Пределы измерения магнитных манометров
Пределы измерения магнитных манометров
Нижний предел измерения магнитных манометров ограничивается нестабильностями газового разряда при низких давлениях. Отмечено 78 , что разброс экспериментальных точек при давлении 10“8 мм рт. ст. для магнетронного манометра в 2—3 раза больше, чем для манометра Баярда—Альперта. Флуктуации разрядного тока в манометре достигают 20—30% и объясняются нестабильностью эмиссионных центров холодного катода и возможными скачками разрядного тока из-за наличия искажений распределения потенциала между катодом и анодом (рис. 5. 2).
Для улучшения стабильности разряда было предложено 79 установить в магнитном манометре вспомогательный термокатод 1 (рис. 5. И). Катод может работать при пониженной температуре и малых токах эмиссии 1е. Вместе с тем он является стабильным источником первичных электронов, предотвращая скачкообразное изменение разрядного тока в цепи анода 2 и основного катода 3. Электрод 4 служит отражателем электронов. Градуировочная характеристика такого манометра линейна в широком диапазоне давлений.
Верхний предел измерения магнитных манометров ограничивается соотношением между балластным сопротивлением R6 в измерительной цепи манометра (рис. 5. 3) и сопротивлением разрядного промежутка. Зависимость разрядного тока в манометре от давления газа может быть приближенно представлена в виде где Uа — анодное напряжение в в; Uo —минимальное напряжение разряда при наибольшем значении измеряемого давления в в; R6 — балластное сопротивление в ом; Rp — эквивалентное сопротивление разрядного промежутка, зависящее от давления, в ом.
Из формулы (5. 5) видно, что разрядный ток перестает зависеть от давления при R6 % Rp, и для расширения пределов измерения манометра в сторону больших давлений требуется уменьшать значение балластного сопротивления R6 или увеличивать Rp при неизменном давлении. Значительное уменьшение R6 связано с опасностью возникновения при высоких давлениях дугового разряда между электродами преобразователя, что обычно сопровождается выходом из строя измерительного прибора. Увеличение сопротивления разрядного промежутка Rp можно достигнуть уменьшением размеров преобразователя. Это, однако, приводит к ухудшению стабильности работы манометра при низких давлениях вплоть до прекращения разрядного тока. Таким образом, повышение верхнего предела измерения может быть достигнуто, как и для других типов приборов, за счет ухудшения нижнего предела измерения.
Манометрические преобразователи ММ-8 И ММ-13
Для расширения пределов измерения магнитного манометра применяются многокамерные конструкции преобразователей. С этой целью предложен 80 двухкамерный манометрический преобразователь ММ-13 с пределами измерения 10~2: 10~7 мм рт. ст. Два анода 1 и 3 преобразователя (рис. 5. 12) коаксиально расположены в двух камерах, имеющих общую катодную пластину 2. Камера, в которой расположен большой анод 3, обладает высокой чувствительностью и предназначена для работы при давлении ниже 10-4 мм рт. ст. Вторая камера имеет анод 1 малых размеров и небольшое расстояние между катодами; она предназначена для работы при давлении свыше 10-4 мм рт. ст; Стабилизация разряда в малой камере манометра при 10~4 мм рт. ст. осуществляется при помощи диафрагмы в общей катодной пластине. Через диафрагму в малую камеру поступают ионы из большой камеры; в последней разряд зажигается уже при давлении 10-7 мм рт. ст. Анодное напряжение подается от общего выпрямителя на аноды через специальные балластные сопротивления /б, и /б,- При низком давлении разрядный ток течет только через большую камеру; ток через малую камеру пренебрежимо мал; при высоком давлении ток в большой камере ограничивается, согласно формуле (5. 5), балластным сопротивлением Аб,- Дальнейший рост суммарного разрядного тока 1Р, равного сумме токов через обе камеры манометра, обеспечивается только увеличением разрядного тока в малой камере манометра вплоть до соответствующего ей верхнего граничного давления.
Там же 80 описан манометрический преобразователь ММ-8 с секционированным катодом. В нем используется перераспределение плотности разрядного тока по поверхности катода с ростом давления. При достаточно высоком давлении, когда значение разрядного тока уже не зависит от давления, плотность разрядного тока в центре катода начинает уменьшаться за счет перераспределения разряда на периферийные участки катода. Применяя секционированный катод, можно расширить верхний предел измерения манометра до I мм рт. ст. На рис. 5. 13 показана схема манометра, в котором катод выполнен из двух секций — собственно катод и коллектор. Токи катода и коллектора при напряжении на аноде 800 в в зависимости от давления показаны на рис. 5. 14. Зависимость разрядного тока коллектора от давления сохраняется до 1 мм рт. ст.; при низких давлениях ток коллектора мал, поэтому мерой давления служит ток основного катода.
В качестве материала катода в магнитных преобразователях впервые был использован цирконий 68, так как он обладает небольшой работой выхода. Замена циркония никелем не привела к заметным изменениям характеристик магнитного манометра 73 . Подробное изучение влияния материала катода на характеристики магнитного манометра показало, что относительные чувствительности манометрических преобразователей, катоды которых были изготовлены из никеля, алюминия, константана и магния, соответственно составляли 1,0; 1,33; 0,93; 1,33—1,73 81. Наибольшую чувствительность имели преобразователи, катоды которых изготовлялись из магния, однако разброс характеристик у различных экземпляров таких преобразователей был не менее 25%, что затрудняет их промышленное применение.
Разброс чувствительностей преобразователей можно объяснить сорбционными процессами на катоде, изменяющими активность эмиссионных центров. Высокой стабильности можно, по-видимому, ожидать от применения катодов, изготовленных из благородных металлов. Наибольшее распространение получили катоды из никеля и нержавеющей стали. Материал анода не оказывает большого влияния на характеристики манометрического преобразователя; обычно его изготовляют из хорошо сваривающихся немагнитных материалов. Применение магнитных материалов для корпуса и электродов преобразователя нежелательно, так как в этом случае уменьшается напряженность магнитного поля в объеме преобразователя.
Особенности конструирования и эксплуатации магнитных манометров
Магнитные манометры, так же кар и термоэлектронные, обладают откачивающим действием. Скорость откачки магнитных преобразователей обычно выше, чем термоэлектронных. Большое значение чувствительности и высокое ускоряющее напряжение обусловливают образование в магнитных преобразователях большего числа положительных ионов высокой энергии, чем в термоэлектронных преобразователях. А это приводит к лучшему распылению материала катода и усилению ионной откачки. Откачка химически активных газов происходит благодаря их химическому взаимодействию с материалом катода во время ионной бомбардировки. Распыление катода осуществляется в этом случае в виде химических соединений. Непрерывно обновляемая свеженапы-ленная пленка на поверхности анода и стенках манометра также обладает откачивающим действием. Быстрота откачки газов такой пленкой обычно пропорциональна площади напыленной поверхности. Благодаря физической адсорбции молекул газа на пленке возможна непрерывная откачка как химически активных, так и не взаимодействующих с материалом катода, но хорошо адсорбируемых газов. Откачка легких газов, в том числе и инертных, с небольшим эффективным радиусом молекулы, осуществляется путем ионной откачки во время ионной бомбардировки в материале катода и последующей диффузией по всему объему катода.
Для уменьшения откачивающего действия манометрического преобразователя следует применять катоды из химически неактивных, плохо распыляющихся материалов и небольшие ускоряющие напряжения, уменьшать поверхность анода преобразователя. Во избежание попадания распыляющегося материала катода на изоляторы и появления значительных токов утечки изоляторы следует защищать экранами, препятствующими прямому попаданию атомов металла с поверхности катода на поверхность изоляторов. Экспериментальное исследование откачивающего действия магнитного преобразователя показало 72, что скорость откачки не зависит от давления и растет с увеличением напряжения. После обезгаживания скорость откачки преобразователя по азоту была равна 0,5 л/сек при Ua = 4000 в. В течение первых 2 ч работы скорость постепенно достигает постоянного значения 0,25 л/сек. Скорость откачки преобразователя с рамочным анодом 74 по воздуху составляла 0,42 л/сек, по аргону — 0,69 л/сек, по кислороду — 0,3 л/сек. Поглощенные преобразователем газы можно достаточно легко удалить прогревом преобразователя под вакуумом или при помощи разряда в другом газе. Способность манометрического преобразователя десорбировать ранее откачанные газы называют «сорбционной памятью».
Магнитный манометр может быть легко использован в качестве вакуумного реле для давления порядка Ю-3 мм рт. ст. 82. Магнитный преобразователь (размеры корпуса 46Х46Х Х20 мм, квадратный проволочный анод 25×25 мм, анодное напряжение 2000 в, магнитное поле напряженностью 750 э) имел зависимость разрядного тока от давления, изображенную на рис. 5. 15, а. Схема включения преобразователя показана на рис. 5. 15, б. Питание манометра осуществлялось от однополупе-риодного выпрямителя без сглаживающего фильтра. Реле Plt имеющее сопротивление катушки 1000 ом, замыкало контакты при токе 6 ма и размыкало их при токе 4,5 ма. Конденсатор емкостью 8 мкф сглаживает колебания выпрямленного тока и удерживает контакты реле Рг. Сопротивление R =23 ком с рассеиваемой мощностью 18 вт ограничивает максимальный ток через преобразователь значением не более 20 ма. При давлении порядка 10~2 мм рт. ст. разрядный ток имеет скачок от 1 до 10 ма, что вполне достаточно для срабатывания реле Рг.