SU620854A1 - Устройство дл измерени давлени - Google Patents

Claims (3)

1. Изобретение относитс  к технике измерени  давлени , в частности к датчикам давлений Б вакуумных системах . Известны различные типы датчиков давлени , например термопарные ионизационные , датчики парциального давлени  и т ,д. l . В термопарных манометрах используетс  зависимость теплопроводности газа от давлени . Ионизационные мано метры основаны на пропорциональности удельной ионизации газа его плотности . И термопарные и ионизационные -манометры имеют невысокую точность измерени . Кроме того, их недостатками  вл ютс  необходимость периодической градуировки и зависимость показаний от состава газа. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  кислородный датчик парциального давлени , представл юпусй собой потенцио метрическую твердоэлектролитную  чей ку (ТЭЯ) с измерителем ЭДС, причем рабоча  камера  чейки соедин етс  с вакуумной системой газовым трактом 2J Внутренний электрод твердоэлектролитной  чейки контактирует с атмосферой вакуумной системц. Наружный электрод омываетс  окружающим воздухом . ЭДС, образовавша с  на электродах потенциометрической твердоэлектролитной  чейки, пропорциональна логарифну отношени  разности парциальных давлений кисЛорода в вакуумной камере и окружающем воздухе и выражаетс  известным уравненнем Нернста . Датчик имеет аналитическую градуировочную характеристику, выведенпую из уравнени  Нернста V -ЦгЛV « « в - парциальиое давлеиие кислсфода в вакуумюй камере атмосферное давление окружающего воздуха) концентраци  кислороде в воздухе; число зар дов в ионизированной молекуле; число Фзд аде ; ЭДС твердоэлектролитной  чейки; газова  посто ина ; рабоча  температура, твердоэлектролитной  чейки; Датчик позвол ет определ ть общее давление вакуумной системы, если известна концентраци  кислорода в ней. Известное устройство обладает высокой точностью измерени  парциё льного давлени  кислорода. Oko может быть также применено при измерении полных давлений в тех случа х если вакуумна  система йе содержит горючи газов и газов, диссоциирующих лри .вы сокой температуре с образованием кис лорода (, CO;2 ), и известна конгцентраци  кислорода. При этом точнос измерени  давлени  определ«еа;с  точностью , с которой Ъпрё ёлена концентраци  кислорода. Таким офразом, точ ность в большинстве случаев недостаточна . Цель изобретени  - повьииение точности и расширение пределов измерени давлени . Указанна  цель достигаетс  Teii, чтр в устройство дл  измерени  давле ни , содержащее потенциометрическую твердоэлектролитную  чейку с измерителем ЭДС, рабоча  камера которой со динена с вакуумной системой газовым трактом, введен натекатель газа в. вид дозирующей о вердоэлектролитной  чейки с источником тока, подключенный к ра бочей камере потенциометрической твер доэлектролитной  чейки, а газовый тракт выполнен в виде трубки, размещенной между рабочей камерой твердоэлектролитной  чейки и вакуумной системой. , Диаметр трубки газового тракта определ етс  следующим соотношением ,,,к4 XUPpBobni / ( 3 - диаметр соединительной трубки; минимально возможное давление вакуумной системы; давление при нормальных услови х; ЗЭо - коэффициент диффузии нормальных услови х; - выбранный или нормирован;ный предел погрешности дл всего диапазона давлений; Д - максимальна  разность кон центраций в вакуумной сис ; теме fi рабочей камере тве доэлектролйтйой  чейки; -О, - концентраци  кислорода в рабочей камере ТЭЯ; GO - минимально возможна  центраци  кислорода в вакуумной системе; (J - коэффициент в зкости. В качестве натекател  газа может быть использована дозирующа  твердоэлектролитна   чейка с источником Тока. Действие предл гаф1ого устройства основано на создании в рабочей каме1з твердоэлектролитной  чейки среды с известным содержанием кислорода, при чем давление поддерживаетс  равным давлению в вакуумной системе. Бларгодар  этому ЭДС измерительной  чейки Явл етс  мерой давлени  вакуумной системы . На чертеже схематически представлено предлагаемое устройство. Дл  конкретности в качестве источника газа с известной концентрацией кислорода и одновременно натекат .ел  используетс  дозирующа  твердое лектролитна   чейка 1 с источником тока
2. 2. Ячейка 1 газовым трактом соединена с входом потенциометрической твердоэлектролитной  чейки 3, котора  через трубку 4 соединена с вакуумной системой 5. ЭДС  чейки 3 измер етс  измерителем б. Измерение давлени  осуществл етс  следующим образом. Ячейка 1 под действием тока от источника тока 2 дозирует кислорсэд, который поступает в измерительную 3.1 Н& электродах  чейки 3 воз,никает ЭДЬ, измер ема  измерителем б, котора  в соответствии с законом Нернста равна с RT о ZOj -газова  посто нна ; -рабоча  температура  чейки; число зар дов в ионизированной молекуле кислорода; число Фараде ; парциальное давление кислорода в сравнительной среде - .воздухе; парциальное давление кис лоррда в вакуумной системе. Парциальные давлени  кислорода QZ 02 можно выразить через полные давлени  и объемные концентрации . Здесь РОТЛЛ атмосферное давление; давление в вакуумной системе, которое прак тическое фавно давлению в  чейке, так как она соединена с системой газовым трактомтрубкой; концентраци  кислорода в воздухе в объемных дол х (эту концентрацию можно без большой ошибки считать посто нной и прин ть равной 0,207); концентраци  кислорода в рабочей камере ТЭЯ 3 в объемных дол х, равна , в св зи с тем, что дозируетс  чистый кислород , единице. Подставив значени  Рд в выражение (1) , выражений ПОЛУЧё1ЮТ Заменив посто нные коэффициенты численными значени ми, после несложных преобразований получают при те пературе ТЭЯ 3 Т в 1008°К : ,гО7 Р..- Соотношение {4а) позвол ет onj eделить давление в вакуумной системе. Кроме рассмотренного случа ., когда дозируетс  чистый кислород, возможна дозировка газа с другой/ не об за , тельно известной концентрацией кир порода (например воздуха). Применение натекател  газа с известной концентрацией кислорода значительно расшир ет область примене . устройства и позвол ет использовать его дл  измерени  давлени  вакуумных систем независимо, от состава остаточных газов. Кроме того, благодар  тому, что концентраци  кислорода в смеси, используемой дл  натекател , может быть задана весьма точно, повышаетс  точность измерени . Как показали испытани , при измерении малых давлений .(по 1,10 мм рт.ст.) погрешность из- 35 мерени  не пр§вь1шает i 5% отв. Поскольку количественно концентрации кислорода в рабочей камере твердоэлектролитной  чейки 3 и вакуумной системе 5 не равны между собой, о в выходной трубке 4 будет иметь место взаимна  .диффузи  компонентов газа рабочей камеры и вакуумной системы, что приводит к изменению концентрации кислорода в рабочей камере ТЭЯ 3 .и,как следствие, к пограчности измерени . Диффузию против потока газа (противодиффузию ) можно сделать как угодно малой примен   выходную соединительную трубку соответствующей длины и диаметра или измен   расход газа через рабочую камеру ТЭЯ 3. Однако увеличение длины трубки и расхода газа неизбежно вызовет перепад давлени  между рабочей камерой ТЭЯ 3 и вакуумной системой. Ниже показана возможность выбора оптимального варианта расчетным методом. Изменение концентрации кислорода i в рабочей камере ТЭЯ 3 может быть с известней степенью приближени  определено по формуле, ДСССо- )ехр( 620854 ро 10, гд , по ка гд в р но из пол тор пот уст ди 45 ном тру в  гд ке ил ме лу ме gg ле где CQ концентраци  кислорода в рабочей камере ТЭЯ 3; концентраци  кислорода в вакуумной системе; скорость потока в трубке; коэффициент диффузии; длина трубки. Коэффициент диффузии в области мсшьных температур равен iD«D,-, (6) 0 коэффициент диффузии при нормальных услови х; РО давление при нормальных услови х; давление газа в соединительной трубке 4. Средн   по сечению трубки скорость ока газа, выход щего из рабочей еры ТЭЯ 3 V JQ Q - поток газа (объемньй рас ход, приведенный к единичному давлению); d - внутренний диаметр трубки 4; Изменение концентрации кислсфода абочей кг1мере.приводит к погрешти измерени , равной, как сэтедурт формулы (4), 8Ср2, ,., а Реша  совместно уравнени  (5)-(8) вед  обозначение 4Qe itd учают Величина Ф играет роль некоого газодинамического параметра ока газа в выходной трубке. 4. Течение газа по трубопроводам в ановках низкого вакуума происхов большинстве случаев в в экострежиме . Пропускна  способность бопровода круглого сечени  при костном режиме течени  равны I ТЭ Izejut tJ - коэффициент в зкости. Перепад давлени  в выходной труб4 о . подставл   выражение (II) иири   обозначени  уравнени  (9),поают , :.р.- W, Увеличение давлени  врабочей каре ТЭЯ 3 вследствие перепада давни  приводит к погрешности измврв; ни , равной, как сле4;ует из формулы (4) 1 АР (13) и после подстановки выражени  получают Згф/j Су Л1арна  погрешности, св эё(нна  с эффект и1в{ противодиффузии и переп да давлени , равна ( Г« rf-jj (. Выбор койструктивных пар гметров измерительной схемы проведен из услови . , м - выбранный или нс змирован ный предел относительной погрешности дл  всег ди апазона давлений. Из уравнени  (10) следует, что rto rpeuiHocTb не зависит от давлени  газа. При использовании в качестве натекател  твердоэлектролитной  чейки дозирующей спектрально чисты кислород, . Из уравнени  (13) следует, что / О , причем при увеличении дав лени  газа величина ее резко убывает Тогда условие (16), можно выполнит ( 17) ( 18) Оо ставл   выражение (10. в выражение (17) и реша  приСд сС относительно Ф получают I Со - с Ф о5оЬ« / Подставл   выражение (14) в выражение (18) и реша  Р - РММН , полу чают условие дл  выбора Аиаметра вы ходной трубки ( . ) или подставл   выражение (19) в выражен;1е (20), 5.65 где - максимальна  разност У2«ААкс концентраций кислород в вакуумной камере и рабочей камере ТЭЯ 3 Использова ие в предлагаемом уст ройстве трубки огфеделенного диаметра дл  соединени  рабочей Кс1меры тв эдоэлектропитн  чейки с вакуум ной системой позвол ет расив рить пр дел измерени  устройства от атмосферного до 0,1 мм рт.ст. и ниже, так как оно пригодно дл  измерени  давлени  в системах с любым составом остаточных газов, а наличие натекател  дл  подачи газа в известной конценTpamiej кислорода повышает точность змерени  менее ± 5% отн. Формула изобретени  1. Устройство дл  измерени  давлени , содержащее потенциометрическую твердозлектролитнуто  чейку с измерителем ЭДС, рабоча  которой соеди )нена с вакуумной системой газовым трактом, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности и расширени  пределов измерени  давлени , в него введен натекатель газа, подключенный к рабочей камере потенциометрической твердоэлектролитной  чейки, а газовый тракт выполнен в виде т|рубки, размещенной между камерой твердоэлектролитной  чейки и вакуумной системой. 2 о Устройство ПОП.1, отличаю щ е| е с   тем, что диаметр трубки газового тракта определ етс  соотнотаением ((г f . / цРоДреп/аь;сж : . где 3 - диаметр соединительной трубки; РМИН минимально возможное давление вакуумной системы; РО - давление при нормальных услови х; - коэффициент диффузии при нормальных х слови х; - выбранный или нормированный предел погрешности дл  всего диапазона давлений; АСп. максимальна  разность конУамАкс центраций в вакуумной системе и рабочей камере твердоэлектролитной  чейки; концентраци  кислорода в рабочей камере ТЭЯ; Сп - минимально возможна  конЛЛАИИ центраци  кислорода в вакуумной системе; - коэффициент в зкости.
3. 3. Устройство по П.1, отличающеес  тем, что, в качестве натекател  газа использована дози)Л рующа  твердозлектролитна   чейка с источником тока. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе: 1. Техника высокого вакуума, Гршиковский Я.,изд-во Мир , М.р 1975,, стр.330. 2 . X Мой Ъ. T.Vac-Sci.Teuhnoe lOj 5, bept/Ofct, 1973, с.852-858.