Измеритель высокого вакуума

Полезная модель относится к устройствам измерения остаточного давления в диапазоне от 1.10^-7 Па до 1,3 Па с помощью манометрического преобразователя ПММ-32-1, широко распространенного в Российской Федерации.

Измеритель включает в себя регулируемый источник высоковольтного питания датчика с балластным резистором 1,1 МОм, управляемый микроконтроллером, измерительные цепи, включающие в себя делитель напряжения, токоизмерительный шунт, малошумящий усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), устройства цифровой индикации и интерфейса.

Микроконтроллер:

- измеряет с помощью делителя напряжения и АЦП напряжение регулируемого высоковольтного источника,

- автоматически обеспечивает стабилизацию напряжения регулируемого высоковольтного источника на уровне 2,5 кВ во всем диапазоне токов датчика,

- измеряет с помощью усилителя и АЦП ток датчика и пересчитывает его в давление с помощью записанной в память таблицы пересчета,

- автоматически контролирует исправность цепи измерения.

Схема работает следующим образом. При включении в первый момент устанавливается ЭДС=2.5 кВ, при этом напряжение на выходе источника будет ниже за счет падения его на внутреннем сопротивлении при протекании тока через датчик. Затем напряжение повышается до величины 2,5 кВ и поддерживается на этом уровне при изменениях тока датчика. Регулярно проверяется величина напряжения на делителе и соответствующая ей величина давления. Таким способом контролируется исправность схемы питания прибора и исправность схемы измерения вакуума, при несоответствии генерируется сигнал неисправности прибора.

24 разрядный АЦП совместно с малошумящим усилителем с коэффициентом усиления до 100 обеспечивает реальную разрядность, ограниченную шумами на уровне 24-26 двоичных разрядов, что соответствует диапазону измерения до 50000000. Это означает, что можно измерять ток датчика от 1 нА до 2 мА с погрешностью единицы %. Отсутствие сигнала, равного двойной величине шумов, интерпретируется как обрыв цепи измерения. При пробое датчика или давлении, выше 1,3 Па, ток, превышающий 2 мА, вызывает срабатывание блока аварийной защиты и сброс в ноль регулятора напряжения, а также сигнал неисправности.

Полезная модель относится к устройствам измерения остаточного давления в диапазоне от 1.10^-7 Па до 1,3 Па с помощью манометрического преобразователя ПММ-32-1, широко распространенного в Российской Федерации. Преобразователь ПММ-32-1 [Преобразователь манометрический ПММ-32-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 3.399.442 ТО] представляет собой магнитный электроразрядный датчик с холодным катодом инверсно-магнетронного типа. Он применяется в качестве датчика в вакуумметрах ВМБ-8, ВМЦБ-12, ВМБ-14 в режимах электропитания этих вакуумметров.

Отсчет давления производится по градуировочной характеристике, выражающей зависимость разрядного тока преобразователя от давления (фиг.1). Видно, что зависимость тока датчика от давления нелинейна.

Градуировочная характеристика соответствует режиму работы преобразователя:

- напряжение на выходе источника питания (2500+/-60) В,

- балластное сопротивление в цепи анод преобразователя - выпрямитель (1,1+/-0,011) Мом,

- катод находится под нулевым потенциалом.

Графически этот режим представлен на фиг.2, прямой 1 в виде вольтамперной характеристики высоковольтного источника. Здесь режим низкого вакуума (ток датчика около 2 мА) соответствует точке пересечения графика 1 с вольтамперной характеристикой датчика 3 при низком вакууме (точное знание вольтамперной характеристики датчика здесь не нужно). Режим высокого вакуума соответствует точке пересечения характеристик 1 и 4 (вольтамперная характеристика датчика при высоком вакууме - ток около 1 нА). Рабочая точка перемещается в зависимости от давления по прямой 1 между точками пересечения ее с графиками 3 и 4.

На фиг.2, приведен также примерный вид экспериментально снятой вольтамперной характеристики реального источника высокого напряжения вакууметра ВМБ-8 (кривая 2). Видно, что она нелинейна, и как следствие, режим работы датчика не соответствует паспортному.

Для того, чтобы получить более адекватную и равномерную шкалу отсчета давления по току датчика во всем диапазоне давлений, в известном вакууметре ВМБ-8 [Вакууметр магнитный блокировочный ВМБ-8. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ОТ2.832.041 ТО] применяются:

- высоковольтный источник повышенного напряжения - 3 кВ,

- нелинейное балластное сопротивление в цепи источник питания - датчик,

- логарифмирующий усилитель.

Тем не менее, типовая градуировочная характеристика прибора, по которой производится пересчет показаний стрелочного прибора в давление, оказывается нелинейной: крутизна ее в середине шкалы при давлениях (10^-3-10^-5 ) Па в несколько раз превосходит крутизну на краях шкалы.

Отсутствие стабилизации высокого напряжения при изменении тока датчика приводит к тому, что практически не обеспечивается положение рабочей точки на прямой 1, фиг.2, несмотря на применение нелинейного балластного сопротивления. В частности, при высоком вакууме и малом токе датчика напряжение на выходе источника и самом датчике оказывается завышенным, что вносит погрешность в измерение. В результате, общая погрешность прибора в диапазоне (1,3.10^-7-1,3.10^-1) Па оценивается как -50%/+110% и -40%/+80% при вкладе в общую погрешность собственно датчика, равном -25%/+50%.

Задача полезной модели состоит в том, чтобы:

- обеспечить стабильность источника высоковольтного питания на уровне 2,5 кВ во диапазоне токов от долей нА до 2 мА для обеспечения корректности и следовательно повышения точности измерений давления,

- избежать применения нелинейного сопротивления и связанных с ним сложностей калибровки,

- обеспечить прямое цифровое измерение и индикацию вакуума без пересчетных таблиц,

- обеспечить самоконтроль прибора и контроль обрыва цепи датчика,

- обеспечить интерфейс с ЭВМ.

Указанная задача решается тем, что предложен регулируемый источник высоковольтного питания датчика с балластным резистором 1,1 МОм, управляемый микроконтроллером, измерительные цепи, включающие в себя делитель напряжения, токоизмерительный шунт, малошумящий усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), устройства цифровой индикации и интерфейса.

Микроконтроллер:

- измеряет с помощью делителя напряжения и АЦП напряжение регулируемого высоковольтного источника,

- автоматически обеспечивает стабилизацию напряжения регулируемого высоковольтного источника на уровне 2,5 кВ во всем диапазоне токов датчика,

- измеряет с помощью усилителя и АЦП ток датчика и пересчитывает его в давление с помощью записанной в память таблицы пересчета, автоматически контролирует исправность цепи измерения.

Технический результат, достигаемый в предлагаемом измерителе вакуума благодаря отмеченным выше особенностям его выполнения, состоит в том, что в нем обеспечивается высокоточное измерение тока датчика в условиях, указанных в его паспорте и, соответственно точное измерение вакуума, обеспечивается точное измерение минимальных токов, и таким образом, регистрируется отсутствие тока, обеспечивается с помощью микроконтроллера цифровая индикация вакуума и цифровой интерфейс с другими приборами, например с ЭВМ.

Сущность предлагаемого вакууметра поясняется чертежом.

Блок-схема прибора приведена на фиг.3. Маломощный регулируемый источник высокого напряжения, например, ЕМСО F30, ЭДС которого составляет 3.0 кВ и внутреннее сопротивление около 0,2 Мом, запитанный от преобразователя сетевого напряжения в постоянное напряжение 15 В, присоединяется положительным полюсом через балластное сопротивление R_б, равное 1,1 МОм, к аноду датчика. Напряжение на выходе высоковольтного источника измеряется с помощью делителя с большим коэффициентом деления, образованного резисторами R₁ и R₂ . Ток измеряется по падению напряжения на шунте-резисторе R _ш. Оба сигнала усиливаются малошумящим усилителем и подаются на вход АЦП. Сигнал с делителя напряжения подается на микроконтроллер. Выход контроллера соединяется с регулятором напряжения, от которого, в свою очередь запитывается высоковольтный преобразователь. В память контроллера заносится характеристика фиг.1. Включены также стандартные устройства цифровой индикации и интерфейса.

Схема работает следующим образом. При включении в первый момент устанавливается ЭДС=2.5 кВ, при этом напряжение на выходе источника будет ниже за счет падения его на внутреннем сопротивлении при протекании тока через датчик. Затем напряжение повышается до величины 2,5 кВ и поддерживается на этом уровне при изменениях тока датчика. Рабочая точка при этом находится на прямой 1, что позволят по таблице по величине тока определять давление. Регулярно проверяется величина напряжения на делителе и соответствующая ей величина давления. Таким способом контролируется исправность схемы питания прибора и исправность схемы измерения вакуума, при несоответствии генерируется сигнал неисправности прибора.

24 разрядный АЦП совместно с малошумящим усилителем с коэффициентом усиления до 100 обеспечивает реальную разрядность, ограниченную шумами на уровне 24-26 двоичных разрядов, что соответствует диапазону измерения до 50000000. Это означает, что можно измерять ток датчика от 1 нА до 2 мА с погрешностью единицы %. Отсутствие сигнала, равного двойной величине шумов, интерпретируется как обрыв цепи измерения. При пробое датчика ток, превышающий 2 мА, вызывает срабатывание блока аварийной защиты и сброс в ноль регулятора напряжения, а также сигнал неисправности.

Таким образом, благодаря применению управляемого высоковольтного источника, микроконтроллера и высокоразрядного АЦП обеспечивается высокоточное измерение тока датчика высокого вакуума ПММ-32 в условиях, когда по его току можно определять давление, кроме того, обеспечивается расширение диапазона высокоточного измерения, контроль обрыва цепи измерения, контроль исправности схемы измерения, контроль пробоя датчика, местная цифровая индикация и интерфейс с удаленной ЭВМ.

Измеритель высокого вакуума, отличающийся тем, что он включает в себя микроконтроллер, аналого-цифровой преобразователь, устройство аварийной защиты при завышенном давлении или пробое датчика, устройства цифровой индикации и интерфейса, обеспечивающие стабилизацию напряжения источника высоковольтного питания датчика, измерения тока датчика, вычисление величины давления, самопроверку прибора, аварийную защиту, местную индикацию величины давления и состояния прибора, интерфейс с удаленной ЭВМ.