Устройство для автоматического измерения давления в электровакуумных приборах

 

Применение: устройство относится к вакуумметрии и может быть использовано при измерении давления в электровакуумных приборах. Сущность изобретения: устройство содержит источник ускоряющего напряжения, источник напряжения накала, два коммутатора, управляемый блок автоматической компенсации фонового тока, управляемый интегратор ионного тока, источник напряжения смещения катода, управляемый интегратор электронного тока, компаратор электронного тока, компаратор ионного заряда, логическую матрицу, таймер, блок управления, измеритель временных интервалов, источник тока и три клеммы для подключения электродов электровакуумного прибора с соответствующими связями. 3 ил.

Изобретение относится к вакуумметрии и может быть использовано при измерении давления в электровакуумных приборах (ЭВП).

Известно устройство, содержащее источник накала катода, источник ускоряющего напряжения, источник напряжения смещения катода, блок компенсации фонового тока, запоминающий усилитель ионного тока и блок управления [1].

Недостатком данного устройства является слабая помехозащищенность, связанная с малым временем измерения ионного тока (доли секунды), что снижает пороговую чувствительность устройства, когда в качестве коллектора ионов используется массивный электрод ЭВП. Наличие ручной компенсации фонового тока делает невозможным использование устройства в автоматическом режиме.

Наиболее близким к заявленному устройству является устройство для измерения давления в электровакуумных приборах, содержащее источник накала катода, источник ускоряющего напряжения, источник напряжения смещения катода, интеграторы электронного и ионного тока, компаратор электронного тока, компаратор заряда и управляемый блок компенсации фонового тока [2]. Мерой давления в устройстве является заряд ионов, полученный в результате прохождения через ЭВП фиксированного электронного заряда.

Недостатком устройства-прототипа является зависимость времени измерения от эмиссионной способности катода контролируемого ЭВП, малый динамический диапазон (3 порядка изменения давления), что снижает точность измерения вакуума в условиях большого разброса эмиссионной способности проверяемых ЭВП, а также большие электрические погрешности схемы, так как ее чувствительность зависит от параметров интегрирующих конденсаторов как в интеграторе электронного тока, так и в интеграторе ионного тока.

Цель изобретения - повышение точности измерения давления в ЭВП и расширение области применения.

Устройство (фиг. 1) содержит источник 1 ускоряющего напряжения, соединенный с клеммой 17 для подключения сетки ЭВП 2, источник 3 напряжения накала, управляемый блок 5 автоматической компенсации фонового тока, выход которого соединен с клеммой 19 для подключения анода ЭВП через контакты коммутатора 4 и с входом управляемого интегратора 6 ионного тока, источник 8 напряжения смещения катода, положительный полюс которого соединен с клеммой 18 для подключения катода ЭВП; управляемый интегратор 9 электронного тока, вход которого подключен к отрицательному полюсу источника напряжения смещения катода, а выход через источник 16 тока и коммутатор 7 может подключаться к входу управляемого интегратора 6 ионного тока, компаратор 10 электронного тока, вход которого соединен с выходом управляемого интегратора 9 электронного тока, компаратор 11 ионного заряда, вход которого соединен с выходом управляемого интегратора 6 ионного тока и с входом управляемого блока 5 автоматической компенсации фонового тока, таймер 13, блок 14 управления, первый вход которого соединен с выходом управляемого интегратора 6 ионного тока, а второй - с выходом управляемого интегратора 9 электронного тока, логическую матрицу 12, первый, второй, третий и четвертый входы которой соединены соответственно с выходом блока 14 управления, с выходом компаратора 11, с выходом компаратора 10 электронного тока и с выходом таймера 13, а с первого по шестой выходы соединены соответственно с управляющими входами управляемого блока 5 автоматической компенсации фонового тока и управляемого интегратора 6 ионного тока, с управляющим входом коммутатора 4, с управляющим входом коммутатора 7, с управляющим входом управляемого интегратора 9 электронного тока, с входом измерителя 15 временных интервалов и с входом таймера 13.

Измерение давления осуществляется следующим образом.

На электроды ЭВП 2 подают ускоряющее напряжение (100-300 В) от источника 1 и напряжение смещения катода (20-50 В) от источника 8. Появляющийся при этом в цепи анода ЭВП фоновый ток автоматически компенсируется блоком 5 компенсации, включенным в цепь обратной связи интегратора 6 ионного тока. Включают накал катода. В процессе его разогрева электронный ток увеличивается и в момент времени t₁ (фиг. 2, 3) достигает значения l₁, соответствующего порогу срабатывания компаратора 10 электронного тока. На выходе компаратора появляется сигнал логической единицы, который поступает на вход 13 логической матрицы 12, что приводит к изменению сигналов на ее выходе и включению интегратора 9 электронного тока, интегратора 6 ионного тока, таймера 13 и памяти блока 5 компенсации. Для того, чтобы на выходе блока компенсации фиксировалось только значение фонового тока, порог срабатывания компаратора 10 электронного тока выбирается на несколько порядков ниже значения электронного тока, характерного работе ионизационного манометра.

По мере накопления зарядов интеграторами 9 и 6 напряжение на их выходах увеличивается. В зависимости от соотношения электронного и ионного токов возможны два варианта работы схемы. В первом случае (фиг. 2) за время T работы таймера 13 напряжения на выходах интеграторов не успевают превысить порог срабатывания блока 14 управления и цикл накопления зарядов прекращается в момент времени t₃ после выключения таймера 13. Во втором случае (фиг. 4) за время T работы таймера 13 одно из выходных напряжений в момент времени t₂ превысит порог срабатывания блока 14 управления, что приведет к изменению выходных состояний логической матрицы 12 и отключению входов интеграторов 6 и 9 при помощи коммутатора 4. В обоих случаях блок 14 управления препятствует насыщению интеграторов 6 и 9 и обеспечивает линейность показаний во всем диапазоне измерения. Включение таймера 13 в момент времени t₃ приводит к срабатыванию коммутатора 7, в результате осуществляется аналоговое деление величины накопленных зарядов: интегратор ионного тока 6 разряжается током от источника 16, пропорциональным выходному напряжению интегратора электронного тока. Время разряда интегратора 6 пропорционально ионному заряду и обратно пропорционально электронному заряду, накопленному за время интегрирования. Компаратор 11 выключается в момент t₄ равенства "0" выходного напряжения интегратора ионного тока. Измеритель 15 фиксирует длительность импульса на 5-м выходе логической матрицы 12, которая равна промежутку времени между выключением таймера 13 и выключением компаратора 11 (t₄-t₃). Таким образом, в предлагаемом устройстве мерой давления является время разряда интегратора ионного заряда током, пропорциональным электронному заряду, накопленному за время измерения. Это время T_р определяется следующим соотношением: T_p= R₁₆·C_e· I_pdt I_edt (1) где I_p и I_e - значения электронного и ионного токов; R₁₆ - внутреннее сопротивление источника 16 тока; C_e - емкость конденсатора в интеграторе электронного тока.

Ионный ток линейно связан с электронным, а также с давлением газа: I_p=K ˙P ˙I_e (2) Полагая, что манометрическая чувствительность K не изменяется в процессе накопления зарядов, посредством соотношение (1) в виде: T_p=K˙ P ˙R₁₆ ˙C_e (3) Это соотношение подтверждает линейную связь времени разряда с давлением и показывает, что информативный параметр T_p не зависит от характеристик интегратора ионного тока, т. е. использование параметра обеспечивает снижение погрешности измерения.

Максимальный динамический диапазон и помехозащищенность схемы обеспечиваются следующим выбором пороговых значений напряжений и параметров цепей: порог срабатывания блока 14 управления выбирается на 10% ниже напряжения насыщения интеграторов электронного и ионного токов; чувствительность интегратора электронного тока выбирается такой, чтобы при номинальной эмиссионной способности катода проверяемого ЭВП напряжение на выходе интегратора возрастало до порога срабатывания блока 14 управления за время T работы таймера 13.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРАХ, содержащее источник канала катода, источник ускоряющего напряжения, источник напряжения смещения катода, управляемый интегратор электронного тока, компаратор электронного тока, управляемый интегратор ионного тока, управляемый блок компенсации фонового тока и три клеммы, причем первый вывод источника ускоряющего напряжения соединен с клеммой для подключения сетки прибора, первый вывод источника напряжения смещения катода соединен с клеммой для подключения катода, а второй вывод - соединен с измерительным входом управляемого интегратора электронного тока, выход которого соединен с входом компаратора электронного тока, выход интеграгратора ионного тока соединен с первым входом управляемого блока компенсации фонового тока, второй вывод источника ускоряющего напряжения, выводы управляемого блока автоматической компенсации фонового тока, источника канала катода и компаратора электронного тока подключены к общей шине, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения области применения в него введены источник тока, два коммутатора, компаратор ионного заряда, логическая матрица, таймер, блок управления и измеритель временных интервалов, причем входы логической матрицы с первого по четвертый соединены соответственно с выходами блока управления, компаратора ионного заряда, компаратора электронного тока и таймера, вход которого подключен к шестому выходу логической матрицы, выход управляемого интегратора электронного тока соединен с вторым входом блока управления и через источник тока с подвижным контактом первого коммутатора, неподвижный контакт которого соединен с входом управляемого интегратора ионного тока, вторым входом управляемого блока автоматической компенсации фонового тока и первым неподвижным контактом первой контактной группы второго коммутатора, подвижный контакт второй контактной группы второго коммутатора подключен к выходу управляемого интегратора электронного тока, подвижный контакт первой контактной группы второго коммутатора соединен с клеммой для подключения анода прибора, второй неподвижный контакт первой контактной группы второго коммутатора соединен с общей шиной, неподвижный контакт второй контактной группы второго коммутатора подключен к выходу источника напряжения смещения катода, первый выход логической матрицы подключен к управляющим входам управляемого блока автоматической компенсации фонового тока и управляемого интегратора ионного тока, выход которого соединен с первым входом блока управления, выходы логической матрицы с второго по четвертый соединены с управляющими входами соответственно второго коммутатора, первого коммутатора и управляемого интегратора электронного тока, пятый выход логической матрицы подключен к входу измерителя временных интервалов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3