Устройство и принцип работы электронных ионизационных вакуумметров

Устройство и принцип работы электронных ионизационных вакуумметров

3226
0

Электронные ионизационные вакуумметры по стабильности метрологических характеристик относятся к лучшему классу вакуумметров косвенного действия. Их марки ВИТ-1, ВИТ-2 и особенно ВИТ-3 с ионизационным электронным манометрическим преобразователем серии ПМИ-2, показанном на рисунке 6.7, длительное время считаются основным, надежным средством измерения. Их применяют для определения давлений в области высоких вакуумов.

Внутри корпуса электронных ионизационных манометрических преобразователей размещены:

  • катод прямого накала;
  • анод в виде сетки;
  • коллектор ионов.

Электронный ионизационный манометрический вакуумметрРасположение катода возможно внутри сетки-анода по центру, как показано на рисунке 6.7 для марки ПМИ-2 и 6.8 — ПМИ-3.2, или с внешней стороны, как у преобразователя ПМИ-12.8 (см рис 6.9). У первых конструкций коллектором охватывается анод, а у вторых коллектор располагают строго по оси преобразователя.

К электродам прибора прикладывается разность потенциалов. Она создает ускорение движения электронов от катода к аноду и замедление от анода к коллектору ионов. Величина ускоряющего напряжения меньше замедляющего.

В обычных схемах на коллектор от измерительного блока вакуумметра поступает нулевой потенциал, на анод — повышенный положительный, а на катод — положительный, но небольшой величины.

Работа схемы преобразователя:

  1. При нагреве током катод испускает электроны, которые ускоряются анодом и, пролетая через сетку, попадают в замедляющее электрическое поле.
  2. В силу значительного преобладания замедляющей разности потенциалов над ускоряющей поток электронов не доходит до коллектора ионов, а изменяет движение на противоположное, вновь направляясь к аноду.
  3. Затем электроны разгоняются и снова пролетают через сетку анода, тормозясь около катода.
  4. Далее поток электронов вновь направляется к аноду и начинает совершать циклические колебательные движения около него.

Картину движения потока электронов демонстрирует рисунок 6.7.б. При прохождении через газовую среду электроны вызывают ионизацию. Положительно заряженные частицы в пространстве между электродами притягиваются катодом, создавая ионный ток от коллектора. По нему можно судить о давлении газа, но для этого необходимо стабилизировать ток электронной эмиссии от катода для выделения постоянного количества электронов на колебательный процесс около анода с целью выделения пропорционального числа ионов из газовой среды. Их количество будет соответствовать концентрации молекул газа внутри сосуда или степени его давления.

Тип используемого газа влияет на степень ионизации, а, следовательно, и на точность проводимых замеров.

Переход от показаний прибора к точному определению действительного давления производится по той же зависимости, что и у тепловых вакуумметров по выражению 6.3. При этом для выбора коэффициентов относительной чувствительности пользуются данными таблицы 6.1.

Электронный ионизационный манометрический преобразовательИонизационные электронные преобразователи удобны при обращении, просто обслуживаются, точно выполняют замеры и имеют стабильные характеристики. Но у конструкций с накаленным катодом возможно его перегорание в случае превышения допустимых давлений при замерах. Это основной недостаток таких приборов.

Для облегчения ремонта манометрических преобразователей созданы модели ПМИ-27, ПМИ-12-8 и ПМИ-3-2, позволяющие быстро проводить замену неисправного катода. С целью повышения длительности их эксплуатации в областях высоких давлений усовершенствованы конструкции воздухостойких иридиевых катодов с поверхностью, покрытой окисью иттрия. Они успешно выдерживают 20÷25 кратковременных превышений давления включительно до атмосферного значения. Причем во время откачки среды до уровня низких давлений у такого катода восстанавливаются эмиссионные характеристики.

Вольфрамовые катоды наиболее распространены в ионизационных манометрических преобразователях.

Схема вакуумметраИх материал при работе утончается и со временем разрушается по причинам окисления и испарения металла. При работе преобразователя скорость испарения вольфрама низкая. Она позволяет катоду работать 10÷15 тысяч часов в случае отсутствия загрязнений.

Окисление металла сказывается больше чем испарение на работоспособности катода. Оно зависимо от величины давления среды и вида газа. В ходе реакции кислорода с раскаленным металлом электрода образуется трехокись вольфрама. Она испаряется при работе. При снижении диаметра нити до 30 % от номинального размера происходит ее перегорание. Окисление катода уменьшает длительность его эксплуатации до 5÷10 тысяч часов при условии поддержания рабочих давлений около 10-4 Па или 10-6 мм рт ст. Длительность работы активированных катодов зависит от степени разрушения покрытия и определяется несколькими тысячами часов.

Основные правила эксплуатации вакуумметров

До подключения преобразователя к вакуумной системе проводится его внешний осмотр на предмет:

  • проверки целостности катода;
  • отсутствия коротких замыканий между всеми электродами;
  • правильности установки электродов;
  • степени натяжения нити катода. Чрезмерное усилие ускоряет перегорание, а маленькое создает искривление формы и, естественно — изменения электрического поля либо нарушения электрического контакта из-за выхода катода из держателя.

Воздухостойкие катоды при первой установке в преобразователь включают при атмосферном давлении на 15÷20 секунд в рабочий режим для выгорания защитного слоя лака.

  1. При эксплуатации осуществляются периодические замеры сопротивления изоляции между коллектором и землей. Оно должно поддерживаться на уровне 1018 Ом для моделей типа ПМИ-12-8 и 1010 Ом для ПМИ-3-2.
  2. При заниженной изоляции необходимо удалить загрязнение изоляторов протиркой их поверхностей бязью, смоченной вначале бензином, а затем ацетоном и потом — сухой бязью. После промывки поверхности выдерживают в сушильном шкафу около 15÷20 минут при температуре 50÷60 °С. Затем требуется повторить замер сопротивления изоляции.
  3. В показания вакуумметра при измерении низких давлений необходимо вводить поправку на состав газа и проводить замер тока эмиссии перед началом работы. Кислород и пары воды, содержащие его, уменьшают ток эмиссии, снижая действие катода. Пары углеводородов резко увеличивают эмиссию.
  4. Скорость откачки рабочей среды у ионизационных электронных манометрических преобразователей определяется величиной порядка 0,01 л/с. Она формирует незначительную ошибку показаний прибора вследствие откачивающего действия преобразователя закрытого типа. Однако, наличие большого количества углеводородов в среде вызывает активное сорбирование их поверхностями электродов, что может значительно снизить результаты замеров.
  5. В приборах протекает процесс десорбции газов из электродов. При ограниченной проводимости у соединительного патрубка возможно создание завышенного давления внутри колбы преобразователя, которое увеличивает показания прибора. Десорбция активно проявляется при включении катода в работу во время резкого повышения температуры. Чтобы правильно выполнить замеры, следует удалить газы из преобразователя и выждать 15÷30 минут для выравнивания давлений в системе.
  6. Обезгаживание полостей преобразователя, используемого при низкой величине давления в системе, проводят за 20÷40 минут до начала замеров.
  7. Обезгаживанием полостей преобразователя, работающего при высокой величине давления в системе, нет смысла заниматься из-за незначительной погрешности, вводимой сорбционно-десорбционными явлениями. К тому же при обезгаживании и нагреве электродов под высоким давлением на их поверхностях начинаются активные химические процессы, ускоряющие поломки преобразователя. Поэтому нельзя начинать обезгаживание сразу после включения преобразователя в работу до достижения состояния высокого вакуума.
  8. Манометрические преобразователи открытого типа с электродной системой, расположенной внутри откачиваемого сосуда, работают точнее, чем преобразователи закрытого типа.

 

НЕТ КОММЕНТАРИЕВ

ОТВЕТИТЬ