Магнитные преобразователи давления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Калужский филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

(КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана)

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе на тему:

Калуга

Курсовая работа посвящена анализу магнитных преобразователей давления (вакуумметров), их свойства, принципы работы и типы которые составляют неотъемлемую часть вакуумной техники. Эта работа будет полезна для студентов инженерных вузов, а так же всем тем, кто интересуется вакуумной техникой.

Введение

Техника (от греч. techne -- искусство, мастерство, умение), совокупность средств человеческой деятельности, создаваемых для осуществления процессов производства и обслуживания непроизводственных потребностей общества. В технике материализованы знания и опыт, накопленные человечеством в ходе развития общественного производства. Основное назначение техники ранее было - частичная или полная замена производственных функций человека с целью облегчения труда и повышения его производительности, в настоящее время - создание и совершенствование технических наук, отражающей материально-техническую культуру жизни и научно-производственного процесса. Техника позволяет на основе познания законов природы существенно повысить эффективность трудовых усилий человека, расширить его возможности в процессе целесообразной трудовой деятельности; с её помощью рационально (комплексно) используют природные ресурсы, осваивают новые технологии обработки металлов.

Развитие техники и технологий, связано с повышением сложности конструкций и более углубленного изучения технологии. Это вызывает все большее удорожание производства новой техники. В связи с этим возникает необходимость внедрения высокоэффективных технологий в производстве новых, сложных конструкций.

Это заставляет по-новому подходить к прогнозированию развития и внедрения, вакуумных технологий со значительной степенью формализации критериев подхода и применением новых методов решения технологических задач.

Датчики

Датчик, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину (давление, температуру, частоту, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т.п.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации, а также для воздействия им на управляемые процессы.

В состав датчика входят воспринимающий (чувствительный) орган и один или несколько промежуточных преобразователей (рис1.).

Рис.1 Схемы датчиков

Часто датчик состоит только из одного воспринимающего органа (например,термопара, термометр сопротивления, тензодатчик и др.).

Выходные сигналы различаются по роду энергии -- электрические, механические, пневматические (реже гидравлические), и по характеру модуляции потока энергии -- амплитудные, время-импульсные, частотные, фазовые, дискретные (кодовые). Наиболее распространены датчики, действие которых основано на изменении электрического сопротивления, ёмкости, индуктивности или взаимной индуктивности электрической цепи (реостатный датчик, ёмкостный датчик, индуктивный датчик и др.), а также на возникновении ЭДС при воздействии контролируемых механических, акустических, тепловых, электрических, магнитных, оптических или радиационных величин (тензодатчик, датчик перемещения, пьезоэлектрический датчик, датчик давления, фотоэлемент). Датчики характеризуются: законом изменения выходной величины (у) в зависимости от входного воздействия (входной величины х), пределами изменений входных (xmin - xmax) и выходных величин (ymin - ymax); чувствительностью S= D/Dx , порогом чувствительности (значением минимального воздействия, на которое реагирует датчик) и временными параметрами (постоянными времени). Датчики относятся к техническим средствам сбора и первичной обработки контрольно-измерительной информации. Датчики являются одними из основных элементов в устройствах дистанционных измерений, телеизмерений и телесигнализации, регулирования и управления, а также в различных приборах и устройствах для измерений в физике, биологии и медицине для контроля жизнедеятельности человека, животных или растений.

Специфические требования предъявляются к выходным сигналам и характеристикам датчиков при их использовании в системах централизованного контроля. Поочерёдное подключение множества датчиков к одному измерительному устройству требует максимальной унификации выходных параметров датчиков.

Итак, основными характеристиками датчиков являются: величина выходного сигнала, чувствительность, временные параметры.

Рассмотрим некоторые типы датчиков.

Магнитные преобразователи

Рассмотрим принцип действия магнитного преобразователя давления.

Принцип действия магнитных преобразователей основан на зависимости тока самостоятельного газового разряда в скрещенных магнитом и электрическом полях от давления:

Рис. 3.9. Электронные системы магнитных преобразователей: а) ячейка Пеннинга; б) магнетронная; в) инверсно-магнетронная;1 -- катоды; 2 -- аноды

магнитный преобразователь давление вакуумметр

Электродные системы, обеспечивающие поддержание самостоятельного газового разряда при высоком и сверхвысоком вакууме, бывают нескольких видов.

Ячейка Пеннинга (рис. 3.9) состоит из двух дисковых катодов 1 и цилиндрического анода 2; в магнетронном преобразователе (рис. 3.9б) в отличие от ячейки Пеннингв катоды соединены между собой центральным стержнем; в инверсно-магнетронном преобразователе (рис. 3.9в) центральный стержень выполняет роль анода, а наружный цилиндр становится катодом.

Все электроды находятся в постоянном магнитном поле. На анод подаётся положительное относительно катода напряжение 2-6 кВ, катод заземлён и соединяется со входом усилителя постоянного тока. Сильное магнитное поле служит для увеличения длины пути электронов и поддержания тем самым разряда и увеличения степени ионизации газа. Сила тока разряда в таких приборах является мерой давления в системе.

В последнее время инверсно-магнетронные вакуумметры приобретают всё большее распространение. В качестве примера приведём конструкцию инверсно-магнетронного преобразователя ПММ-32-1 (рис. 3.10)

Электронная система преобразователя на фланце соединения с металлическим уплотнителем с условным проходом 50 мм. Катод 1 представляет собой цилиндр с закрытыми торцами. Стержневой анод 2 проходит по оси катода через отверстия в его торцевых поверхностях. Вся электродная система в корпусе прибора помещается в осевое магнитное поле. На анод подаётся высокое напряжение. В цепь катода включается вход усилителя постоянного тока.

Рис. 3.10. Инверсно-магнетронный манометрический преобразователь ПММ-32-1:

а) конструкция преобразователя:

1 - катод; 2 - анод; 3 - присоединительный фланец;

б) траектория электронов

Под действием скрещивающихся электрического и магнитного полей свободные электроны, образовавшиеся в разрядном промежутке, движутся по замкнутым гипоциклоидам. При столкновении с молекулой газа электрон теряет часть энергии, и его траектория смещается ближе к аноду, как это показано на рис. 3.10б. Электроны попадают на анод, произведя по меньшей мере один акт ионизации газа. В таких манометрических преобразователях разряд поддерживается при давлениях до 10-12 - 10-11 Па (10-14 - 10-13 торр). Образовавшиеся в результате ионизации газа положительные ионы в силу своей большой массы практически прямолинейно движутся к катоду, являющемуся одновременно коллектором ионов. По величине ионного тока судят о концентрации молекул газа в разрядном промежутке преобразователя, т.е. о давлении газа в системе. Фоновые токи, токи автоэлектронной эмиссии в измерительной цепи катода не регистрируются, поскольку они замыкаются в цепи экран-анод.

Быстрота откачки колеблется для различных преобразователей в зависимости от рода газа и режимов работы в пределах от 10-2 до 1л/с, что значительно больше, чем для электронных. Это приводит к увеличению погрешности измерений при наличии вакуумного сопротивления между преобразователем и вакуумной камерой. Преимуществом магнитного преобразователя перед электронным является более высокая надежность а работе в связи с заменой накального катода холодным, а недостатком - нестабильности, связанные с колебаниями работы выхода электронов при загрязнении катодов. Эти нестабильности особенно заметны при работе преобразователя в вакуумных системах с парами масла, продукты разложения которого при ионной бомбардировке и масляные диэлектрические плёнки, покрывающие поверхности электродов, могут в несколько раз уменьшать чувствительность преобразователя.

Обезгаживание магниторазрядных преобразователей, так же, как и электронных, следует производить при высоком вакууме и только в том случае, если необходимо измерить давление в области высокого и сверхвысокого вакуума. Некоторое время после обезгаживания преобразователь обладает сильным откачивающим действием. Ошибка, вызванная откачивающим действием, для открытых преобразователей может достигать несколько процентов, для преобразователей закрытого типа - 20% и более. Ошибка измерения, вызванная газовыделением имеет противоположный знак и по величине обычно намного превосходит ошибку, вызванную откачивающим действием прибора.

Показания вакуумметра также зависят от состояния преобразователя и напряжённости магнитного поля. Поэтому во избежание изменения напряженности магнитного поля к преобразователям нельзя подносить ферромагнитные тела на расстояние менее 100 мм. В процессе эксплуатации необходимо периодически контролировать сопротивление утечки изоляторов, обусловливающие дополнительный фоновый ток, а также полезно контролировать напряжённость магнитного поля.

Магнетронный вакууметр

Другим вакуумметром, позволяющим решить проблему паразитных токов и повышения чувствительности более чем на порядок, является так называемый магнетронный вакуумметр. Улучшение характеристик прибора достигается путем наложения на электрическое поле магнитного; при этом электроны перемещаются по циклоидам, так что путь ионизации и, соответственно, вероятность ионизации значительно возрастают. Впервые этот принцип был реализован в вакуумметре Пеннинга в 1937 г. [28], выполненном в виде двух плоских катодов, между которыми перпендикулярно пластинам помещен проволочный кольцевой анод. Магнитное поле (~0,04 T) направлено вдоль оси системы электродов. Ионная бомбардировка холодных катодов вызывает эмиссию электронов, которые ускоряются под действием электрического поля (У=2 кВ). В результате наложения магнитного поля электроны начинают двигаться по длинной циклоиде (на коротком расстоянии до анода они успевают совершить несколько сотен оборотов).

Число образующихся ионов при этом увеличивается, и между электродами зажигается тлеющий разряд. Измеряя общий ток (электронный и ионный), который является характеристикой давления, определяют величину давления в системе. Такие вакуумметры позволяют измерять давления в диапазоне 1--10-3 Па. При более низких давлениях тлеющий разряд либо гаснет, либо era вообще не удается зажечь. Позже Пеннинг и Найнхьюз, заменив кольцевой анод цилиндрическим (рис. 4.13), добились снижения предельного давления вплоть до 10-5 Па.

В вакуумметрах этого типа рентгеновское излучение не ограничивает измеряемое давление снизу, поскольку вызываемый им паразитный электронный ток зависит от давления. Однако вследствие высокого напряжения близко расположенного анода может возникать автоэлектронная эмиссия с катода (особенно по его краям), которая не зависит от давления и, следовательно, будет ухудшать характеристики прибора.

Для преодоления проблем автоэлектронной эмиссии и затухания разряда при низких давлениях Гобсон и Редхед в 1958 г. разработали инверсно-магнетронный вакуумметр (рис. 4.14). Вакуумметр представляет собой трехэлектродное устройство, состоящее из анода, катода (который по существу является коллектором ионов) и вспомогательного катода. Коллектор выполнен в форме почти полностью закрытого цилиндра с отверстиями по центру торцевых плоскостей, через который проходит анодный стержень.

Вспомогательный катод имеет две короткие экранные трубки, которые входят в полость коллектора и служат электростатической защитой от возникновения автоэлектронной эмиссии с поверхности коллектора. Анодное напряжение составляет 6 кВ, а магнитная индукция (направленная вдоль оси системы) В = 0,2 Т. В этих условиях зажигание разряда происходит при давлениях ниже 10~8 Па, а нижний предел измерений составляет 10-10 Па. Зависимость тока ic от давления р имеет вид ic=cpn, где п изменяется от 1,1 до 1,4 в зависимости от природы газа. К недостаткам этих вакуумметров следует отнести нестабильность разряда, проявляющуюся в колебаниях разрядного тока, и нелинейность градуировочной характеристики ионный ток -- давление.

Рис. 4.14. Инверсно-магнетронный вакуумметр Гобсона и Редхеда

Рис. 4.15. Магнетронный вакуумметр Редхеда: 1 - анод; 2 - вспомогательный катод; 3- анод; г - катод; 3 - вспомогательный коллектор ионов; 4 - усилитель ионного катод; 4 - усилитель ионного тока, тока.

Годом позже Редхеду удалось преодолеть некоторые недостатки инверсно-магнетронного вакуумметра, создав магнетронный вакуумметр. По своему устройству этот вакуумметр (рис. 4.15) напоминает ячейку Пеннинга, в которой две катодные пластинки соединены коаксиальным стержнем (конструкция обычного магнетрона). Между катодами и анодным цилиндром расположены вспомогательные катоды для уменьшения эффекта автоэлектронной эмиссии.

Перфорация анода способствует улучшению течения газа в вакуумметре. По сравнению с инверсно-магнетронным вакуумметр этого типа обладает более высокой чувствительностью1', а его градуиро-вочная характеристика практически линейна во всем диапазоне измеряемых давлений.

Электроны, выбитые из катода ионами, движутся в электромагнитном поле вокруг анода по сложной циклической Чувствительность магнетронного вакуумметра в 45 раз выше, чем ВБА. Радиус орбиты вращения электрона зависит от его энергии и уменьшается вследствие потерь энергии при. столкновении с молекулами газа. Таким образом, электроны достигают анода только после многократных столкновений с молекулами газа. Однако вызываемый частыми столкновениями высокий ионный ток, определяющий повышенную чувствительность вакуумметра, в свою очередь вызывает откачку газа. Высокая скорость откачки, достигающая 10-3м3*с-1 (на порядок превышающая скорость откачки в ВБА), является главным недостатком магнитных электроразрядных вакуумметров с холодным катодом. Кроме того, механизм на холодном катоде не позволяет управлять током так же, как в случае вакуумметра Байярда -- Альперта, что создает проблему обеспечения стабильной работы прибора.

Был предложен метод, позволяющий снизить эффект откачки в магнетронном вакуумметре. Для этого использован импульсный режим работы вакуумметра (после достижения током насыщения питание отключалось). При этом падает потребляемая вакуумметром мощность и соответственно уменьшаются ионный ток и откачивающий эффект. Давление определяется измерением тока насыщения и (или) . времени, затрачиваемого для достижения насыщения. Диапазон измеряемых таким прибором давлений 10-6--10-1 Па при точности измерения 10% для всего диапазона и 0,6% для 10-4 Па.

Было предложено также для обеспечения надежного зажигания разряда при низких давлениях включить в электродную систему магнитных электроразрядных вакуумметров вспомогательные накаливаемые элементы, что позволило расширить диапазон измеряемых давлений. Такие вакуумметры называются триггерными разрядными вакуумметрами.

Лафферти разработал магнетронный вакуумметр с горячим катодом. Конструкция первого вакуумметра этого типа представлена на рис. 4.16; впоследствии были предложены различные усовершенствования. Вакуумметр состоит из катода, расположенного на оси цилиндрического анода, и двух торцевых пластин, находящихся под отрицательным потенциалом для предотвращения вылета электронов из зоны ионизации (одна из них используется в качестве коллектора ионов). Аксиальное магнитное поле создается цилиндрическим магнитом, расположенным с внешней стороны прибора.

Улавливание ионов происходит только на одной из пластин, что, естественно, уменьшает чувствительность вакуумметра, однако за счет снижения требований к качеству изоляции второй пластины изготовление прибора намного упрощается. Вакуумметр Лафферти обладает очень высокой чувствительностью, которая может быть еще более повышена путем использования электронного умножителя.

Эмиссионный ток катода можно варьирова ть в некоторых пределах, но для обеспечения стабильной работы вакуумметра на практике используется ток <10~7 А. Использование такого низкого тока имеет свои преимущества, поскольку, во-первых, снижается температура катода (тем самым уменьшается интенсивность химического взаимодействия газа с катодом), во-вторых, уменьшается (до 2*10-5 м3*с-1) эффект ионной откачки и, в-третьих, снижается рентгеновский эффект. По расчетам фоновый ток, вызываемый рентгеновским излучением, эквивалентен давлению -~10-12Па. Напряжение на аноде (относительно катода) составляет около 300 В, а магнитное поле 0,03--0,05 Т, так что эффект автоэлектронной эмиссии можно не учитывать. При давлениях ниже 10-6 Па ионный ток линейно связан с давлением. Таким образом, вакуумметр Лафферти удовлетворяет многим требованиям, предъявляемым к вакуумметрам сверхвысокого вакуума. К сожалению, при давлениях ниже 10-7 Па нарушается пропорциональность между давлением и ионным током, поскольку при таких давлениях электронный ток зависит от давления и не может регулироваться как в ВБА.

Среди вакуумметров, не относящихся к магнетронным, следует выделить так называемый орбитронный вакуумметр, который обладает многими достоинствами магнетронных вакуумметров.

Орбитронный вакуумметр

В этом приборе (рис. 4.17) электрическое поле, создаваемое цилиндрическим коллектором ионов (0 В) и расположенным вдоль его оси тонким анодом (500 В), позволяет существенно удлинить тгуть ионизации электронов.

Давление определяется ионным током коллектора. Чувствительность орбитронного вакуумметра составляет 7*1O2 Па-1, что позволяет снизить ток эмиссии электронов до 10-6 А. Фоновый рентгеновский ток соответствует давлению 1O-11 Па. Энергия электронов определяете» потенциалом смещения нити накала и ее положением относительно остальных электродов. Указанные параметры существенно влияют на длину пути ионизации электронов и, соответственно, на чувствительность вакуумметра. Орбитронный принцип был использован для создания эффективных насосов, но не нашел дальнейшего развития в-вакуумметрах.

В заключение отметим, что вакуумметры магнетронного типа способны, в отличие от ВБА, измерять давление ниже 1O-8 Па. Вакуумметры с холодным катодом наиболее просты по конструкции, но их недостатками являются высокая скорость откачки и трудность стабилизации тока. Магнетронный вакуумметр с горячим катодом характеризуется значительно более низкой скоростью откачки, и благодаря очень низкому току эмиссии удается значительно уменьшить (по сравнению с ВБА) интенсивность химических реакций с активными газами, уровень газовыделения и влияние рентгеновского излучения.

Таким образом, может показаться, что вакуумметры этого типа удовлетворяют всем основным требованиям, предъявляемым к вакуумметрам сверхвысокого вакуума. Однако, к сожалению, при измерении давлений, превышающих 10-6 Па, возникают трудности. Кроме того, необходимость использования магнитов ограничивает возможности их применения в качестве вакуумметров открытого типа. В этом отношении орбитронный вакуумметр имеет преимущество, однако его конструкция до сих пор несовершенна, поскольку, как отмечалось выше, усилия исследователей были направлены главным образом на разработку вакуумного насоса, работающего по орбитронному принципу, а не вакуумметра. Отметим также, что поскольку на практике довольно редко приходится сталкиваться с измерением давлений, выходящих за границы рабочего диапазона ионизационного вакуумметра Байярда -- Альперта, эти вакуумметры не нашли широкого распространения.

Рис. 4.17. Орбитронный вакуумметр Майера и Херба: 1 -- коллектор ионов; 2--анод из электропроводящего кварца (0 0,23 мм); 3-- пирексовая трубка; 4 -- проводящее покрытие; 5 -- катод из торий-вольфрамовой проволоки (0 0,025 мм); 6 -- заземленный коллектор; 7 -- изолирующий слой.

Заключение

С развитием передовой современной микроэлектроники можно увеличивать не только академические потребности, но требования различных отраслей. Например, как вакуумная техника, в которой важную роль играет давление. Даже если взять в целом изготовление или управление самых необходимых предметов, то их производство напрямую связано с системами, которые работают на микропроцессорах. Микрочипы и интегральные схемы - это микроэлектронные устройства, которые мы можем увидеть в компьютерах, в мобильных устройствах, в игрушках, автомобилях и в медицинских приборах, без них мы бы не смогли сейчас представить свою жизнь. Поэтому датчики, и микроэлектроника в целом играет очень важную роль в жизни человека в целом.

По сравнению с индуктивными датчиками магнитные датчики при том же конструктивном размере имеют увеличенную дальность срабатывания. На режим переключения этих датчиков не влияют цветные металлы и алюминий, из которых выполнены стенки. Датчики, нечувствительные к вибрации, могут устанавливаться как сбоку, так и спереди. Магнит датчика может встраиваться в стальную поверхность заподлицо с ней и реагирует на северный и южный полюс. Среди наших магнитных датчиков найдётся оптимальный вариант для любого типа цилиндра. Основная область применения этих датчиков: запрос положений поршня в пневматических и гидравлических цилиндрах.

Преимущества

· универсальность применения

· очень точный и надёжный режим переключения

· долгий срок службы, обусловленный бесконтактным способом измерения и отсутствием износа

· компактная установка благодаря малым конструктивным размерам

Магнитные датчики -- отвечают вашим требованиям

Для пищевой промышленности

Подробнее

Мини-конструкция, большая дальность срабатывания

Магнитные датчики с большой дальностью

Подробнее

Максимально короткие типоразмеры

Магнитные мини-датчики

Подробнее

Размещено на Allbest.ru