HU176442B - Method and apparatus for continuous measurment of gas pressure - Google Patents

Description

A találmány tárgya eljárás gáznyomás folyamatos mérésére, amikor is a mérendő gáz teréből egy részt leválasztunk. Tárgya továbbá az eljárás foganatosítására is alkalmas berendezés, amelynek a mérendő gázzal kitöltött háza és mérőjelet továbbító kimenete van. A találmány szerinti eljárás és berendezés újszerű módon biztosítja a gáznyomás nagy pontosságú mérését, különösen a vákuumtechnikai szükségletekre.

A gáznyomás mérésére szolgáló ismert eljárások és berendezések alapvetően két csoportba oszthatók. Az egyik csoportba a közvetlenül a gáznyomást mérő, míg a másik csoportba a gáznak a nyomástól függő paramétereit követő eljárások és eszközök tartoznak. 15

Az első csoportba tartozó megoldások előnye, hogy azonos állapotegyenletekkel jellemzett mérendő gázok esetén működésük a gáz fajtájától független értékeket szolgáltat. Ezek a megoldások szolgálnak a membrános és dobozos manométerek, 20 vagy a folyadékmanométerek alapjául. Az előzőekben a gáznyomás egy membránt deformál és a deformáció nagyságát mérik. A folyadékmanométerekben a mérendő nyomás folyadékot hoz mozgásba és a folyadékszint változása alapján a 25 mérés elvégezhető.

A gáznyomást közvetlenül mérő eszközök vagy nehezen gyárthatók és zéruspont beállításuk nehézkes, pontosságuk korlátozott (membrános és dobozos manométer), vagy pedig a folyamatos mérés 30 rendkívül nehézkes a beálló gőznyomás miatt (folyadékmanométer).

A második csoportba tartozó legfontosabb megoldások a következők. A gáz hővezetőképességének 5 mérése (Pirani-manométer), a gázkisülés áramerősségének mérése (Penning-manométer), a gáz súrlódási tényezőjének mérése (frikciós vagy dörzsmanométer), továbbá a gáz ionizációs fokának mérése (ionizációs manométer).

A gáznyomást közvetett módon, a gáz paraméterei alapján mérő eszközök az első csoportba tartozókhoz viszonyítva hátrányosabbak abban a tekintetben, hogy a mért érték a gáz fajtájától nagyobb mértékben függ. Ezzel szemben segítségükkel nagyobb pontosság érhető el és a nyomásértékek viszonylag széles tartományában alkalmasak a mérés elvégzésére. Ezzel kapcsolatban azonban az a hátrányuk, hogy a mérendő paraméter és a gáznyomás között nem lineáris összefüggés áll fenn. A Pirani-manométer a nem túl széles mérési tartományban jó pontosságot biztosít. A Penning-manométer a gázkisülés egyenetlen volta miatt csak korlátos pontosságot tesz lehetővé, míg az ionizációs manométer csak a kis nyomásértékek tartományában használható megbízhatóan, mivel nagyobb nyomásokon a mérendő gáz felbomlásának valószínűsége nagyobb.

A találmány célja olyan eljárás és berendezés létrehozása gáznyomás mérésére, amely a gázfajtájától független, közvetlen mérést tesz lehetővé,

A találmány szerinti eljárást előnyösen a leválasztott térrész térfogatának periodikus változtatásával is foganatosíthatjuk. Célszerű a modulációs térként alkalmazott leválasztott térrészt egyik olda5 Ián mozgatni és az érzékelést a mozgatott oldaltól olyan távolságon belül végezni, amely a mérendő gázban a periodikus térfogatváltoztatás frekvenciáján megjelenő hanghullám hullámhosszánál nem nagyobb.

A találmány célját továbbá olyan, különösen az ismertetett eljárás foganatosítására alkalmas berendezés kidolgozásával kívánjuk elérni, amelynek a mérendő gázzal kitöltött háza és mérőjelet továbbító kimenete van, és a találmány szerint a házban zárt modulációs kamra van kialakítva, amelynek belső tere a ház belső terével fojtónyíláson keresztül közlekedik és amelyben a modulációs kamra térfogatát változtató nyomásadó és a nyomásadóval szemben elhelyezett, a modulációs kamra változó gáznyomását mérőjellé alakító vevő van.

Célszerű a nyomásadót és vevőt kör alakban kiképezni, de alakjuktól függetlenül a vevő oly módon is kialakítható, hogy szélein a nyomásadóval érintkezik, távolsága pedig a modulációs kamra közepén maximális. Mind nyomásadóként, mind vevőként piezoelektromos elem, fém membrán alkalmazható, vevőként továbbá kondenzátormikrofon is használható. Előnyös a kondenzátormikrofon egyik membránját, amelyet fémhálóként is ki lehet alakítani, a modulációs kamra zárására alkalmazni.

A modulációs kamrán kívül, a nyomásadó által létrehozott rezgések és lengések egyensúlyozására ellenfázisban lengő testet célszerű elhelyezni. A lengő test is kialakítható piezoelektromos elemként, de előnyös például mikrofon alapján létrehozott szabályozó elemmel ellátni.

A találmány szerinti berendezés célszerűen a modulációs kamrán kívül elhelyezett és a vevőhöz tartozó második kondenzátormikrofonnal is ellátható, amely a vevővel bélső teret képez és ez a belső tér nyíláson keresztül a ház belső terével közlekedik. Célszerű a második kondenzátormikrofon egyik kondenzátorlemezeként a ház fedőlapját alkalmazni.

A találmány szerinti berendezéssel lehetővé válik a nyomásmérés nyomásingadozások érzékelése útján való elvégzése. A vevőből kapott jelet a berendezés geometriai viszonyait figyelembe vevő jelátalakítás után megfelelő skálán ki lehet jelezni.

A találmány tárgyát a továbbiakban példakénti kiviteli alak és foganatosítási mód alapján, a csatolt rajzra hivatkozással ismertetjük részletesen. A rajzon az

1. ábra a találmány szerinti berendezés hosszmetszete, míg a

2. ábra a találmány szerinti berendezéshez kialakított nyomásadó és vevő egy másik felépítése.

A találmány szerinti eljárás foganatosításakor a mérendő gáz áramát lezárt ház belsejébe vezetjük. A ház belső terében vele közlekedő modulációs kamrát alakítunk ki, amelynek egyik oldalát mozgathatóan képezzük ki. Az eljárás foganatosítása során ezt az oldalt ismételt mozgásba hozzuk. A folyadék alkalmazása nélkül. Célunk továbbá, hogy a mérés során a gáz összetétele ne változzon. További cél, hogy a mérés nagy pontosságú és széles értéktartományban lineáris legyen. Ily módon elérhető, hogy a pontos hitelesítés után minden méréstartományhoz ugyanazt a mérési skálát használjuk.

A találmány alapja az a felismerés, hogy ha a mérendő gázból kis térfogatú térrészt választunk le és a térrész nagyságát változtatjuk, a változtatott, 10 vagyis modulált térfogatú térrészben uralkodó nyomás a gáz egészének nyomásával arányos. Ez a felismerés az ideális gázok állapotegyenlete alapján bizonyítható.

Ha a mérendő gáz jó közelítéssel eleget tesz az 15 ideális gázok pV= K (1) állapotegyenletének, ahol apa mérendő nyomás, 20 V a modulálandó térfogat és K állandó, akkor a modulálandó térfogatot V] és V₂ értékek között változtatva a két térfogathoz tartozó nyomásértékek Δρ különbsége:

Δρ = ρ, -p₂ ^(Vr'-V,-¹).

Ebbe az egyenletbe K értékét az (1) egyenletből behelyettesítve kapjuk: 30

Δρ = ρν(νγ ~ V₂-') = Ap.

Ha tehát a V térfogatot két állandó határérték (Vj és V₂) között változtatjuk, a Δρ nyomásválto- 35 zás a nyomás p abszolút értékével arányos. Az A arányossági tényező pedig a geometriai viszonyoktól függ, a gáz fajtájától független. Hasonló jellegű összefüggés írható fel a gyakorlatban előforduló mérési feladatokban fellépő legtöbb gázra. 40

A felismerés hasznosíthatóságát a nyomásingadozások érzékeléséhez és méréséhez jól alkalmazható ismert eljárások biztosítják. Közismert például, hogy a hanghullámok a gázban terjedő nyomásingadozások eredményei. 45

Célunkat olyan, gáznyomás folyamatos mérésére alkalmas eljárás kidolgozásával érjük el, amikor is a mérendő gáz teréből egy részt leválasztunk és a találmány szerint a leválasztott térrészt legalább egy oldalról mozgatható határoló felülettel zárjuk 50 le, a határoló felületen fojtónyílást alakítunk ki, amelyen keresztül a leválasztott térrészt a mérendő gáz terével összekötjük, majd a leválasztott térrész térfogatát olyan sebességgel változtatjuk, hogy a leválasztott térrész nyomása és a fojtónyílás másik 55 oldalán levő mérendő gáz nyomása között állandóan eltérést tartsunk fenn, ezt követően a leválasztott térrészben keletkező nyomásingadozásokat érzékeljük, majd az érzékelés alapján önmagában ismert módon a gáznyomásra jellemző kimenő jelet hozunk létre.

Az eljárás szerint a mérendő gáz terével fojtónyíláson keresztül összekötött kis térfogatú térrészben nyomásváltozásokat hozunk létre, amelyek ismert módon jól érzékelhetők. ^5 modulációs kamrában keletkező nyomáshullámokat megfelelő vevővel érzékeljük, amely a nyomáshullámok nyomásingadozását más, előnyösen villamosán továbbítható és feldolgozható jellé alakítja át. Az átalakított jel alapján, a modulációs kamra méreteit ismerve, az áramló gáz nyomása megállapítható. Ha a modulációs kamra térfogatát az adott gázban hanghullámokat keltő frekvenciával periodikusan mozgatjuk, lehetővé válik az érzékeléshez mikrofon alkalmazása.

A találmány szerinti berendezés 1 házának belső tere (1. ábra) 2 csonkon keresztül kapcsolódik a mérendő gáz terével. A 2 csonk mérete akkora, hogy a mérendő gáz nyomása egyenlő legyen a mérést végző egységeket hordozó 1 ház belső nyomásával. Az 1 házban egyik oldalon 4 nyomásadóval, másik oldalon 5 vevővel határolt 3 modulációs kamra van kialakítva. Az 5 vevő és a 4 nyomásadó előnyösen kör alakú és az ábrázolt esetben változó távolságra vannak egymástól. Legnagyobb távolságukat az 5 vevő középpontjában érik el. A távolság pontos beállítását a 4 nyomásadó vagy a rajta kialakított 8 műanyag borítás biztosítja, amelynek szélei az 5 vevővel érintkeznek. Célszerű a távolság maximális értékét l,0mm-nél kisebbre választani. Az ábra szerinti kiviteli alaknál ez a távolság például 0,3 mm volt. A 4 nyomásadó célszerűen 7 fém membránon kialakított korong alakú 6 piezoelektromos elem. A 8 műanyag borítás például epoxi-gyanta lehet. Az 1. ábra szerinti kiviteli alakban az 5 vevő kondenzátormikrofonként van kialakítva, amelynek membránjai azonos felépítésűek és anyagúak. Ezekben a membránokban 12, 13 továbbá 14 nyílás van kialakítva.

A 4 nyomásadó működése közben az 5 vevővel szembeni felülete (a 8 műanyag borítás, vagy a 7 fém membrán) mindkét irányban kitér. A felületi pontoknak az 5 vevőtől számított távolságát célszerű úgy megválasztani, hogy minden felületi pontra a működés közbeni kétoldali kitérésekhez tartozó teljes úthossz és a nyugalmi állapotban az 5 vevőtől számított távolság aránya azonos legyen. A nyomásadót általában úgy alakítják ki, hogy felületi pontjainak kitérése a szélektől befelé haladva egyre nagyobb legyen, magán a szélen pedig zérus. Ez a megoldás a leválasztott térrész térfogatának modulálása szempontjából igen kedvező, de a 4 nyomásadó működésének hatására az 5 vevő és vele együtt a vevőt alkotó kondenzátormikrofon elemei rezegni kezdenek, ami szükségessé teszi a rezgések, a lengő mozgás csillapítását, illetve ezek hatásának kiszűrését. Ezt segíti elő, ha a kondenzátormikrofonnak a 3 modulációs kamrát határoló membránját fémhálóként alakítják ki, vagy ha a 4 nyomásadóval mechanikusan kapcsolódó fém alkatrészeket és az 5 vevő membránját kondenzátorként építik be. A kondenzátormikrofonnak a nyomás vételekor működésbe lépő lemezeit célszerű azonos méretben és azonos anyagból készíteni.

A 3 modulációs kamra térfogatát csökkentő mozgás dinamikus hatására a berendezés rezgésbe jön. Ennek ellensúlyozására célszerű a 4 nyomásadóval szemben, a 3 modulációs kamrán kívül 9 lengő testet kialakítani, például piezoelektromos elemként. A 9 lengő test a 4 nyomásadóval ellentétes fázisban leng. Fázishelyes visszacsatolására, vagy mozgásának szabályozására 10 szabályozóelem, pl. mikrofon is beépíthető, amely piezoelektromos anyagból is készülhet. Az 5 vevő az össze5 nyomódó gáz rugalmas visszatérítő hatására szintén intenzív mozgásba lendülhet. Ennek a mozgásnak a jelét második 11 kondenzátormikrofon képes érzékelni, amely a visszatérítéskor keletkező jel kompenzálásában jut szerephez. A második 11 konden0 zátormikrofont célszerű az 1 ház la fedőlapjával mint kondenzátorlemezzel létrehozni.

A 12, 13 és 14 nyílások kapcsolatot teremtenek az 1 ház különböző belső terei között. A 12 nyílást oly módon kell kialakítani, hogy a rajta 5 keresztül létrejövő áramlás ne tegye lehetővé a 3 modulációs kamra belső terében uralkodó nyomás és a rajta kívül levő nyomás kiegyenlítődését a térfogatváltoztatás során.

A 4 nyomásadó a vezetékeken, a 9 lengő test c 0 vezetékeken keresztül váltakozóáramú feszültségforrásra csatlakozik, míg az 5 vevő h, g vezetékeken keresztül, a második 11 kondenzátormikrofon i vezetéken keresztül nagy belső ellenállású egyenfeszültségforráshoz csatlakozik. 17 ernyő a g, 5 h, i vezetékek villamos szigetelését biztosítja. A villamos vezető lemezeket egymástól 15 szigetelés választja el. A 10 szabályozó elem f vezetéken a 9 lengő testtel kapcsolódik, míg e kivezetése a lengések kompenzálására, a 9 lengő test mozgásának 0 szabályozására alkalmas. A 4 nyomásadót és a 9 lengő testet összekötő d vezeték közös b kivezetésként csatlakozik 16 pólusra, amely szintén a lengő mozgás szabályozását végzi.

A 4 nyomásadó és 5 vevő, mint a 2. ábrán 5 látható oly módon is kialakítható, hogy a 4 nyomásadó lengései az 5 vevőre nem tudnak mechanikusan átjutni. A 7 fém membránt itt fazék alakúra képezzük ki és a 4 nyomásadót ennek szélére erősítjük fel. A 3 modulációs kamrát hatáq roló 5 vevő membránja hasonló alakú, mint a 4 nyomásadó, de tükrösen van elhelyezve.

A találmány szerinti berendezés a vevőtől függően alkalmazható különböző nyomástartományok mérésére. Például kondenzátormikrofon felhaszná₅ lásával a kis nyomások megfelelő mérése biztosított, míg piezoelektromos elemmel a légköri nyomások tartományában végezhető pontos mérés. A nyomásadóval mechanikusan összekötött és vele együtt lengő fémes részeket kondenzátorként kiala- látva a nyomásadó mozgása kedvezően követhető és ellenőrizhető.

A találmány szerinti berendezés működése a következő:

A 3 modulációs kamrában elhelyezett 4 nyomásadót váltakozó feszültségű tápforrásra csatlakoztatjuk. A 6 piezoelektromos elem a váltakozófeszültség frekvenciájának megfelelő frekvenciájú rezgést végez. Az így létrejövő nyomásingadozásokat, ) amelyek a 12 nyílás célszerű mérete miatt nem tudnak a 6 piezoelektromos elem mozgása során az 1 házat kitöltő gáz nyomásával kiegyenlítődni, az vevő, célszerűén kondenzátormikrofon érzékeli. A kondenzátormikrofon jele elektronikus kiértékelő ; berendezésbe vezethető. A második 11 konden zátormikrofon jelei alapján lehetővé válik az 1 ház egyéb mozgásainak kiszűrése, és ily módon a nyomásingadozások nagyon pontos követése. A készülék hat nagyságrendet átfogó nyomástartományban üzemeltethető kondenzátormikrofonos 5 vevő- 5 vei, amikoris a nyomás lineáris függvény szerint és a gáz fajtájától, pontosabban állapotegyenletének az ideális gázétól való eltérésétől függő pontossággal mérhető. A mérési tartományok nagysága a 3 modulációs kamra méreteinek megválasztásával, az 10 5 vevő érzékelőelemének megválasztásával és kialakítási pontosságával szabályozható. A találmány szerinti berendezést célszerűen kis méretekkel is kialakíthatjuk, ezért belőle több is elhelyezhető egyetlen mérőfejben, ami rendkívül széles értéktár- 15 tomány átfogását biztosítja. Az egyszerű kezelésű és nagy megbízhatóságú berendezés kis tömegű, egyszerű felépítésű, ami a gyártást könnyűvé teszi.

Claims (20)

1. Szabadalmi igénypontok:

   1. Eljárás gáznyomás folyamatos mérésére, amikoris a mérendő gáz teréből egy részt leválasztunk azzal jellemezve, hogy a leválasztott térrészt lég- 25 alább egy oldalról mozgatható határoló felülettel zárjuk le, a határoló felületen fojtónyílást alakítunk ki, amelyen keresztül a leválasztott térrészt a mérendő gáz terével összekötjük, majd a leválasztott térrész térfogatát olyan sebességgel változtat- 30 juk, hogy a leválasztott térrész nyomása és a fojtónyílás másik oldalán levő mérendő gáz nyomása között állandóan eltérést tartsunk fenn, ezt követően a leválasztott térrészben keletkező nyomásingadozásokat érzékeljük, majd az érzékelés 35 alapján önmagában ismert módon a gáznyomásra jellemző kimenő jelet hozunk létre. (1976. VI. 08.)
2. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás foganatosítási 40 módja, azzal jellemezve, hogy a leválasztott térrész térfogatának változtatását periodikus csökkentéssel és növeléssel hozzuk létre. (1976. 06. 08.)
3. 3. A 2. igénypont szerinti eljárás foganatosítási módja, azzal jellemezve, hogy a térfogatváltozta- 45 táshoz a leválasztott térrész határoló felületének egyik oldalát mozgatjuk, míg a nyomásingadozásokat a mozgatott oldaltól olyan távolságon belül érzékeljük, amely a periodikus térfogatváltoztatás frekvenciájával azonos frekvenciájú hanghullámhoz 50 a mérendő gázban tartozó hullámhosszal egyenlő. (1976. 06. 08.)
4. 4. Berendezés gáznyomás folyamatos mérésére, különösen az 1. igénypont szerinti eljárás fogana- 55 tosítására. amelynek a mérendő gázzal kitöltött háza és mérőjelet továbbító kímenete van, azzal jellemezve, hogy a házban (1) zárt modulációs kamra (3) van kialakítva, amelynek belső tere a ház (1) belső terével fojtónyíláson (12) keresztül 60 közlekedik és amelyben a modulációs kamra (3) térfogatát változtató nyomásadó (4) és a nyomásadóval (4) szemben elhelyezett, a modulációs kamra (3) változó gáznyomását mérőjellé alakító vevő (5) van. , 65
5. 5. A 4. igénypont szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a nyomásadó (4) és a vevő (5) kör alakú.
6. 6. A 4. vagy 5. igénypont szerinti berendezés kiviteli alakja azzal jellemezve, hogy a modulációs kamrát (3) a vevő (5) és vele a kerületén érintkező nyomásadó (4) határolja, és a nyomásadó (4), valamint a vevő (5) minden egymással szemben fekvő felületi pontjának távolsága akkora, hogy a nyomásadó (4) térfogatváltozást létrehozó kitérésének és a vevőtől (5) nyugalmi állapotban mért távolságának aránya minden felületi pontra azonos.
7. 7. A 4-6. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a nyomásadónak (4) a vevőtől (5) mért távolsága legfeljebb 1,0 mm.
8. 8. A 4-6. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a nyomásadó (4) piezoelektromos elemet (6) és fém membránt (7) tartalmaz. (1976. 06. 08.)
9. 9. A 8. igénypont szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a fém membránon (7) műanyagból készült borítás van, amelynek a modulációs kamra (3) felé eső oldala homorú felületként van kialakítva.
10. 10. A 4—9. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a vevő (5) kondenzátormikrofonként van kialakítva, amelynek egyik membránja a modulációs kamra (3) belső terét határolja. (1976. 06. 08.)
11. 11. A 10. igénypont szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a kondenzátormikrofonnak a modulációs kamrát j(3) határoló membránja fémhálóként van kialakítva. (1976. 06. 08.)
12. 12. A 4—9. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a vevő (5) piezoelektromos elemként van kialakítva. (1976. 06. 08.)
13. 13. A 4-10. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a nyomásadóval (4) mechanikusan összekötött fémes részek és a vevő (5) membránja kondenzátorelrendezést alkotnak.
14. 14. A 4—10. igénypontok szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a vevőként (5) alkalmazott kondenzátormikrofonnak nyomásvételkor működő kondenzátorlemezei azonos felépítésű és azonos anyagból vannak.
15. 15. A 4-10. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a modulációs kamrán (3) kívül a nyomásadóval (4) ellenfázisban lengő test (9) van elhelyezve.
16. 16. A 15. igénypont szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a lengő test (9) fém membránnal csatlakoztatott piezoelektromos elem.
17. 17. A 15. vagy 16. igénypont szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a lengő test (9) rezgéseit érzékelő és azt visszacsatoló vagy szabályozó elemmel (10) van ellátva.
18. 18. A 17. igénypont szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a szabályozó elem (10) mikrofon.
19. 19. A 4-18. igénypontok bármelyike szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a kondenzátormikrofonként kiképzett vevőhöz (5) a
20. 20. A 19. igénypont szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a második kondenzátormikrofon (11) egyik kondenzátorlemezét a ház (1) fedőlapja (la) alkotja.

    modulációs kamrán (3) kívül második kondenzátormikrofon (11) tartozik és a vevő (5) valamint a második kondenzátormikrofon (11) közötti tér nyíláson (13) keresztül a ház (1) belső terével közlekedik.