen, som omgiver rotationslegemet, skal bestemmes eksperimentelt. Signaler, der lineært korrelerer med gastemperaturen, foretrækkes.

Til dette formål foretages der som et første alternativ af fremgangsmåden ifølge opfindelsen det, at der som det 15 signal, der korrelerer med temperaturen, benyttes den tidslige reduktion af rotationslegemets rotationsfrekvens ved intermitterende drift under vekselstrømsgeneratorens udkoblingsfaser. Rotationslegemets omdrejningstalsreduktion er proportional med den effektive generatoreffekt, som skal 20 tilføres og står i forvejen til rådighed i beregningsenheden som mellemresultat til beregning af trykket. Udnyttelsen af omdrejningstalsreduktionen som den korrelerende værdi for temperaturen af gassen, som omgiver rotationslegemet, beror på følgende vurdering: Af rotationslegemets 25 omdrejningstalsreduktion kan den nødvendige driftseffekt til opretholdelse af rotationen over den forudbestemte minimale rotationsfrekvens udledes. Denne driftseffekt bevirker temperaturstigningen i målehovedet, og denne temperaturstigning kan, som det fremgår af det følgende, 30 forudberegnes, når man kender målehovedets varmetekniske parametre. Den resulterende temperatur i gassen indstiller sig således ikke øjeblikkeligt, men med en betydelig af målehovedets varmekapacitet bestemt tidsforsinkelse. Ved måling af rotationslegemets omdrejningstalsreduktion kan 35 man derfor bestemme varmetilførselen og dermed den til enhver tid herskende temperatur af den gas, som omgiver rotationslegemet.

DK 166048 B

4

Den til opretholdelse af rotationen nødvendige effektive driftseffekt for vekselstrømsgeneratoren kan i overensstemmelse med det andet alternativ af fremgangsmåden ifølge opfindelsen også frembringes direkte fra vekselstrømsge-5 neratorens relative indkoblingstid. Den effektive driftseffekt er lig med produktet af vekselstrømsgeneratorens afgivne effekt og den relative indkoblingstid. Med kendt afgiven effekt skal dermed kun den relative indkoblingstid måles, hvorved det med gastemperaturen korrelerende signal 10 igen frembringes under hensyntagen til den ovenfor beskrevne tidsforsinkelse.

Den temperaturforhøjelse (i forhold til rumtemperaturen) , der frembringes ved driften af de drivspoler, der tjener til at accelerere gasfriktionsvakuummeterets rotations-15 legeme, bestemmes som nævnt ovenfor i henhold til det andet alternativ for fremgangsmåden ifølge opfindelsen ud fra vekselstrømsgeneratorens relative indkoblingstid E sammenlignet med konstant drift for vekselstrømsgeneratoren. Man bestemmer så først den tempera tur forhøj else ΔΤ0, der ville 20 indstille sig som ligevægtstemperatur ved konstant drift af drivgeneratoren. Hvis man går ud fra, at temperaturen ændrer sig lineært mellem den respektive indkoblingstid E = 0 og konstant drift, kan man bestemme den faktiske temperaturforhøjelse ΔΤ som følger:

25 ΔΤ = ΔΤ0 · E

Den nødvendige indkobl ingst id fra drivgeneratoren eller vekselstrømsgeneratoren er endvidere proportional med den rotorafbremsning, der hidrører fra gasfriktionen i drivgeneratorens eller vekselstrømsgeneratorens udkoblingsfaser, 30 og som i henhold til det første alternativ for fremgangsmåden ifølge opfindelsen måles og samtidigt tjener til trykbestemmelse. I denne sammenhæng måles for rotationslegemets driv- og afbremsningsfaser ændringen (df/dt) for drejningsfrekvensen f over tiden t.

DK 166048 B

5

Ud fra kvotienten (df/dt)3rift ' (df/dt)bremsning bestemmes værdien (df/dt)drift f°r en uafbremset rotoracceleration.

Det kan vises, at den relative indkoblingstid er proportional med den målte rotorafbremsning, der også tjener til 5 beregning af trykket.

I henhold til et tredje alternativ for fremgangsmåden ifølge opfindelsen kan gastemperaturen i rotationslegemets nærhed måles ved hjælp af modstandsændringen i en elektrisk leder. Signalerne fra denne temperaturføler tilføres bereg-10 ningsenheden på en sådan måde, at der ved bestemmelse af trykket tages hensyn til gassens temperaturvariation. Temperaturføleren er fortrinsvis placeret i lille afstand fra rotationslegemet, så at de afvigelser, der må forventes, mellem den ikke direkte tilgængelige gastemperatur på 15 rotationslegemet og temperaturen ved temperaturføleren bliver mindst mulig.

Der kan som tempera tur føl er i målehovedet være monteret én eller flere elektriske spoler, der står i forbindelse med en modstandsmåler, som måler spolernes modstand, og fra 20 hvilken der tilføres signaler til beregningsenheden. Hertil kan der på fordelagtig måde benyttes spoler, der allerede findes som komponenter i målehovedet.

Ved opfindelsen er der endvidere blevet tilvejebragt et gasfriktionsvakuummeter som angivet i krav 2. I dette gas-25 friktionsvakuummeter udnyttes der som et med gastemperaturen korrelerende elektrisk signal den fra vekselstrømsgeneratoren tilførte elektriske effekt. Herved skal der tages hensyn til, at temperaturen i målehovedet efter en ændring af generatoreffekten til at begynde med afviger fra den 30 hidtidige værdi med en tidslig forsinkelse svarende til målehovedets varmekapacitet. Denne tidslige forsinkelse af temperaturændringen sammenlignet med effektændringen bestemmes eksperimentelt og simuleres ved hjælp af et elektronisk forsinkelseskredsløb eller ved hjælp af beregnings-35 enheden.

DK 166048 B

6

Opfindelsen vil i det følgende blive nærmere forklaret under henvisning til tegningen, der viser en udførelsesform for apparatet ifølge opfindelsen, og på hvilken fig. 1 i perspektiv og i snit viser et målehoved i et 5 gasfriktionsvakuummeter med kugleformet rotationslegeme og fig. 2 et koblingsdiagram for de signaler, som tilføres beregningsenheden.

I fig. 1 er vist et målehoved 1 med et kugleformet rotationslegeme 2, der for at kunne tilsluttes et vakuumsystem 10 er indkapslet i et tyndvægget metalrør 3.

En berøringsfri lejring af rotationslegemet 2, der er fremstillet af magnetiserbart materiale, opretholdes ved hjælp af to permamagneter 4a og 4b og to elektriske spoler 5a og 5b samt en elektrisk reguleringsenhed 6 ved hjælp af 15 lille elektrisk energi. Yderligere fire elektriske spoler 7a til 7d, af hvilke kun spolerne 7a og 7b kan ses i fig.

1, er monteret omkring rotationslegemet 2 og sørger for dæmpning af sideværts svingninger af rotationslegemet.

Rotationslegemet 2 drives elektrisk ved hjælp af drivspoler 20 8a til 8d, der er forbundet med en vekselstrømsgenerator 9 (med en omskifter 9' og en tilledning 9"). Rotationslegemet er monteret centreret mellem drivspolerne. Til detektering af rotationslegemet 2's omdrejningstal tjener som følere to aftasterspoler 10a og 10b. I disse aftasterspoler induceres 25 der af de med rotationsfrekvensen roterende komposanter af rotationslegemets magnetisering en med omdrejningstallet synkroniseret elektrisk spænding. Aftasterspolerne står i forbindelse med en beregningsenhed 11, der i fig. 2 er vist som en funktionsenhed. Aftasterspolernes signaler tilføres 30 beregningsenheden via en signalledning 12. Beregningsenheden måler den tidslige ændring af rotationslegemet 2's · rotationsfrekvens. Ud fra denne ændring kan beregnes trykket eller en anden parameter for den gas, som omgiver rotationslegemet.

DK 166048 B

7 I hovedet 1 er der tæt ved rotationslegemet 2 placeret en temperaturføler 13, der i den viste udførelsesform er fastgjort til metalrøret 3, som fører til vakuumsystemet. Metalrøret 3's temperatur svarer på målestedet med til-5 strækkelig nøjagtighed til temperaturen i den gas, som omgiver rotationslegemet, og hvis tryk skal måles. Temperaturføleren 13 er via en signalledning 14 forbundet med indgangen på en omsætter 15, hvis udgang fører til beregningsenheden 11 via en signalledning 16. I omsætteren 15 10 transformeres de fra temperaturføleren 13 afgivne signaler (en spænding U eller en modstand R) til en spænding UT, som tilføres beregningsenheden.

I stedet for temperaturføleren 13 kan også benyttes én eller flere elektriske spoler 5a, 5b, 7a-7d eller 8a-8d som 15 modstandstermometer. I den viste udførelsesform udtages der fra den elektriske spole 7a via en signalledning 17 en modstandsværdi R, der i en omsætter 18 omsættes til en spænding UT, som ændrer sig proportionalt med modstanden.

Fra omsætteren 18 fører en signalledning 19 til beregnings-20 enheden 11.

I den viste udførelsesform udtages desuden vekselstrømsgeneratoren 9's indgangseffekt fra en omsætter 20, der tjener som effektmåler, og som via en signalledning 21 står i forbindelse med vekselstrømsgeneratoren 9. Fra omsætteren 25 20 afgives en spænding Up, der er proportional med ind gangseffekten U.I, og som via en signalledning 22 tilføres en integrator 23. Integratoren simulerer den tidslige forsinkelse af temperaturændringen sammenlignet med vekselstrømsgeneratoren effektændring og afgiver igen et signal 30 U»p, der svarer til temperaturen, til beregningsenheden 11 via en signalledning 24.

Fra en anden omsætter 25 registreres som indgangsværdi udelukkende den relative indkoblingstid τ for vekselstrømsgeneratoren 9 ved intermitterende drift. Til indkobling på

Claims (2)

1. Fremgangsmåde til trykmåling med et gasfriktionsvakuummeter, i hvis målehoved (1) der berøringsfrit er lejret et 25 rotationslegeme (2) mellem elektriske drivspoler (8a-d) i et magnetfelt, hvilket rotationslegeme sættes i rotation ved hjælp af drivspolerne (8a-d) og holdes i rotation over en forudbestemt minimal rotationsfrekvens, idet de som følge af gasfriktion forekommende omdrejningstalsreduktio-30 ner for rotationslegemet (2) udbalanceres ved kontinuerlig eller intermitterende påvirkning af drivspolerne (8a-d) med en vekselstrøm fra en vekselstrømsgenerator (9), idet der i målehovedet (1) er monteret følere (10a, 10b), som tjener DK 166048B 9 til detektering af rotationslegemets (2) rotationsfrekvens og afgiver signaler til en elektronisk beregningsenhed (11), der ud fra den tidslige variation af rotationsfrekvensen beregner trykket i den gas, om omgiver rotations-5 legemet (2), kendetegnet ved, at beregningsenheden (11) yderligere tilføres et elektrisk signal, der repræsenterer temperaturen af den gas, som omgiver rotationslegemet (2), på en sådan måde, at påvirkningen fra den varme, som til-10 føres gassen ved drift af rotationslegemet (2), korrigeres på trykmålingen, idet man a) ved intermitterende drift især benytter reduktionen af rotationslegemets (2) rotationsfrekvens i vekselstrømsgeneratorens (9) udkoblingsfaser som det signal, der repræ- 15 senterer temperaturen, eller b) især benytter den relative indkoblingstid af vekselstrømsgeneratoren (9) som det signal, der repræsenterer temperaturen, eller c) især måler vekselstrømsgeneratorens (9) effekt ved hjælp 20 af en effektmåler.

2. Gasfriktionsvakuummeter til udøvelse af fremgangsmåden ifølge krav 1 b) og med et i et målehoved (1) i et magnetfelt berøringsfrit lejret rotationslegeme (2), der sættes i rotation af elektriske drivspoler (8a-d), der omgiver 25 rotationslegemet (2), og som kontinuerligt eller intermitterende tilføres vekselstrøm, idet vekselstrømmen tilføres fra en vekselstrømsgenerator (9), og med følere (10a, 10b), der er monteret i målehovedet, til detektering af rotationslegemets (2) rotationsfrekvens, og med en bereg-30 ningsenhed (11), der tilføres signaler fra følerne (10a, 10b) og angiver trykket i gassen omkring rotationslegemet (2), kendetegnet ved, at der til vekselstrømsgenera- DK 166048 B 10 toren (9) er tilsluttet en effektmåler (20), hvis signal overføres til beregningsenheden (11).