RU2690049C1 - Method for increasing upper limit of pressure measurement thermionic pressure gauge - Google Patents

Method for increasing upper limit of pressure measurement thermionic pressure gauge Download PDF

Info

Publication number
RU2690049C1
RU2690049C1 RU2018102975A RU2018102975A RU2690049C1 RU 2690049 C1 RU2690049 C1 RU 2690049C1 RU 2018102975 A RU2018102975 A RU 2018102975A RU 2018102975 A RU2018102975 A RU 2018102975A RU 2690049 C1 RU2690049 C1 RU 2690049C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pressure
gauge
cathode
integral
ionization
Prior art date
Application number
RU2018102975A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Кузьмич Базылев
Владимир Александрович Коротченко
Александр Михайлович Жидков
Вадим Эвальдович Скворцов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Московский электроламповый завод" (ООО "МЭЛЗ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Московский электроламповый завод" (ООО "МЭЛЗ") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Московский электроламповый завод" (ООО "МЭЛЗ")
Priority to RU2018102975A priority Critical patent/RU2690049C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2690049C1 publication Critical patent/RU2690049C1/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L21/00—Vacuum gauges
    • G01L21/10—Vacuum gauges by measuring variations in the heat conductivity of the medium, the pressure of which is to be measured
    • G01L21/12—Vacuum gauges by measuring variations in the heat conductivity of the medium, the pressure of which is to be measured measuring changes in electric resistance of measuring members, e.g. of filaments; Vacuum gauges of the Pirani type
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L21/00—Vacuum gauges
    • G01L21/30—Vacuum gauges by making use of ionisation effects

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.SUBSTANCE: invention relates to vacuum measurement equipment and can be used in creation of thermionic electronic pressure gauges with measurement range from atmospheric pressure to 10 Pa using an ion gage head. Disclosed is a method of increasing upper pressure measurement limit of thermionic pressure gauges with ion gage head with rectilinear cathode. According to the disclosed method in order to expand the upper limit of measuring gas pressure to atmospheric pressure, switching of the ion gage head to the mode of a thermal gage head (Pirani pressure gauge) is used, realized by applying cathode voltage to the filament in the form of periodically following rectangular pulses and determining the filament current integral over time during the voltage pulse duration. Pressure measure used is informative parameter X=(I-I)/(I-I), where Iis cathode glow integral of time over pulse duration at current pressure, Iis cathode glow integral of time for pulse duration at pressure below 0.133 Pa, Iis the cathode glow integral over time during the pulse action at atmospheric pressure, and value of parameter X is transferred to pressure value from calibration dependence of parameter X on gas pressure obtained previously together with values Iand Ifor used type of ion gage head, note here that voltage is not supplied to other electrodes of ion gage head.EFFECT: higher upper limit of gas pressure measurement to atmospheric pressure.3 cl

Description

Изобретение относится к технике измерения вакуума и может быть использовано при создании термоэлектронных манометров с прямонакальным катодом и пределами измерения от 105 Па до 10-8 Па.The invention relates to a technique for measuring vacuum and can be used to create thermionic pressure gauges with a directly heated cathode and measurement limits from 10 5 Pa to 10 -8 Pa.

Для измерения высокого и сверхвысокого вакуума широкое распространение получили термоэлектронные манометры с ионизационными манометрическими преобразователями с термокатодом [1, 2]. В них электроны, испускаемые нагретым до 2500 К прямонакальным катодом, ускоряются в направлении сетчатого анода, находящегося под положительным относительно катода потенциалом, и производят ионизацию молекул газа. Часть образующихся положительных ионов поступает в цепь коллектора, потенциал которого ниже потенциала катода. В рабочем диапазоне измеряемых давлений ток коллектора ионов пропорционален давлению газа. С помощью такого преобразователя обеспечивается измерение давления в диапазоне 1-10-8 Па. Например, отечественный ионизационный манометрический преобразователь ПМИ-2 измеряет давление в диапазоне 1-10-5 Па. Отечественный ионизационный манометрический преобразователь ПМИ-27 измеряет давление газа в диапазоне 1-10-8 Па. Современные манометрические преобразователи типа Баярда-Альперта корейской компании KVC измеряют давление в пределах 1-10-8 Па, манометрические преобразователи AIGX (модель AIGX-S-NW25) компании Edwards - 5 - 5⋅10-8 Па. [3].For the measurement of high and ultrahigh vacuum, thermoelectronic manometers with ionization manometric converters with a thermal cathode are widely used [1, 2]. In them, the electrons emitted by the directly heated cathode, which is heated to 2500 K, are accelerated in the direction of the grid anode, which is under a positive potential relative to the cathode, and produce gas molecules that are ionized. Part of the resulting positive ions enters the collector circuit, whose potential is lower than the cathode potential. In the working range of measured pressures, the ion collector current is proportional to the gas pressure. Using such a transducer provides a pressure measurement in the range of 1-10 -8 Pa. For example, the domestic ionization manometric converter PMI-2 measures pressure in the range of 1-10 -5 Pa. The domestic ionization manometric converter PMI-27 measures the gas pressure in the range of 1-10 -8 Pa. Modern Bayard-Alpert pressure gauge transducers from the Korean company KVC measure pressure in the range of 1-10-8 Pa, and Edwards gauge transducers AIGX (AIGX-S-NW25 model) measure 5 to 5-10 -8 Pa. [3].

Измерение давлений выше 1 Па ограничено тем, что ток ионов, поступающих на катод, становится соизмеримым с электронным, что приводит к появлению погрешности в поддержании постоянным электронного ионизирующего тока, возможностью возникновения газового разряда между катодом и ускоряющим электродом, окислением нагретого до температуры 2500 К катода и его разрушением. Как правило, в вакуумных системах при наличии ионизационного манометрического преобразователя обязательно присутствует низковакуумный манометрический преобразователь, поскольку откачка вакуумной системы обычно начинается с атмосферного давления и необходимо определять давление, при котором можно включить термоэлектронный манометр.Measurement of pressures above 1 Pa is limited by the fact that the current of ions entering the cathode becomes comparable with the electronic one, which leads to an error in maintaining a constant electronic ionizing current, the possibility of a gas discharge between the cathode and the accelerating electrode, oxidation of the cathode heated to 2500 K and its destruction. As a rule, in vacuum systems, in the presence of an ionization gauge transducer, a low-vacuum gauge transducer is necessarily present, since the evacuation of the vacuum system usually begins with atmospheric pressure and it is necessary to determine the pressure at which the thermoelectronic pressure gauge can be turned on.

Для расширения диапазона измеряемых давлений в вакуумной системе используют либо два отдельных манометрических преобразователя (низковакуумный и высоковакуумный) со своими измерительными блоками, либо размещение в одном вакуумноплотном баллоне низковакуумного и высоковакуумного манометрических преобразователей. Так в широкодиапазонном вакуумметре фирмы Televac СС-10 в диапазоне давлений от 105 Па до 1 Па используется кристаллический кварцевый манометрический преобразователь, а в диапазоне 1 Па-10-7 Па используется двойной инверсно-магнетронный манометрический преобразователь с холодным катодом [4].To expand the range of measured pressures in a vacuum system, use either two separate gauge transducers (low vacuum and high vacuum) with their own measuring units, or placing low vacuum and high vacuum gauge transducers in one vacuum-tight balloon. So in a Televac SS-10 wide-range vacuum gauge in the pressure range from 10 5 Pa to 1 Pa a crystal quartz manometric transducer is used, and in the range of 1 Pa-10 -7 Pa a double inverse-magnetron manometric transducer with a cold cathode is used [4].

С такой же целью в манометрическом преобразователе WPC400 в одном баллоне размещены манометрический преобразователь Пирани и ионизационный манометрический преобразователь с холодным катодом [5].With the same purpose, the Pirani pressure gauge converter and the cold cathode ionization pressure gauge converter are placed in a single cylinder of the WPC400 transducer [5].

В манометрическом преобразователе WPH-300 в одном баллоне размещены манометрический преобразователь Пирани и ионизационный манометрический преобразователь с горячим катодом (манометрический преобразователь типа Баярда-Альперта) [5]. Оба манометрических преобразователя действуют одновременно. Аналогичное решение использовано в манометрических преобразователях компании Agilent серий FRG-730 [6].In the WPH-300 gauge converter, the Pirani gauge converter and the hot cathode ionization gauge converter (Bayard-Alpert type gauge converter) are placed in one cylinder [5]. Both gauge transducers operate simultaneously. A similar solution was used in the Agilent gauge converters of the FRG-730 series [6].

Наиболее близким к заявляемому техническому решению можно считать способ расширения диапазона измеряемого давления, основанный на размещении в одном баллоне ионизационного манометрического преобразователя типа Баярда-Альперта и теплового манометрического преобразователя (манометра Пирани) [5, 6].The closest to the claimed technical solution can be considered a method of expanding the range of the measured pressure, based on the placement in one cylinder of the Bayard-Alpert ionization gauge transducer and thermal gauge transducer (Pirani gauge) [5, 6].

В то же время многими фирмами выпускаются ионизационные манометрические преобразователи без встроенных в их баллон низковакуумных манометрических преобразователей, например, датчики AIGX (модель AIGX-S-NW25) компании Edwards с диапазоном измеряемых давлений 5 - 5⋅10-8 Па. Все отечественные ионизационные преобразователи с термокатодом (ПМИ-2, ПМИ-27, ПМИ-51, МИ-10-2) также не имеют встроенных в баллон низковакуумных манометрических преобразователей.At the same time, many firms produce ionization gauge transducers without low vacuum gauge transducers built into their balloon, for example, AIGX sensors (AIGX-S-NW25 model) from Edwards with a measured pressure range of 5–5⋅10 -8 Pa. All domestic ionization transducers with thermal cathodes (PMI-2, PMI-27, PMI-51, MI-10-2) also do not have low-vacuum gauge transducers built into the balloon.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение верхнего предела измерения давления термоэлектронного манометра в сторону больших давлений, вплоть до атмосферного, при помощи электродной системы ионизационного манометрического преобразователя.The technical problem to which the invention is directed, is the expansion of the upper limit of the pressure measurement thermionic pressure gauge in the direction of high pressures, up to atmospheric, using an electrode system ionization gauge transducer.

Эта задача решается путем использования нити катода ионизационного манометрического преобразователя для реализации теплового манометрического преобразователя (манометра Пирани [1, 2]), в котором используется зависимость сопротивления нагретой нити накала катода от давления газа. С целью расширения верхнего предела измерения давления газа используется переключение ионизационного преобразователя из ионизационного режима в режим теплового манометрического преобразователя, который реализуется путем приложения к выводам катода ионизационного манометрического преобразователя напряжения в виде периодически следующих прямоугольных импульсов и определения интеграла тока накала по времени за время действия импульса напряжения, а в качестве меры давления используется информативный параметр X=(Ip-I0)/(Im-I0), где Ip - интеграл тока накала катода по времени за время действия импульса при текущем давлении, I0 - интеграл тока накала катода по времени за время действия импульса при давлении ниже 0,133 Па, Im - интеграл тока накала катода по времени за время действия импульса при атмосферном давлении, а значение параметра X переводится в величину давления с помощью математического выражения, соответствующего используемому типу ионизационного манометрического ионизационного преобразователя, по предварительно полученным значениям Im и I0, при этом на другие электроды ионизационного манометрического преобразователя напряжения не подаются.This problem is solved by using the cathode filament of the ionization gauge transducer to implement a thermal gauge transducer (Pirani gauge [1, 2]), which uses the dependence of the resistance of the heated filament on the cathode on the gas pressure. In order to expand the upper limit of gas pressure measurement, the ionization converter is switched from the ionization mode to the thermal gauge converter mode, which is implemented by applying to the cathode of the ionization voltage gauge converter in the form of periodically following rectangular pulses and determining the heat current integral over time , and the informative parameter X = (I p -I 0 ) / (I m -I 0 ) is used as a measure of pressure, where I p - the cathode filament current integral over time during the pulse at the current pressure, I 0 - cathode filament integral over the time during the pulse at a pressure below 0.133 Pa, I m - cathode filament integral over the time during the pulse at atmospheric pressure, and the value of the parameter X is translated into a pressure value using a mathematical expression, as appropriate for the type of ionization of the ionization gauge transducer, and to the obtained values of I m and I 0, while on the other e ktrody ionization gauge transducer voltage is not supplied.

Для построения градуировочной кривой теплового манометрического преобразователя производится измерение интегралов тока накала катода при атмосферном давлении и давлении ниже 0,133 Па. По этим параметрам с помощью соответствующего математического выражения для каждого типа ионизационного манометрического преобразователя воспроизводится граду-ировочная кривая теплового манометрического преобразователя в памяти измерительного блока вакуумметра.To construct the calibration curve of the thermal gauge converter, the integrals of the cathode filament current are measured at atmospheric pressure and pressure below 0.133 Pa. According to these parameters, using the appropriate mathematical expression for each type of ionization gauge transducer, the graduation curve of the thermal gauge transducer is reproduced in the memory of the measuring unit of a vacuum gauge.

Импульсный режим нагрева нити накала используется для снижения времени воздействия агрессивных газов на разогретую до температуры порядка 700 К нить накала. Интегрирование тока накала за время действия импульса обеспечивает снижение погрешности измерения давления при действии электрических помех.The pulsed heating mode of the filament is used to reduce the exposure time of aggressive gases to the filament heated to a temperature of about 700 K. The integration of the filament current during the pulse period reduces the error in pressure measurement under the action of electrical noise.

Поскольку в различных экземплярах ионизационных манометрических преобразователей одного типа имеется разброс сопротивлений нити накала, то определяется относительное изменение сопротивления при данном давлении газа, что обеспечивается делением (IP-I0) на (Im-I0).Since different instances of ionization manometric transducers of the same type have a variation in the resistance of the filament, the relative change in resistance at a given gas pressure is determined by dividing (I P -I 0 ) by (I m -I 0 ).

Преимуществом предлагаемого способа расширения диапазона измерения давления по сравнению с аналогами является возможность использования имеющихся ионизационных манометрических преобразователей с прямонакальным катодом для реализации широко диапазонного вакуумметра, которые значительно дешевле комбинированных манометрических преобразователей.The advantage of the proposed method of expanding the range of pressure measurement in comparison with analogs is the possibility of using existing ionization manometric transducers with a directly-heated cathode for the implementation of a wide-range vacuum gauge, which is much cheaper than combined manometric transducers.

ЛитератураLiterature

1. Востров Г.А., Розанов Л.Н. Вакуумметры. - Л.: Машиностроение, 1967.1. Vostrov G.A., Rozanov L.N. Vacuum gauges. - L .: Mechanical Engineering, 1967.

2. Гуляев М.А., А.В. Ерюхин Измерение вакуума. - М: Издательство комитета стандартов 1967, 148 с.2. Gulyaev M.A., A.V. Eryukhin Measurement of vacuum. - M: Publishing Committee of Standards Committee 1967, 148 p.

3. www.edwardsvacuum.com3. www.edwardsvacuum.com

4. Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.w.televac.ru>catalog/cc_10_wide_wakuumetr.php4. Error! Invalid hyperlink object. w.televac.ru> catalog / cc_10_wide_wakuumetr.php

5. www.zencoplazma.ru5. www.zencoplazma.ru

6. www.taco-line.ru6. www.taco-line.ru

Claims (3)

1. Способ повышения верхнего предела измерения давления термоэлектронного манометра, заключающийся в использовании для давлений ниже 0,133 Па ионизационного режима работы ионизационного манометрического преобразователя, отличающийся тем, что с целью расширения верхнего предела измерения давления газа до атмосферного используется переключение ионизационного манометрического преобразователя в режим манометра Пирани, который реализуется путем приложения к выводам катода ионизационного манометрического преобразователя напряжения в виде периодически следующих прямоугольных импульсов и определения интеграла тока накала по времени за время действия импульса напряжения, а в качестве меры давления используется информативный параметр X=(Ip-I0)/(Im-I0), где Ip - интеграл тока накала катода по времени за время действия импульса при текущем давлении, I0 - интеграл тока накала катода по времени за время действия импульса при давлении ниже 0,133 Па, Im - интеграл тока накала катода по времени за время действия импульса при атмосферном давлении, а значение параметра X переводится в величину давления с помощью градуировочной зависимости параметра X от давления газа, полученной предварительно совместно со значениями Im и I0 для используемого типа ионизационного манометрического преобразователя, при этом на другие электроды ионизационного манометрического преобразователя напряжения не подаются.1. A method of increasing the upper limit of pressure measurement of a thermoelectronic pressure gauge, which consists in using an ionization gauge converter for ionization pressure below 0.133 Pa, characterized in that switching the ionization gauge converter to Pirani gauge mode to expand the upper limit of measuring gas pressure to atmospheric, which is realized by applying to the terminals of the cathode an ionization gauge voltage converter in in the idea of periodically following rectangular pulses and determining the integral of the filament current over time during the duration of the voltage pulse, and the informative parameter X = (I p –I 0 ) / (I m –I 0 ) is used as a measure of pressure, where I p is the current integral cathode filament over time during the pulse at the current pressure, I 0 is the integral of the cathode filament over time during the pulse at a pressure below 0.133 Pa, I m is the cathode filament integral over the time during the pulse at atmospheric pressure, and parameter x translates to the pressure using the calibration dependence of the parameter X on the gas pressure, previously obtained together with the values of I m and I 0 for the type of ionization gauge used, while not being applied to other electrodes of the ion gauge voltage converter. 1. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величина амплитуды импульса напряжения выбирается из условия допустимой температуры нагрева нити накала (500-700 К) при атмосферном давлении воздуха, которая исключает снижение эмиссионной способности катода при переключении манометрического преобразователя в ионизационный режим, а длительность импульса напряжения выбирается достаточной (например, 2 с) для повышения температуры катода до установившегося значения, период следования импульсов выбирается большим времени остывания катода до температуры окружающей среды (например, 20 с).1. The method according to p. 1, characterized in that the magnitude of the amplitude of the voltage pulse is selected from the condition of the permissible heating temperature of the filament (500-700 K) at atmospheric air pressure, which eliminates the reduction of the cathode emissivity when the gauge converter switches to the ionization mode, and the voltage pulse duration is chosen sufficient (for example, 2 s) to raise the temperature of the cathode to a steady-state value, the pulse repetition period is chosen longer than the cooling time of the cathode to temperatures s environment (for example, 20 s). 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для уменьшения погрешности измерения давления при первом использовании образца манометрического преобразователя определяются значения интеграла тока по времени за время действия импульса напряжения Iр при атмосферном давлении и I0 при давлении, меньшем 0,133 Па.2. The method according to p. 1, characterized in that to reduce the error in measuring pressure when first using a sample of a pressure gauge transducer, the current integral over time is determined for the duration of the voltage pulse I p at atmospheric pressure and I 0 at a pressure less than 0.133 Pa.
RU2018102975A 2018-01-25 2018-01-25 Method for increasing upper limit of pressure measurement thermionic pressure gauge RU2690049C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018102975A RU2690049C1 (en) 2018-01-25 2018-01-25 Method for increasing upper limit of pressure measurement thermionic pressure gauge

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018102975A RU2690049C1 (en) 2018-01-25 2018-01-25 Method for increasing upper limit of pressure measurement thermionic pressure gauge

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2690049C1 true RU2690049C1 (en) 2019-05-30

Family

ID=67037272

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018102975A RU2690049C1 (en) 2018-01-25 2018-01-25 Method for increasing upper limit of pressure measurement thermionic pressure gauge

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2690049C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU333430A1 (en) * тпгг ЗНАЯ ELECTRONIC IONIZATION MAHOMETJP WITH CROSSED ELECTRIC AND MAGNETIC FIELDS
SU1472777A1 (en) * 1987-08-11 1989-04-15 Предприятие П/Я А-1614 Ionization vacuum meter
CN201215812Y (en) * 2008-07-03 2009-04-01 成都国光电气股份有限公司 Thermo cathode ionization vacuum gauge
RU2389990C2 (en) * 2008-04-16 2010-05-20 ФГУП Курский завод "Маяк" Combined ionisation vacuum-gauge transducer

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU333430A1 (en) * тпгг ЗНАЯ ELECTRONIC IONIZATION MAHOMETJP WITH CROSSED ELECTRIC AND MAGNETIC FIELDS
SU1472777A1 (en) * 1987-08-11 1989-04-15 Предприятие П/Я А-1614 Ionization vacuum meter
RU2389990C2 (en) * 2008-04-16 2010-05-20 ФГУП Курский завод "Маяк" Combined ionisation vacuum-gauge transducer
CN201215812Y (en) * 2008-07-03 2009-04-01 成都国光电气股份有限公司 Thermo cathode ionization vacuum gauge

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8288715B2 (en) Oxygen detection method, air leakage determination method, gas component detection device, and vacuum processing apparatus
RU2690049C1 (en) Method for increasing upper limit of pressure measurement thermionic pressure gauge
US2334356A (en) Vacuum gauge
RU2016106660A (en) METHOD FOR DETERMINING THE PRESSURE INSIDE THE VACUUM CIRCUIT BREAKER AND THE VACUUM CIRCUIT BREAKER
US1334143A (en) Ionization-manometer
RU2389990C2 (en) Combined ionisation vacuum-gauge transducer
CN101960278B (en) Helium sensor
Valsamakis Ionization gauge for transient gas pressure measurements
Grinham et al. Gas correction factors for vacuum pressure gauges: factors affecting the sensitivity of ionisation and thermal type vacuum gauges with different gases
US1592364A (en) Ionization manometer
CN114323429A (en) Device, method and equipment for testing sensitivity of hot cathode ionization gauge
Knapp et al. Investigations of the transition from field electron emission to stable plasma discharge in a micro electron source at vacuum pressure
Glockler et al. THE ACTIVATION OF MOLECULAR HYDROGEN BY ELECTRON IMPACT
GB780828A (en) Improvements in or relating to electric glow discharge apparatus for measuring low gas-pressures
RU2656091C1 (en) Ion gage head
WO2005080932A1 (en) Method and device for measuring ultrahigh vacuum
SU697850A1 (en) Ionization vacuum gauge
SU96283A1 (en) Method for measuring low gas pressures
Jousten Pressure measurement with ionization gauges
US2487216A (en) Apparatus and method for measuring movement of a body
US2530111A (en) Method and means for indicating ionization pressure
SU293187A1 (en) METHOD FOR DETERMINING THE WORK AREA
Živanović Analysis of low-pressure DC breakdown in air
SU537277A1 (en) Device for measuring pressure in an electrovacuum device
Hackam Effects of electrode configuration and voltage polarity on the electrical breakdown of mercury vapour