Датчик герметичности
SENSOR OF SEALING

Изобретение относится к вакуумной технике, в частности к индикации герметичности объемов, используемых при космических исследованиях.
Известен манометрический течеискатель, содержащий датчик давления, установленный в контролируемом объеме, и подключенный к выходу датчика давления индикатор, регистрирующий показания датчика. При изменении давления показания индикатора так же изменяются, что свидетельствует о нарушении герметичности контролируемого объема (см. Шешин Е.П. Основы вакуумной техники: Учебное пособие. - М.: МФТИ, 2001 г., стр. 124-125).
Недостатком данного устройства является сложность и громоздкость конструкции.
-2
-6
Наиболее близким по технической сущности является ионизационный вакуумметр магнетронного типа, содержащий цилиндрический анод, на оси которого установлен нитевидный катод, подключенный к токоизмерительному резистору, и два постоянных магнита, создающих вдоль оси анода сильное магнитное поле. На анод подается высокое напряжение (около 2,5 кВ). В результате взаимодействия скрещенных электрического и магнитного полей возникает тлеющий разряд. Величина тока разряда, регистрируемого на токоизмерительном резисторе, линейно изменяется в широком диапазоне давлений (от 1⋅10 до 1⋅10 мм рт.ст.). (Вакуумметр электроразрядный магнитный ВМБ-1/8-001, 3.476.008 ТУ).
Недостатком данного устройства является сложность, громоздкость конструкции и большая потребляемая мощность.
Задача, решаемая изобретением, заключается в упрощении конструкции, уменьшении габаритов устройства и уменьшении потребляемой электрической мощности.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что в датчик герметичности, содержащий расположенный в контролируемом объеме чувствительный элемент, токоизмерительный резистор и индикатор, введены источник тока и фиксирующее устройство, вход которого подключен параллельно токоизмерительному резистору, выход фиксирующего устройства подключен к индикатору. Чувствительный элемент выполнен в виде двух металлических электродов, имеющих форму стержней, расстояние d между концами которых установлено d=Eмин/Uп, где, Eмин - минимальная пробивная напряженность электрического поля при давлении газа Р=0,3…1,0 мм рт.ст., Uп напряжение питания источника постоянного тока, причем чувствительный элемент подключен к выходу источника тока через токоизмерительный резистор.
На фиг. 1 приведена функциональная схема датчика герметичности, на фиг. 2 приведена зависимость пробивной напряженности электрического поля Eп от давления воздуха Р, характеризующая закон Пашена (см. Физический энциклопедический словарь. - М: Советская энциклопедия. Главный редактор А.М. Прохоров. 1983).
Датчик герметичности содержит чувствительный элемент 1, состоящий из двух металлических электродов 2 и 3, торцы которых установлены на расстоянии d=Eмин/Uп, где, Eмин - минимальная пробивная напряженность электрического поля при давлении газа Р=0,3…1,0 мм рт.ст, Uп - напряжение питания генератора тока. Противоположные концы металлических электродов 2 и 3 подключены соответственно к выходу источника тока 4 и к первому выводу токоизмерительного резистора 5. Вход источника тока 4 подключен к первому выводу источника напряжения 6, второй вывод которого подключен ко второму выводу токоизмерительного резистора 5. Вход фиксирующего устройства 7 подключен параллельно токоизмерительному резистору 5. Индикатор 8 подключен к выходу фиксирующего устройства 7. Фиксирующее устройство может быть выполнено в виде RS-триггера.
Устройство работает следующим образом. Датчик герметичности устанавливается во внутренней полости изделия, где необходимо контролировать герметичность. При включении источника напряжения 6, на электроды 2 и 3 чувствительного элемента 1, через источник тока 4 и токоизмерительный резистор 5 подается напряжение питания Uп, которое создает напряженность электрического поля Eмин в зазоре d чувствительного элемента 1. При нормальном давлении газа в соответствии с законом Пашена напряженность электрического поля, при которой происходит электрический разряд в межэлектродном зазоре датчика, должна примерно в 100 раз превышать Eмин, поэтому электрический разряд между электродами 1 и 2 чувствительного элемента 1 при Uп не происходит (см. фиг. 2). Поэтому между электродами 2 и 3 ток не течет, падение напряжения на токоизмерительном резисторе 5, выходе фиксирующего устройства 7 и индикаторе 8 равно нулю, что говорит о герметичности изделия. При нарушении герметичности корпуса изделия, находящегося в вакууме (например, в космосе), из него начинает вытекать воздух (или газ), давление в корпусе изделия падает и при снижении давления до уровня 0,3…1,0 мм рт.ст., в соответствии с законом Пашена, происходит уменьшение пробивной напряженности электрического поля до уровня Eмин=Uп/d. Между электродами 2 и 3 чувствительного элемента 1 происходит электрический разряд (см. фиг. 2). Величина тока разряда ограничивается источником тока 4 на уровне 1…5 мА, который создает падение напряжения на токоизмерительном резисторе 5, приводящее к срабатыванию фиксирующего устройства 7. Состояние фиксирующего устройства 7 изменяется (логический выход RS-триггера изменяется, с 0 на 1), что и фиксируется индикатором 8.
-5
-7
Если корпус изделия предварительно откачен до глубокого вакуума (до 10…10мм рт.ст.), то в соответствии с законом Пашена напряженность электрического поля, при которой происходит электрический разряд в межэлектродном зазоре датчика, должна примерно в 10 раз превышать Eмин, поэтому электрический разряд между электродами 2 и 3 чувствительного элемента 1 при Uп не происходит. Поэтому между электродами 2 и 3 ток не течет, падение напряжения на токоизмерительном резисторе 5, фиксирующего устройства (выходе RS-триггера) 7 и индикаторе 8 равно нулю, что говорит о герметичности изделия. При нарушении герметичности корпуса изделия, находящегося в обычных условиях (при нормальном атмосферном давлении 760 мм рт.ст.), в него начинает втекать воздух, давление в корпусе изделия увеличивается и при достижении давления 0,3…1,0 мм рт.ст., в соответствии с законом Пашена, происходит уменьшение пробивной напряженности электрического поля до уровня Eмин=Uп/d. Между электродами 2 и 3 чувствительного элемента 1 возникает электрический разряд, который приводит к срабатыванию фиксирующего устройства 7 и отображается на индикаторе 8.
Известно, что при атмосферном давлении Р=760 мм рт.ст. для сухого воздуха напряженность электрического поля Eпр, при которой происходит пробой, равна 2 кВ/мм (см. Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М.: Прохоров. 1983). Поэтому при снижении давления до 0,3…1,0 мм рт.ст. напряженность электрического поля, при которой происходит пробой, уменьшится примерно до 20...30 В/мм.
Бортовая аппаратура питается от аккумуляторов с рабочим напряжением 27 В. Нетрудно подсчитать, что при расстоянии d=0,1…1,0 мм между электродами 2 и 3 чувствительного элемента 1 и напряжении питания 10…30 В, возникает электрический разряд, который фиксируется на индикаторе 8.
2
Конструктивно электроды 2 и 3 чувствительного элемента 1 выполнены на плате из фольгированного стеклотекстолита печатным способом. Источник тока 4, токоизмерительный резистор 5 и RS-триггер 7 датчика герметичности выполнены на элементах, пригодных для поверхностного монтажа, что обеспечивает компактность и экономичность датчика герметичности. Вес предложенного датчика не превышает 2г, а габариты - составляют порядка 1 см. Это позволяет встраивать датчик в аппаратуру при отработке ее работоспособности как на земле, так и в космосе.