ВАКУУММЕТР

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к вакуумметрам, и может быть использована для измерения вакуума в технологическом оборудовании.
Уровень техники
Известен тепловой вакуумметр для контроля низкого вакуума, представляющий собой манометрическую лампу, в которую впаяна металлическая нить, нагреваемая электрическим током, подводимым от стабилизированного источника питания. Измерение давления таким вакуумметром осуществляется по сопротивлению металлической нити манометрической лампы. (Г.Л.Эшбах. Практические сведения по вакуумной технике. М.-Л.: Энергия, 1966, с.105-110).
Недостатком теплового вакуумметра является влияние температуры на работу манометрической лампы, необходимость использования стабилизированного источника питания, нелинейность статической характеристики.
Известны компрессионные манометры Мак-Леода, предназначенные для измерения давления газов и их смесей, состоящие из измерительных капилляров, баллона и резервуара с ртутью. (Лекк Дж. Измерение давления в вакуумных системах. - М.: Мир, 1966).
Недостатком указанного вакуумметра является большая длительность и трудоемкость каждого измерения, громоздкость и хрупкость конструкции, отсутствие электрического выходного сигнала, токсичность рабочей жидкости - ртути, ограничивают применение подобных манометров.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятый авторами за прототип является магнитный манометр, предложенный Пеннингом в 1937 г, состоящий из стеклянной трубки, подключенной к вакуумной системе, кольцевого анода и двух дисковых катодов. Система электродов находится в осевом магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом. (Востров Г.А. Вакуумметры /Г.А.Востров, Л.Н.Розанов - Л.: Изд-во «Машиностроение», 1967-236 с.)
Недостатком данного вакуумметра является большая материалоемкость и сложность конструкции, отсутствие возможности внешней индикации работы прибора.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого вакуумметра, сводится к упрощению конструкции, расширению функциональных возможностей, а именно, возможности индикации перемещения плазмы в камере, по которому можно судить о величине вакуума.
Технический результат достигается с помощью вакуумметра, содержащего камеру из диэлектрического материала и штуцер для подключения к вакуумной системе, а также два электрода, один из которых служит анодом, другой - катодом, при этом электроды подключены к источнику питания через балластное сопротивление, при этом анод выполнен в виде цилиндра, а катод - в виде пластины, изогнутой по расходящейся спирали Архимеда ширина которой возрастает по мере разворачивания спирали, а ее полюс совпадает с геометрической осью анода.
Таким образом, выполнение анода в виде цилиндра, а катода в виде спирали Архимеда дает возможность индикации перемещения плазмы в камере, по которому можно судить о степени разряжения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 дана конструкция вакуумметра, общий вид
На фиг.2 упрощенная схема газоразрядного промежутка (вид по А).
Осуществление полезной модели
Вакуумметр, состоящий из камеры 1, выполненной из диэлектрического материала и снабженной штуцером 2 для подключения к вакуумной системе (на фиг. не показана), используемой например при плазменной обработке семян, при этом в камере 1 установлены два электрода 3, 4, один из которых является анодом 3, другой - катодом 4. Электроды подключены к источнику питания 5 через балластное сопротивление 6. Накрыта камера 1 прозрачной крышкой 7. Анод 3 выполнен в виде цилиндра с полированной поверхностью. Катод 4 выполнен в виде пластины, изогнутой по расходящейся спирали, в частности - спирали Архимеда, при этом полюс спирали совпадает с геометрической осью анода 3. Начальное расстояние между поверхностью анода 3 и поверхностью катода 4 определяется максимальным давлением, на который рассматривается вакуумметр, а максимальное - минимальным давлением, при этом спираль катода 4 укладывается в пределах одной ветки спирали. По мере нарастания расстояния угла поворота спирали, увеличивается ширина h катода 4.
Вакуумметр работает следующим образом.
При подключении камеры 1 к вакуумной системе через штуцер 2 и подаче питающего напряжения на электроды 3, 4 камеры 1 по мере нарастания разряжения возникает самостоятельный тлеющий разряд. В соответствие с законом Пашена, связывающим напряжение зажигания самостоятельного разряда как функцию произведения давления р на расстояние между электродами d, разряд возникает в области минимального значения произведения dp, т.е. в нашем случае в зоне максимального сближения катода 4 и анода 3. Напряжение зажигания зависит от газового состава вакуумной камеры 1 и материала катода 4. В частности для разряда в воздухе и медного катода 4 минимальное напряжения зажигания составляет 330 В при значении dp=0,75 м*Па
Из физики газового разряда известно, что устойчивое горение тлеющего разряда возможно при поддержании минимальной плотности тока в разрядном промежутке, при которой потеря носителей заряда в плазме за счет рекомбинации, диффузии к стенкам камеры 1 и пр. компенсируется возникновением новых ионов в результате ударной ионизации и др. процессов.
2
2
Минимальное значение плотности тока, называемое также нормальной плотностью тока, зависит от газа и материала катода 4 и обратно пропорциональна квадрату давления. Например, для медного катода 4 и воздуха составляет 240 мкА/смммHg.
Величина тока, протекающего через разрядный промежуток, определяется величиной питающего напряжения и балластным сопротивлением R 6 при прочих равных условиях.
Величина питающего напряжения выбирается из условия устойчивости горения разряда, т.е. выше на 20-30% величины напряжения зажигания.
Величина балластного сопротивления R 6 выбирается из условия соотношения произведения плотности тока на площадь участка катода 4, покрытого тлеющим разрядом.
По мере дальнейшего снижения давления с учетом постоянства произведения dp увеличивается расстояние d, обеспечивающее протекание тлеющего разряда. Столб плазмы начинает перемещаться, захватывая более отдаленные от анода 3 участки катода 4.
При этом за счет увеличения ширины катода 4 происходит увеличение его площади, участвующей в разряде. Это обстоятельство позволяет компенсировать уменьшение плотности тока, вызванное уменьшением давления. Значение тока, протекающего через разрядный промежуток, при прочих равных условиях, остается постоянным.
Через прозрачную крышку 7 выполненную в частности из стекла, оператор наблюдает за перемещением плазмы и по степени ее перемещения судит о величине вакуума. По мере увеличения разряжения светящаяся плазма перемещается в сторону расхождения спирали, захватывая увеличивающуюся площадь катода 4. С увеличением давления столб плазмы сдвигается в обратном направлении. Для более объективной оценки на дне камеры 1 нанесена шкала (на фиг. не обозначена).
-2
Был изготовлен действующий макет вакуумметра. Минимальное расстояние от спирали катода 4 до анода 3 составило 5 мм, а максимальное - 100 мм. Измерительный прибор показал свою работоспособность в диапазоне от 5 до 5·10 мм.рт.ст.
Предлагаемый вакуумметр может служить качественным индикатором степени разряжения.
Предлагаемая полезная модель по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
- Простота конструкции;
- Расширенные функциональные возможности, а именно возможности индикации перемещения плазмы в камере, по которому можно судить о величине вакуума.