RU2263886C2

RU2263886C2 - Friction vacuum gauge

Info

Publication number: RU2263886C2
Application number: RU2003101192/28A
Authority: RU
Inventors: бов Н.В. Р (RU); Н.В. Рябов; Е.А. Деулин (RU); Е.А. Деулин; А.А. Гаценко (RU); А.А. Гаценко; Р.А. Невшупа (RU); Р.А. Невшупа
Original assignee: Деулин Евгений Алексеевич; Гаценко Александр Андреевич; Невшупа Роман Александрович; Рябов Николай Владимирович
Priority date: 2003-01-17
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2005-11-10

Abstract

FIELD: measuring engineering.

SUBSTANCE: vacuum gauge comprises housing and primary and measuring rotors mounted inside the housing and provided with friction rings. The zone of contact of the friction rings of the rotors has ports that are open to vacuum for stabilizing the thickness of the uniform layer of sorbate on the surface of contact of the rings. The measuring rotor is suspended in the supports having a small moment of friction and connected with the housing through a flexible torsion. The angle of twisting of the torsion is measured with the use of a measuring device.

EFFECT: expanded functional capabilities.

1 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к вакуумной технике, в частности к приборам для измерения степени вакуума, и может быть использовано при измерении давлений в диапазоне 10⁵...10^-10Па.The invention relates to vacuum technology, in particular to devices for measuring the degree of vacuum, and can be used when measuring pressures in the range of 10 ⁵ ... 10 ^-10 Pa.

Уровень техникиState of the art

Известны вакуумметры с вращающимися элементами, в которых используется зависимость коэффициента вязкости разреженного газа от давления [1, 2, 3, 4]. Использование вакуумметров этого типа ограничено наличием трения в подвесе, так как при уменьшении давления момент трения вращающегося тела о газ уменьшается и становится соизмеримым с моментом трения в подвесе. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является роторный вакуумметр с магнитным подвесом [2]. Основным недостатком прототипа является сложность изготовления используемых в нем опор, связанная с большой нестабильностью магнитного поля постоянного магнита в радиальной и осевой плоскостях. Кроме того, при низких давлениях взаимодействие ротора с молекулами газа мало, что приводит к невозможности его использования при низких остаточных давлениях окружающей среды.Known vacuum gauges with rotating elements, which use the dependence of the viscosity coefficient of a rarefied gas on pressure [1, 2, 3, 4]. The use of vacuum gauges of this type is limited by the presence of friction in the suspension, since as the pressure decreases, the friction moment of the rotating body against the gas decreases and becomes comparable with the moment of friction in the suspension. Closest to the invention in technical essence is a rotary vacuum gauge with magnetic suspension [2]. The main disadvantage of the prototype is the complexity of manufacturing the supports used in it, associated with the large instability of the magnetic field of the permanent magnet in the radial and axial planes. In addition, at low pressures, the interaction of the rotor with gas molecules is small, which makes it impossible to use it at low residual environmental pressures.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Для преодоления указанных недостатков в данном вакуумметре применяется способ измерения давления и степени вакуума, основанный на измерении коэффициента трения в контактной паре, приведенной в [5], что позволяет значительно расширить диапазон измеряемых давлений.To overcome these shortcomings in this vacuum gauge, a method for measuring pressure and vacuum degree is used, based on measuring the friction coefficient in the contact pair given in [5], which allows to significantly expand the range of measured pressures.

Фрикционный вакуумметр, представленный на чертеже, состоит из корпуса 3, магнитного ввода вращения 2, первичного ротора 4, приводимого во вращение с помощью вакуумного ввода 2, привода 13, расположенного в атмосфере, измерительного ротора 5, подвешенного на опорах с малым собственным моментом сопротивления и связанного с корпусом 3 с помощью упругого торсиона 9, измерительное устройство 10 (например, оптронное), измеряющие угол закручивания торсиона, на измерительном и первичном роторах установлены фрикционные кольца 11 и 12, которые прижаты друг к другу с заданной осевой силой. Зона контакта фрикционных колец измерительного и первичного роторов имеет окна, открытые в область вакуума, за счет которых происходит стабилизация толщины равномерного слоя сорбата на поверхности контакта колец.The friction vacuum gauge shown in the drawing consists of a housing 3, a magnetic input of rotation 2, a primary rotor 4, driven by rotation of a vacuum input 2, a drive 13 located in the atmosphere, a measuring rotor 5 suspended on supports with a small intrinsic moment of resistance and connected to the housing 3 by means of an elastic torsion 9, a measuring device 10 (for example, an optocoupler) measuring the torsion angle of rotation, friction rings 11 and 12 are mounted on the measuring and primary rotors, which are pressed against each other other with a predetermined axial force. The contact zone of the friction rings of the measuring and primary rotors has windows open to the vacuum region, due to which the thickness of the uniform layer of sorbate is stabilized on the contact surface of the rings.

Для того, чтобы вакуумметр имел малую инерционность, необходимо, согластно [1], чтобы окружающая газовая среда могла образовывать на поверхности трения такое количество сорбата, которое соответствует равновесному состоянию или близко к нему. Для этого в зоне контакта фрикционных колец измерительного и первичного роторов должны быть предусмотрены окна.In order for the vacuum gauge to have a low inertia, it is necessary, according to [1], that the surrounding gas medium can form such a quantity of sorbate on the friction surface that corresponds to the equilibrium state or is close to it. For this, windows should be provided in the contact zone of the friction rings of the measuring and primary rotors.

Угол кругового сектора, занимаемого окном, определяется выражением:The angle of the circular sector occupied by the window is determined by the expression:

где

, [м] - длина окна, D - средний диаметр дорожки трения; V - максимальная скорость трения, допускающая образование равномерного слоя сорбата на поверхностях контакта; N_ln - количество сорбата на единице поверхности, Т - температура поверхности. К; α - коэффициент прилипания; V_a - средняя арифметическая скорость теплового движения молекул; Р_к - «критическое» значение давления, соответствующее переходу системы от высокого к сверхвысокому вакууму Р_к≈10^-4Па.Where

, [m] - window length, D - average diameter of the friction track; V is the maximum friction speed allowing the formation of a uniform sorbate layer on the contact surfaces; N _ln is the amount of sorbate per unit surface, T is the surface temperature. TO; α is the coefficient of adhesion; V _a is the arithmetic mean velocity of the thermal motion of the molecules; P _to - the "critical" pressure value corresponding to the transition of the system from high to ultrahigh vacuum P _to ≈10 ^-4 Pa.

Критической областью давлений, с точки зрения обеспечения чувствительности, является область, при которой газовая среда образует на поверхностях трения один монослой сорбата, что соответствует переходу от высокого к сверхвысокому вакууму. Поэтому соотношение длины окна к скорости вращения ротора должно находиться из условия образования одного монослоя сорбата на поверхности трения.The critical pressure range, from the point of view of providing sensitivity, is the region in which the gaseous medium forms a single sorbate monolayer on the friction surfaces, which corresponds to the transition from high to ultrahigh vacuum. Therefore, the ratio of the window length to the rotor speed should be determined from the condition of formation of one sorbate monolayer on the friction surface.

Представленный ниже фрикционный вакуумметр сконструирован с учетом этих требований.The friction vacuum gauge below is designed to meet these requirements.

Предполагается измерять силу трения фрикционного кольца рабочего ротора о фрикционное кольцо измерительного ротора по углу поворота измерительного ротора относительно его статического положения. По силе трения определяется остаточное давление газа. Данная конструкция позволяет использовать для подвески вала стандартные опоры вращения на шарикоподшипниках, поскольку угол поворота измерительного кольца относительно мал, и коэффициент трения в опорах не вносит большой погрешности в работу устройства. Осевая сила, обеспечивающая прижатие фрикционных колец рабочего и измерительного роторов друг к другу, выбирается из двух условий: она должна обеспечивать равномерный контакт фрикционных колец и в то же время не должна снижать чувствительность вакуумметра.It is supposed to measure the friction force of the friction ring of the working rotor on the friction ring of the measuring rotor by the angle of rotation of the measuring rotor relative to its static position. The friction force determines the residual gas pressure. This design makes it possible to use standard rotation bearings on ball bearings for shaft suspension, since the angle of rotation of the measuring ring is relatively small, and the friction coefficient in the bearings does not introduce a large error into the operation of the device. The axial force that ensures that the friction rings of the working and measuring rotors are pressed against each other is selected from two conditions: it must ensure uniform contact of the friction rings and at the same time should not reduce the sensitivity of the gauge.

Claims

A device for measuring vacuum, comprising a housing attached to the test vacuum system, a primary rotor driven by an actuator located in the atmosphere, characterized in that it further comprises a measuring rotor suspended on bearings with a small intrinsic moment of resistance and connected to the housing using an elastic torsion bar, a measuring device that measures the torsion angle of rotation, friction rings are mounted on the measuring and primary rotors, which are pressed against each other from the rear constant axial force, and the contact area of the friction rings and the primary measuring rotor has windows opened in a vacuum region, which occurs due to the stabilization of a uniform layer thickness on the surface sorbate contact rings, the angle of a circular sector occupied by the window, defined by the expression

where L is the window length, D is the average diameter of the friction track.