Руководство по измерению давления и вакуума
| Вид материала | Руководство |
- Билет №3, 172.94kb.
- И. П. Волк рлэ як-18т руководство, 1114.6kb.
- Законы эволюции вселенной час ть 10. Механизм формирования, 684.99kb.
- Н. А. Козырева как механика физического вакуума. Жвирблис В. Е. 1994, 245.74kb.
- Научная и производственная элита по вопросам измерения давления впервые собралась, 40.25kb.
- Методика обработки кривых восстановления давления, полученных при исследовании газовой, 153.93kb.
- Разработка системы автоматического управления компрессора сверхвысокого давления, 14.49kb.
- Литература. 27, 287.37kb.
- Роль атмосферного давления в поведении рыбы, 42.82kb.
- Невский завод, 56.79kb.
P=cnT, (6)
где с - константа.
Одним из самых удобных методов измерения концентрации является использование какой-либо технологии для ионизации молекул газа, а затем сбор ионов. Наиболее часто используемые на практике вакуумные приборы для осуществления ионизации используют электроны с умеренными энергиями (от 50 эВ до 150 эВ). Результирующий ионный ток непосредственно связан с давлением, и ,таким образом , может быть выполнена калибровка. Это последнее утверждение будет верным только в конечном диапазоне давлений, который будет определять рабочий диапазон прибора. Верхний предел давления будет достигнут, когда плотность газа достаточно велика для того, чтобы при образовании ион имел значительную вероятность взаимодействия либо с нейтральными молекулами газа, либо со свободными электронами в газе. В результате ион нейтрализуется и не может достичь коллектора. Для практических целей в обычных лабораторных системах или промышленных заводах в качестве этого предела может быть взято значение 0.1 Па (10-3мбар).
Нижний предел давления прибора будет достигнут либо когда электрические токи утечки в головке прибора или измерительной электроники становятся сравнимыми с измеряемым ионным током, либо когда другое физическое воздействие (например, влияние внешнего рентгеновского излучения) дает рост токов до этого значения. Для большинства приборов, описанных в Руководстве, эти пределы находятся ниже 10-6 (10-8 мбар).
Основное уравнение прибора для прибора ионизации:
Ic=knIe, (7)
Ic- ионный ток;
К- постоянная, содержащая вероятность ионизации молекулярного газа любым способом и вероятность рекомбинации результирующих ионов;
n- концентрация молекул газа;
Ie- электроныый ток ионизации;
Вероятность ионизации молекулярного газа будет зависеть от множества факторов, и следовательно, прибор ионизации будет иметь различные значения чувствительности для различных смесей газов. В приборах, наиболее часто употребляемых на практике, для ионизации молекулярного газа используется электронный удар. Он может быть получен простым “ выкипанием ” электронов с горячей нити накаливания и притягиванием их к какому-либо виду коллектора. На пути от нити к коллектору такие электроны могут взаимодействовать с электронами в электронном облаке вокруг ядра молекулы газа, выбивая один из них или более, чтобы сформировался заряженный ион. Эти ионы притягиваются к коллектору.
К сожалению , вероятность электронной ионизации молекулы газа за один проход в пределах прибора обычных размеров настолько мала, что необходимо увеличить длину свободного пробега электрона и таким образом увеличить вероятность создания иона любым одиночным электроном.
На практике широко используются два метода. В приборе ионизации с горячим катодом электроны формируются на горячей нити накала и притягиваются к сетке высокой прозрачности, изготовленной из очень тонкого провода , обладающей положительным электрическим потенциалом. Поскольку сетка открыта, то существует очень высокая вероятность того, что электрон будет проходить прямо через сетку, не ударяясь в провод. Если сетка окружена экраном при отрицательном электрическом потенциале, электрон будет отброшен обратно к сетке. Этот процесс может происходить много раз, прежде чем электрон ударится в сетку и будет потерян. В результате очень в малом объеме может быть получен очень длинный пробег электрона. В противоположность этому, ионы притягиваются непосредственно к коллектору.
В приборах ионизации с холодным катодом горячая нить накаливания отсутствует. В них используется комбинация электрического и магнитного полей. Любой электрон будет двигаться по спирали вокруг линий магнитного поля, прежде чем в конечном счете он упадет на позитивно заряженный анод. В действительности пробег будет настолько длинным и вероятность ионизации настолько велика, что однажды начавшись, будет наблюдаться самоподдерживающийся газовый разряд при условии, что ионы быстро удаляются из области разряда с помощью ионного коллектора.
Хотя существует множество вариантов этих двух общих типов приборов, обсуждению подлежат четыре вида, которые доступны в продаже и широко используются на практике, а именно: триодные приборы, прибор Баярда-Альперта, осцилляторный прибор и прибор с обращенным магнетроном.
- Триодные приборы
Этот прибор первоначально был разработан из электронного ключа. Электроны эмиттируют с горячей нити накала вдоль оси цилиндрической сетки (смотрите рис.5-19). Ионы формируются в основном внутри сетки и притягиваются к цилиндрическому аноду вокруг сетки. Обычный диапазон давлений прибора приблизительно от 0.1 Па до 10-6 Па. Особая конструкция, прибор Шульца- Пельпса, может работать приблизительно в диапазоне от 10-2 Па до 100 Па.
5.11.3. Приборы Баярда- Альперта
По сути это триодный прибор, вывернутый наизнанку (смотрите рис.5-20). На этом рисунке горячая нить накала находится вне цилиндрической сетки. Ионы образуются по-прежнему, главным образом, внутри сетки и собираются на осевом проводе. Некоторые из электронов, образующихся в результате ионизации молекул газа, при столкновении с сеткой будут генерировать рентгеновское излучение. Рентгеновские лучи при облучении коллектора могут выбивать электроны с поверхности , и они будут неотличимы от ионов, падающих на коллектор. Провод коллектора находится в намного меньшем телесном угле, соответственно он поглощает меньше рентгеновского излучения. В результате предел давления будет значительно меньше, чем в триодном приборе. Это наиболее типичная конфигурация для приборов ионизации с горячей нитью накаливания. Диапазон давлений находится в пределах от 0.1 Па до 10-9 Па.
5.11.4 Осцилляторные приборы
В этих приборах электрическое и магнитное поля расположены так, как показано на рисунке 5-21. Анод (А) может принимать форму кольца или цилиндра. Может показаться , что в этой конфигурации электрическое и магнитное поля параллельны, но на самом деле во время разряда распределение потенциалов таково, что ось прибора расположена около катодного потенциала. В результате поля на самом деле скрещиваются. Газовый разряд начинается, если электрическое поле достаточно высоко (несколько кВ постоянного напряжения), при этом начинается полевая эмиссия электронов с одной из катодных пластин (часто применяется острый стержень для усиления этого процесса). Кроме того, газовый разряд начинается, если космические лучи вызывают ионизацию газа в головке прибора. Миниатюрный источник ультрафиолетового излучения может являться другим средством инициации разряда путем фотоэмиссии электронов с поверхности. Ионы собираются на на петлевом аноде. Диапазон давлений приблизительно от 0.1 Па до 10-7 Па.
5.11.5 Приборы с обращенным магнетроном
В них также применяются скрещенные электрические и магнитные поля. Здесь анод- это стержень или провод, окруженный кольцеобразными электрически связанными электродами. Внутренний кольцеобразный электрод является ионным коллектором, а внешний дополнительный электрод защищает ионный коллектор от токов полевой эмиссии. Диапазон давлений обычно от 0.1 Па до 10-9 Па.
5.12 Анализаторы остаточного содержания газа для измерения парциального вакуумного давления
- Введение
Малые анализаторы остаточного содержания газа (RGAs) находят все более широкое применение в работах, связанных с диагностикой вакуума. Для многих процессов знать состав газа в вакуумной системе так же важно, как и общее давление. RGA приборы это просто масс-спектрометры относительно низкой спецификации, а наиболее используемым из них является квадрупольный масс-спектрометр (просто ‘квадр’).
В общих чертах прибор предназначен для разделения молекул различных газов, присутствующих в вакуумной среде в соответствии с массами этих газов и отображении результатов в виде спектра парциальное давление-масса. Схема такого прибора показана на рисунке 5-23. Он состоит из трех частей- источника ионов, фильтра масс и ионного коллектора.
- Источник ионов
Принцип его работы очень похож на принцип работы прибора ионизации Баярда-Альперта (BAG) (смотрите раздел 5.11.3), за исключением того, что вместо ионов, собираемых на проводе, ионы извлекаются в осевом направлении за счет притяжения к пластине с отверстием. Они проходят через отверстие и поэтому инжектируются с известной энергией (определяемой потенциалом на пластине-экстракторе)в фильтр масс. Поскольку источник ионов по сути является BAG , то он имеет все характеристики такого прибора, описанного выше.
5.12.3 Фильтр масс
Он состоит из четырех стержней, которые выравнены параллельно оси экстракции источника ионов. Стержни электрически соединены вместе в диаметрально противоположные пары так, чтобы образовывать квадруполь. К этим парам приложен электрический потенциал, состоящий из потенциала постоянного тока и радиочастотного потенциала на нескольких мегагерцах. Для данного соотношения потенциалов постоянного тока и радиочастотного ионы с конечным диапазоном отношений масса/заряд будут перемещаться вдоль оси системы стержней. Ионы с более высокими или более низкими соотношениями масса/ заряд будут выброшены за пределы фильтра.
В результате качания амплитуд постоянного и радиочастотного потенциалов от низкого значения до более высокого при сохранении постоянным отношения амплитуд ионы с постепенно увеличивающимся отношением масса/ заряд будут проходить через фильтр, и могут быть собраны для образования спектра масс. Следует заметить, что мы часто слишком свободно оперируем понятием массы при обсуждении таких спектров, вместо того, чтобы использовать более точный термин ‘отношение масса/заряд’.
5.12.4 Ионный коллектор
Обычно он представлен в двух формах: или простая чашка Фарадея (плоский детектор), или электронный умножитель, часто называемый каналтрон.
6. Выбор приборов
6.1 Введение
Перед тем, как пытаться выбрать прибор измерения давления и подходящего производителя,очень важно определиться с критериями выбора. Они включают много факторов и данная глава призвана помочь потенциальному пользователю сделать свой выбор. В общих чертах в ней описано следующее:
-характеристики давления;
-характеристики среды давления;
-окружающая среда;
-физические характеристики приборов;
-типичное применение;
- меры безопасности;
-установка и уход;
-сигналы;
-эффективность;
-неправильное использование терминологии.
Данная глава не претендует на то, чтобы охватить все уместные применения технологий измерения давления.
6.2. Характеристики давления
6.2.1. Режим измерения давления, диапазон измерений и классификация
При выборе подходящего прибора важно принимать во внимание, какой требуется режим измерений: абсолютный, относительный или дифференциальный (смотрите раздел 3.2) и в каком диапазоне давлений предполагается работа. Также может быть необходимым учесть давление, которому может подвергаться прибор в другое время. В приборах с дифференциальным режимом следует также учесть максимальное линейное давление.
Рабочий диапазон прибора должен перекрывать ожидаемый диапазон давлений, которые необходимо измерить. Некоторые приборы работают лучше при определенных значениях давления и.з это диапа.зон. Многие устройства лучше всего работают около центра рабочего диапазона или вдали от нижнего и верхнего пределов.
Максимальное рабочее давление должно cоответствовать , c заданным ограничением безопасности , всем встречающимся давлениям, включая те из них, которые не могут быть непосредствено измерены. Следует заметить, что прибор часто может допускать давления вне его рабочего диапазона и важно проверять, влияет ли это на работу прибора или нет. Также необходимо отметить , что ползучесть более существенна в металлических, чем в кремниевых кварцевых или керамических деталях. Термин избыточное давление иногда используется для этого свойства, но его значение не согласовано между всеми производителями. В некоторых вакуумных приборах, т.е. в приборах ионизации с горячей нитью накала, используется механизм безопасности, который отключает питание в случае подачи избыточного давления. Однако не следует полагаться на его надежность, так как время отклика может быть недостаточно быстрым в случае внезапного натиска воздуха.
Коллапс линии давления может разрушить ячейки дифференциального давления. Неправильная работа клапанов или физическое повреждение на одной стороне системы дифференциального давления может привести к тому, что на одной стороне диафрагмы останется полное линейное давление , а на другой стороне фактически не будет давления - явление , потенциально могущее вызвать серьезное повреждение. В зависимости от конструкции некоторые ячейки выдержат это воздействие в обоих направлениях, а какие-то -только в определенном направлении, а некоторые могут совсем не выдержать. Только тщательный опрос изготовителей и их спецификации являются единственным способом выяснить это. Не делайте сами никаких предположений относительно их живучести.
Давление взрыва намного выше избыточного давления и образуется главным образом в результате несоблюдения условий эксплуатации, определенных производителем. Давление взрыва имеет отношение к ограничению среды давления пределами трансдьюсера и больше связано с безопасностью, чем с измерениями. Некоторые приборы могут иметь внутренние повреждения, не подлежащие ремонту, но тем не менее содержать в себе давление.
Вторичное сдерживание (Резервирование - прим. переводчика ) может применяться для того, чтобы справиться с ситуацией, когда измеряющий компонент, диафрагма или трубчатый манометр сам выходит из строя, при этом среда давления достигает камеры вне отказавшего компонента и кроме того предполагается возможным , что эта камера может содержать давление.
6.2.2. Флуктуация давления
Флуктуации или пульсации давления являются одними из самых распространенных причин повреждения приборов давления. Часто эти пики давления не обнаруживаются, и пользователь может не знать об их существовании. Материалы способны выдерживать повторяющиеся воздействия в течение нескольких циклов без видимых повреждений, а затем внезапно разрушаются. Простой пример - разрыв куска бумаги путем неоднократного сгибания. В качестве элементов деформации в датчиках давления выбираются материалы с эластичной усталостью. Обычно в спецификациях указывается число циклов давления в диапазоне от нуля до максимума и обратно до нуля , которые выдерживает прибор.
Это число может быть очень большим. Например, шестеренчатый насос обладает свойством генерировать пульсации высокого давления, величина которого может быть в два раза больше величины , отображаемой на индикаторе с медленным временем отклика. Тем не менее, чувствительный элемент оказывается под воздействием всплесков полного пикового давления, и , если они равны номинальному давлению, поломка может произойти достаточно быстро. Меньше чем за четыре часа насос с пятизубчатой передачей, работающий со скоростью 3000 оборотов в минуту, сформирует 3 миллиона пульсаций. Следует заметить, что давления , существенно превышающие номинальное значение, существенно уменьшают время до возникновения отказа.
Иногда давление флюктуирует медленно, иногда быстро, а вы можете хотеть измерять эти флюктуации или нет. В самом деле, в то время, как вся система в целом не способна отображать флюктуации давления, чувствительный элемент испытывает на себе полные изменения давления. Быстродействующий пьезоэлектрический датчик может реагировать на давления, меняющиеся десятки тысяч раз в секунду, но усилитель, управляющий цифровым индикатором, может осуществлять существенную электронную амортизацию для получения ‘среднего’ давления и , как результат, фиксированного считываемого значения измерения. Перед тем, как выбрать определеный тип прибора измерения давления , необходимо оценить характеристики давления, а также надо ли учитывать форму волны давления, пиковое давление или его “среднее” значение. Для отслеживания быстрых изменений давления непревзойденными являются пьезоэлектрические приборы, несколько хуже полупроводниковые и пленочные диафрагменные конструкции. Самыми медленными являются капсулы и приборы на основе мехов. Тем не менее, может оказаться, что обычная конструкция данных приборов окажется предпочтительной при сглаживании всплесков давления.
Воздействие данных всплесков может быть уменьшено может быть уменьшено в результате применения амортизаторов и/или демпфирующих объемов. В качестве альтернативы можно посоветовать применение оборудование для более высоких давлений.
6.3 Характеристики среды
6.3.1Введение
Среда давления должна быть совместима с частями прибора для измерения давления, с которым она находится в непосредственном контакте. Выбор подходящих веществ очень важен. Например, могут быть необходимы нержавеющие стали или высоколегированные сплавы никеля такие, как Монел 400, сравнимые по совместимости с традиционными сплавами меди. Очень часто не учитывается тот факт, что эти ограничения применимы к уплотнительным устройствам, таким, как ‘O’ кольца, используемым для соединения прибора с системой.
6.3.2 Рабочая температура
Как максимальная, так и минимальная рабочие температуры должны учитываться в том случае, если не предпринимаются специальные меры для контроля температуры, действию которой подвергается прибор.
Если температура среды превышает номинальные характеристики прибора, то между источником и датчиком могут устанавливаться прокладки либо для рассеяния тепла, либо для поглощения тепла. Трубопровод из нержавеющей стали малого диаметра длиной в несколько десятков миллиметров может вызвать перепад в несколько сотен градусов между кожухом мощного дизеля и трансдьюсером в струе охлаждающего воздуха. Многие приборы могут работать с температурами до 85 оС. Выше 150 оС приборы становятся специализированными.
Должна быть предусмотрена возможность подачи в систему нерабочих высокотемпературных потоков для очистки и стерилизации.
Если температурные условия таковы, что может произойти изменение фазы среды (затвердение), то результат может быть катастрофическим. Должны быть приняты специальные предупредительные меры.
6.3.3 Коррозия и оседание материала
Диапазон материалов, из которых могут быть изготовлены приборы,очень разнообразен: пластик, различные сорта латуни, стали, сложные сплавы на основе никеля, керамика и стекло. Если среда может находиться в данном материале, то прибор обычно и изготавливают из этого материала, хотя, возможно, он при этом будет иметь большую стоимость. Однако, как правило, сенсоры изготавливают из определенных материалов с применением изоляции там, где это необходимо.
Даже если прибор описывается как корозионностойкий, следует точно установить, по отношению к какой коррозии материалы являются устойчивыми. Это особенно важно там, где присутствуют смеси.Также следует помнить, что коррозия зависит от температуры, и если рабочая температура значительно выше, то коррозия также будет потенциально сильнее.
В некоторых приложениях необходимо учитывать эффект отложения материала на датчике. Даже если материал не является коррозийным, он может вызывать повреждение датчика, нарушение его работы или создавать электрические контура между электрически изолированными элементами, что влечет за собой неисправную работу.
6.3.4 Зависимость от плотности
Приборы с зависимостью от плотности должны иметь коэффициенты коррекции, применяемые для получения значащих результатов. Это особенно важно для приборов ионизации и вакуумной теплопроводности и для некоторых приборов резонансной частоты, где вибрирующий элемент расположен непосредственно в рабочей среде. Некоторые процессы, такие, как производство полупроводников, требуют измерения диапазона технологических газов. Если прибор должен использоваться в среде с изменяющимся или неизвестным составом, другие методики будут более подходящими.
- Изолирующие диафрагмы
В случаях, когда среда давления, воздействующего на датчик, не совместима с материалом ,из которого он изготовлен, используется иэолирующая диафрагма. Обычно она сделана из нержавеющей стали, инконеля, хасталоя и т.д. и применяется для передачи давления к чувствительной диафрагме через полость, заполненную маслом таким образом, что среда давления соприкасается с изолирующей диафрагмой, но не с чувствительной диафрагмой, как показано на рисунке 6-1. В результате получается прибор, который можно использовать для измерения давления в относительно агрессивных средах без заметного ухудшения работы прибора, хотя может наблюдаться увеличение времени отклика.
Приборы, включающие в себя встроенную изолирующую диафрагму будут иметь лучшие температурные характеристики,чем системы с дополнительными секциями , добавленными по отдельности , в смысле необходимого объема масла.
6.4. Внешняя окружающая среда
6.4.1 Внешнее давление
Из-за того, что большинство приборов подвержены изменениям атмосферного давления и могут иметь корпус, сообщающийся с внешней средой, некоторые из них, такие, как приборы, работающие на глубине ниже уровня моря или датчики с масляными резервуарами могут испытывать внешние давления, которые достигают или даже намного превышают давление, регистрируемое датчиком. В чрезвычайных условиях эти высокие давления могут создавать напряжения в приборе. Эти напряжения могут видоизменить картину напряжений вокруг чувствительного элемента и привести к дополнительным ошибкам в показаниях прибора.