ИОНИЗАЦИОННЫЙ ВАКУУММЕТР
IONISATION VACUUMMETER

Изобретение относится к измерительной технике и, в частности, к измерению вакуума с помощью ионизационных вакуумметров, используемых при космических исследованиях.
Известен портативный ионизационный вакуумметр MP7ER фирмы TELEVAC с питанием от сети постоянного тока напряжением 24 В. Этот вакуумметр содержит магнитный электроразрядный датчик вакуума, конструктивно совмещенный с измерительным блоком, который имеет преобразователь постоянного напряжения сети 24 В в высокое напряжение возбуждения датчика (2-4 ) кВ, токоизмерительный резистор и индикатор напряжения, подключенный параллельно этому резистору, и гермоввод, необходимый для подключения датчика к контролируемому объему.
Действие этого ионизационного вакуумметра основано на измерении зависимости силы тока самостоятельного электрического разряда в разреженном газе в скрещенных магнитном и электрическом полях от концентрации газа.
В рассмотренном выше вакуумметре, конструктивное совмещение датчика, измерительного блока, гермоввода и индикатора в моноблоке не позволяет использовать его для работы с индикатором, расположенным на расстоянии относительно вакуумметра.
Наиболее близким по технической сущности является ионизационный вакуумметр, содержащий магнитный электроразрядный датчик вакуума, подключенный кабелем к датчику вакуума, измерительный блок, включающий в себя высоковольтный источник питания, токоизмерительный резистор и индикатор, подключенный параллельно этому резистору, анод датчика вакуума подключен через кабель к положительной шине высоковольтного источника питания, а катод датчика вакуума подключен через кабель и токоизмерительный резистор к минусовой шине высоковольтного источника питания (вакуумметр электроразрядный магнитный ВМБ-1/8-001, 3.476.008 ТУ).
Недостатком данного устройства является наличие гальванической связи индикатора и токоизмерительного резистора с высоковольтным источником питания, что повышает опасность работы с данным вакуумметром.
Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении безопасности работы с вакуумметром, посредством гальванической развязки цепи индикатора и цепи возбуждения магнитного электроразрядного датчика.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что в ионизационный вакуумметр, содержащий магнитный электроразрядный датчик вакуума и измерительный блок, содержащий генератор, трансформатор, первичная обмотка которого подключена к генератору, а высоковольтная обмотка подключена к высоковольтному выпрямителю, плюсовая шина которого подключена к аноду магнитного электроразрядного датчика вакуума, а минусовая шина подключена к первому выводу токоизмерительного резистора, и индикатор, введены два транзисторных оптрона, один операционный усилитель, три резистора, в трансформатор введена дополнительная обмотка, подключенная к стабилизатору напряжения, катод светодиода первого оптрона подключен ко второму выводу токоизмерительного резистора, анод светодиода первого оптрона - к катоду датчика вакуума, коллектор первого транзисторного оптрона соединен с эмиттером второго транзисторного оптрона и подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, эмиттер первого транзисторного оптрона соединен с минусовой шиной стабилизатора напряжения, коллектор второго транзисторного оптрона соединен с плюсовой шиной стабилизатора напряжения, выход операционного усилителя подключен к аноду светодиода второго оптрона, катод светодиода второго оптрона подключен к первому выводу первого резистора, второй вывод которого соединен с минусовой шиной стабилизатора напряжения, первый вывод второго резистора подключен к плюсовой шине стабилизатора напряжения, первый вывод третьего резистора подключен к минусовой шине стабилизатора напряжения, вторые выводы второго и третьего резисторов подключены к неинвертирующему входу операционного усилителя, индикатор подключен параллельно первому резистору.
На рисунке приведена функциональная схема ионизационного вакуумметра.
Ионизационный вакуумметр содержит магнитный электроразрядный датчик вакуума 1 и измерительный блок 2, содержащий генератор 3, трансформатор 4 и индикатор 5. Первичная обмотка трансформатора 4 подключена к генератору 3, а высоковольтная обмотка трансформатора 4 соединена с высоковольтным выпрямителем 6. Плюсовой вывод выпрямителя 6 подключен к аноду датчика вакуума 1, а минусовой вывод выпрямителя 6 подключен к первому выводу токоизмерительного резистора 7.
В ионизационный вакуумметр введены два транзисторных оптрона 8 и 9, один операционный усилитель 10 и три резистора 11, 12 и 13. В трансформатор 4 введена дополнительная обмотка 14, подключенная к стабилизатору напряжения 15. Катод светодиода первого оптрона 8 подключен ко второму выводу токоизмерительного резистора 7, а анод светодиода оптрона 8 к катоду датчика вакуума 1. Коллектор первого транзисторного оптрона 8 соединен с эмиттером второго транзисторного оптрона 9 и подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 10, эмиттер первого транзисторного оптрона 8 соединен с минусовой шиной стабилизатора напряжения 15, коллектор второго транзисторного оптрона 9 соединен с плюсовой шиной стабилизатора напряжения 15, выход операционного усилителя 10 подключен к аноду светодиода второго оптрона 9, катод светодиода второго оптрона 9 подключен к первому выводу первого резистора 11, второй вывод которого соединен с минусовой шиной стабилизатора напряжения 15. Первый вывод второго резистора 12 подключен к плюсовой шине стабилизатора напряжения 15, первый вывод третьего резистора 13 подключен к минусовой шине стабилизатора напряжения 15, вторые выводы второго 12 и третьего 13 резисторов подключены к неинвертирующему входу операционного усилителя 10, индикатор 5 подключен параллельно первому резистору 11.
Устройство работает следующим образом. Магнитный электроразрядный датчик вакуума 1 устанавливается в зоне, где необходимо провести измерение степени разреженности газа (или воздуха). При включении измерительного блока 2 генератор 3 начинает вырабатывать прямоугольные импульсы напряжения с частотой (3-4) кГц, которые поступают на первичную обмотку трансформатора 4. С высоковольтной обмотки трансформатора 4 переменное напряжение поступает на высоковольтный выпрямитель 6, вырабатывающий высокое постоянное напряжение (2-4) кВ, которое подается на датчик вакуума 1. В результате в датчике 1 возникает сильное электрическое поле, которое вырывает из катода датчика 1 электроны и заставляет их двигаться к аноду. Электроны, двигаясь к аноду датчика 1, сталкиваются с молекулами газа, ионизируя их. Наличие скрещенных электрического поля и магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, приводит к увеличению длины пробега электронов и ионов в межэлектродном пространстве датчика. В результате в датчике 1 возникает тлеющий разряд, интенсивность тока которого прямо пропорциональна количеству молекул газа, находящихся в контролируемой зоне (объеме). Ток тлеющего разряда датчика 1 протекает по светодиоду первого оптрона 8 и токоизмерительному резистору 7 и создает на нем падение напряжения Uвых1, которое так же пропорционально количеству молекул газа, а, следовательно, и давлению газа в контролируемом объеме. Очевидно, что и световой поток, излучаемый светодиодом первого оптрона 8, также пропорционален давлению газа в контролируемом объеме. Световой поток открывает транзистор первого оптрона 8, что приводит к появлению разности напряжений на входах операционного усилителя 10. В результате на выходе операционного усилителя 10 формируется ток, протекающий через светодиод второго оптрона 9 и резистор 11. Световой поток светодиода оптрона 9 открывает его транзистор, благодаря чему разность потенциалов на входах операционного усилителя 11 стремится к нулю. Если коэффициенты передачи транзисторных оптронов 8 и 9 равны, то токи, протекающие по светодиодам этих оптронов, равны. Таким образом, напряжение на резисторе 11, показываемое индикатором 5, будет равно падению напряжения на токоизмерительном резисторе 7 и соответствовать давлению газа в контролируемом объеме. Резистор 11 и индикатор 5 гальванически не связаны с высоковольтным источником питания 6, чем и обеспечивается безопасность работы обслуживающего персонала.
Величины сопротивлений токоизмерительных резисторов 7 и 11 устанавливаются равными в пределах от 1 кОм до 10 кОм.
-2
-6
Диапазон измерения магнитных электроразрядных датчиков вакуума составляет 10-10 Торр (мм рт.ст.).
-2
-6
Экспериментально было установлено, что при изменении давления от 10 до 10 Торр ток разряда датчика вакуума 1 изменяется от 1 мкА до 1 мА. При использовании транзисторных оптронов 8 и 9, конструктивно объединенных в одном корпусе (например, сдвоенные оптроны КР249КН2А, LP827, TL827 и т.д.) погрешность передачи тока на резистор 11 не превышает +/-2%.
Введение и соответствующее подключение новых элементов в устройство обеспечивает гальваническую развязку индикатора 5 от высоковольтного выпрямителя 6 при сохранении точности измерения давления газа в контролируемом объеме. Наличие гальванической развязки между высоковольтным выпрямителем 6 и индикатором 5 позволяет повысить безопасность работы обслуживающего персонала, что очень важно для бортовой аппаратуры, используемой в космонавтике.