Устройство для измерения давления

Устройство для измерения давления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСА

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советсннк

Социалистичесння. Республин

I (11) 620854

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (sl) дополнительное к «вт. свил-ву(53) М. Кл. (22) Заявлено1404.76 (И) 2348840/18-10 с Присоединением зайвнн 34Q 01 4 11/00

Госуаарственный комнтет

Совета Мннистров СССР но деаам нзобретеннй н открытнй (23) ЙрноритетI (43) Опубликовано 230878.бюллетень ЭЙ З1 (63) УДК 531.787.9 (088.8) (45) Дата опубликования оннсання 040778

P2) Авторы изобретения

В.Г.Баженов, В.Е журавлев, Г.И.Мурзин, Д.П.Подругин и В.В.Филимонов

Pl) Заявитель (54 } УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДйВЛЕНИЯ электрод омывается окружающим возду» хом. ЭДС, образовавшаяся на электродах потенциометрической твердоэлектролитной ячейки, пропорциональна логарифму отношения разности парциальных давлений кисЛорода в вакуумной камере и окружающем воздухе и выражается известным уравнением Нернста. Датчик имеет аналитическую градуировочную характеристику, выведенную из уравнения Нернста

nFf е Р

Oа атм в где

Изобретение относится к технике измерения давления, в частности к датчикам давления в вакуумных системах, Известны различные типы датчиков давления, например термопарные ионизационные, датчики парциального давления и т.д. (11 .

В термопарных манометрах используется зависимость теплопроводностн 10 газа от давления. Иониэационные манометры основаны на пропорциональности удельной ионизацни газа его плотности. И термопарные и нонизационные манометры имеют невысокую точность измерения. Кроме того, их недостатками являются необходимость периодической градуировки и зависимость показаний от состава газа.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является кислородный датчик парциального дав ления, представляющий собой потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку (ТЭЯ) с измерителем ЭДС, причем . 5 рабочая камера ячейки соединяется с вакуумной системой газовым трактом (21.

Внутренний электрод твердоэлектролнтной ячейки контактирует с атмосферой вакуумной системц. Наружный

1 о - парциальное давление кислорода в вакуумной камере

Р - атмосферное давление окl ружающего воздуха

Св - концентрация кислородй в воздухе у

- число зарядов в ионизированной молекуле1

- число Фарадеяр

Е - ЭДС твердоэлектролитной ячейкит

- газовая постоянная}

- рабочая температура.твердоэлектролитной ячейкит

8 6208

Датчик позволяет определять общее" давление вакуумной системы, если из вестна концентрация кислорода в ней.

Известное устройство обладает высокой точностью измерения парциального давления кислорода. Оно может быть также применено при измерении 5 полных давлений в тех случаях> если вакуумная система не содержит горючих. газов и газов, диссоциирующих при .высокой температуре с образованием кислорода (Н О, СО ), и известна кон-: 10 центрация кислорода. При этом точность измерения давления опредетмется точностью, с которой .определена концентрация кислорода. Таким образом, точность в большинстве случаев недостаточна.

Цель изобретения - повышение точности и расширение пределов измерения давления.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения давления, содержащее потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку с измерителем ЭДС, рабочая камера которой соединена с вакуумной системой газовым трактом, введен натекатель газа в, виде дозирующей 1вердоэлектролитной ячейки с источником тока, подключенный к рабочей камере потенциометрической твер- доэлектролитной ячейки, а газовый тракт выполнен в виде трубки, раз- 30 мещенной между рабоч*й камерсй твеРдоэлектролитной ячейки и вакуумной системой.

Диаметр трубки газового тракта определяется следующим соот ошением 35

4/Z

54 ф твердозлектролитной ячейки среды с известным содержанием кислорода, при, чем давление поддерживается равным давлению в вакуумной системе. БлаГодаря этому ЭДС измерительной ячейки является мерой давления вакуумной системы.

Иа чертеже схематически представлено предлагаемое устройство.

Для конкретности в качестве источника газа с известной концентрацией кислорода и одновременно натекателя используется дозирующая твердоэлектролитная ячейка 1 с источником тока 2. Ячейка 1 газовым трактом соединена с входом потенциометрической твердоэлектролитной ячейки 3, которая через трубку 4 соединена с вакуумной системой 5. ЭДС ячейки 3 измеряется измерителем 6.

Измерение давления осуществляется следующим образом.

Ячейка 1 под действием тока от источника тока 2 дозирует кислород, который поступает в измерительную ячейку 3. На электродах ячейки 3 воз,никает ЭДС, измеряемая измерителем 6, которая в соответствии с законом

Нернста равна вт о пF п э ..о где - газовая постояннаяу

1 - рабочая температура ячей». ки; — число зарядов в ионизированной молекуле кислородау — число Фарадея;

/I

" парциальное давление кисл лорода в сравнительной среде - воздухе;

Ро, парциальное давление кисZ лорода. в вакуумной системе, Парциальные давления кислорода

РОЛ и goÿ можно в разить через полные давления и объемные концентрации

565 мин Р, *Р,т,„0, >

2 2

Р РС

-(2) (3) Здесь

I где д — диаметр соединительной 40 трубки;

3 „- минимально возможное давмин ление вакуумной сис теьы; Ро — давление при нормальных условиях; 45 коэффициент диффузии при нормальных условиях; выбранный или нормированный предел погрешности для всего диапазона давлений; 00 — максимальная разность концентраций в вакуумной системе,и рабочей камере твердоэлектролитной ячейкиу

СО -. концентрация кислорода в рабочей камере ТЭЯу

Со — минимально возможная концентрация кислорода в вакуумной системе; коэффициент вязкости.

В качестве натекателя газа может 60 быть использована дозирующая твердоэлектролитная ячейка с источником тока.

Действие предлагаемого устройства основано на создании в рабочей камере 65

Ратм - атмосферное давление; Р - давление в вакуумной системе, которое прак тическое -равно давлению в ячейке, так как она соединена с системой газовым трактомтрубкой

- концентрация кислорода в воздухе в объемных долях (эту концентрацию можно без большой ошибки считать постоянной и принять равной

0,207)g (4а)

35 получают! о

5

I концентрация кислорода

2 в рабочей камере ТЭЯ 3 в объемных долях, равная, в связи с тем, что доэируется чистый кислород, единице.

Подставив значения Р и >> иэ выражений (2) и (3) в выражение (1), г получают

%7 3l Со оа

Заменив постоянные коэффициенты численными значениями, после несложных преобразований получают при тер пературе ТЭЯ 3 T 1008 К

Е

: Р»0,207 Р, 10

Соотношение (4а) позволяет оп еделить давление в вакуумной системе.

Кроме рассмотренного случая, когда дозируется чистый кислород, возможна дозировка газа с другой, не обяза,тельно известной концентрацией кислорода (например воздуха).

Применение натекателя газа с известной концентрацией кислорода значительно расширяет область примене ния устройства и позволяет использовать его для измерения давления вакуумных систем независимо, от состава остаточных газов.

Кроме того, благодаря тому, что концентрация кислорода в смеси, используемой для натекателя, может быть задана весьма точно, повышается точность измерения. Как показали испытания, при измерении малых давлений

"1 .(по 1,10 мм рт .ст.) погрешность измерения не .превышает,+ 5% отн.

Поскольку количественно концентрации кислорода в рабочей камере твердоэлектролитной ячейки 3 и вакуумной системе 5 не равны между собой, в выходной трубке 4 будет иметь место взаимная диффузия компонентов газа рабочей камеры и вакуумной системы, что приводит к изменению концентрации кислорода в рабочей камере ТЭЯ 3. .и,как следствие„ к погреиности измерения.

Диффузию против потока газа (противодиффузию) можно сделать как угодно малой применяя выходную соединительную трубку соответствующей длины и диаметра или изменяя расход газа через рабочую камеру ТЭЯ 3. Однако увеличение длины трубки и расхода газа неизбежно вызовет перепад давления между рабочей камерой ТЭЯ 3 и вакуумной системой. Ниже показана воэможность выбора оптимального варианта расчетным методом.

Изменение концентрации кислорода, в рабочей камере ТЭЯ 3 может быть с ° иэвестнс>й степенью приближения определено по формуле, (C о )axp(- э), (5> а а оа

20854 6

I где СΠ— концентрация кислорода в рабочей камере ТЭЯ 3;

СО - концентрация кислорода а в вакуумной системе. скорость потока в трубкеу коэффициент диффузии;

5 - длина трубки.

Коэффициент диффузии s области нормальных температур равен

11) 13о (6)

)0,где )о - коэффициент диффузии при нормальных условиях1

- давление при нормальных услови ях

- давление газа в соединительной трубке 4.

Средняя по сечению трубки скорость потока газа, выходящего иэ рабочей камеры ТЭЯ 3 р (7у

20, где 9 - поток газа (объемный расход, приведенный к единичному давлению); — внутренний диаметр трубки 4;

Изменение концентрации кислорода в рабочей камере. приводит к погрешности измерения, равной, как следует иэ формулы (4), ЕСР .аС 1

»,, g асо о . h<оoу

Ъ сог с ог

Решая совместно уравнения (5) - (8) введя обозначение ф» >

4ОЕ RQ (9) Величина Ф играет роль некоторого газодинамичесйого параметра потока газа в выходной трубке 4.

Течение газа по трубопроводам в установках низкого вакуума происходит в большинстве случаев в вязкост45 ном режиме. Пропускная способность трубопровода круглого сечения при, вязкостном режиме течения равны

%3 (11)

* Я80С

50 где Ф - коэффициент вязкости.

Перепад давления в выходкой трубке 4

> или подставляя выражение (11) и применяя обозначения уравнения (9), пОлучают ,»Р ° — . да р

32ф,с/ (421

Увеличение давления в рабочей камере ТЭЯ 3 вследствие перепада дав ления приводит к погрешности измерв;

54 8 дел измерения устройства от атмосферного до 0,1 мм рт.ст. и ниже, так как оно пригодно для измерения давле . ния в системах с любым составом остаточных газов, а наличие натекателя для подачи газа в известной концентрацией кислорода повышает точность (измерения менее t 5В оти.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения давления, содержащее потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку с измерителем ЭДС, рабочая камера которой соеди1нена с вакуумной системой газовым трактом, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повыиения точности и расширения пределов измерения давления, в него введен натекатель газа, подключенный к рабочей камере потенциометрической твердоэлектролнтной ячейки, а газовый тракт выполнен в виде трубки, размещенной между камерой твердоэлектролитной ячейки и вакуумной системой.

2. Устройство по п.l, о т л и ч а ю щ е е с я .тем, что диаметр трубки газового тракта определяется соотношением г !

/д/N Id„ I, 15 (l6) где 4 - выбранный или нормирован ный .предел относительной погрешности для всего диапазона давлений. 20

Из уравнения (10) следует, что *огрешность Р не зависит от давления газа. При использовании в качестве иатекателя твердоэлектролитной ячейки доэирующей спектрально чисты д6 кислород, д < О

Э

Из уравнения (13) следует, что

Рц > О, причем при увеличении давления газа величина ее резко убывает.

Тогда условие (16), можно выполнить

l > / «/ „ / (17)

/d ä /< / д „ / (18)

Подставляя выражение (10. з выра- 36 жение {17) и решая при С0 С относительно ф, получают ллиН

) Со -с

02„„„0 ((19)

С / н Со 40

Псщставляя выражение (14) в выражение (18) и решая р рмин, полУчают условие для выбора Диаметра выходной трубки -".. . (:. ) или подставляя выражение (19) в выражение (20) с Д )

S65

1мин . н (20)

45 (21)

50, $4f

Р»„„ где kC - максимальная разность концентраций кислорода дауд КС в вакуумной камере и рабочей камере ТЭЯ 3. ">5

Использование в предлагаемом устройстве трубки определенного диаме2ра для соединения рабочей камеры твердоэлектролитиой ячейки с вакуумной системой позвоияет расзнерить пре- 80

1 6208 ния, Равной, как следует из формулы

l(4)

1 д . ар др Ьр (13) с р и после постановки Йиражеиия (1 ) . получают Д,1г, Р е (14)

Суммарная погрешность, связанная с эффектами противодиффузии и перепада давления, равна

10 (Г д + Юе . (15)

Выбор кой структивных параметров измерительной .схемы проведен из Условия где d — диаметр соединительной трубкие

Рм„„ — минимально возможное давление вакуумной системы;

Ро - давление при нормальных

УСЛОВИЯХ1 o — коэффициент диффузии при нормальных условиях, У„ - выбранный или нормированный предел погрешности для всего диапазона давлений; ь — максимальная разность конЪ,.„, м "с центраций в вакуумной системе и рабочей камере твердоэлектролитной ячейки g концентрация кислорода в е рабочей камере ТЭЯ)

CO — минимально возможная кон мнн центрация кислорода в вакуумной системеу

r6 — коэффициент вязкости.

3. Устройство по п.l, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, в качестве натекателя газа использована дози1 рующая твердоэлектролитная ячейка с источником тока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Техника высокого вакуума, 1 ришковский Я е р изд в(1 Яир у и у

1975,, стр. 330.

2. У. Мо а Ь. T,×àñ Ьс1.Тесйпое

10) Р 5, Sept (ОМ 1973, с.852-858.

620854

Составитель Н.Швыркова

Редактор Т.Иванова Текред аа.адатнрев Ко екто И. Гоксич

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 4б46/39 Тираж 1112 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035 Иосква Ж-35 Ра ская наб. 4 5