книги / Электрооборудование электровакуумного производства

тора (обрыв фидера) срабатывает аварийная защита, выполненная на реле максимального тока Рг- Высоко­ частотные затухающие колебания в индукторе возни­ кают в результате импульса тока разряда, конденсато­ ров С21—С22 через тиратрон. Заряд этих конденсаторов происходит от высоковольтного выпрямителя во время «молчания» тиратрона, как это было описано выше. Та­ кие генераторы могут быть построены на разные частоты и различные выходные мощности в зависимости от на­ значения. Благодаря целому ряду преимуществ тиратронные генераторы в настоящее время получили широ­ кое распространение в производстве электровакуумных приборов, причем с их помощью решаются не только специфические задачи, но и общие. Так (в качестве примера решения общей для многих отраслей задачи), тиратронный генератор был применен для высокотем­ пературной сушки металлических взрывозащитных бан­ дажей кинескопов после покраски.

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ

Как уже указывалось, вакуумная система должна обеспечивать откачку электровакуумного прибора и на­ полнение газом газоразрядных приборов. Правильная работа вакуумной системы и грамотная эксплуатация откачного оборудования невозможны без контроля сте­ пени вакуума. Под вакуумом понимают состояние газа в объеме или пространстве, характеризующееся давле-

Т а б л и ц а 2-4

Технические данные приборов для измерения малых давлений

172

нием меньше атмосферного. Для определения вакуума используется различная аппаратура. Пределы измерения малых давлений и точности измерения для этой аппара­ туры приведены в табл. 2-4.

Среди приборов для измерения давления с конца 50-х годов появляются и в настоящее время успешно используются манометры и вакуумметры на базе приме­ нения механотронных поеобразователей давления. Механотронные преобразователи, или механотроны, пред­ ставляют собой электровакуумные приборы с механиче­ ски управляемыми электродами. При воздействии внешнего механического сигнала в механотроне происхо­ дит перемещение одного или нескольких электродов, в результате чего происходит соответствующее этому перемещению изменение анодного тока механотрона. Преобразование различных механических величин в электрические сигналы осуществляется в механотронных преобразователях в результате зависимости величины анодного тока механотрона от перемещения одного или нескольких электродов. Наиболее распространенной ки­ нематической системой механотронного преобразователя перемещений и усилий является система мембрана — стержень. Мембоана является частью герметичной обо­ лочки механотрона. Стержень впаян в мембрану, внеш­ ний конец стержня воспринимает механический сигнал,

движного катода. Это перемещение и приводит к изме­ нению анодного тока, а следовательно, и выходного сигнала преобразователя. Механотронные преобразова­ тели давления (манотроны) относятся к датчикам дав­ ления деформационного типа, важным преимуществом которых является независимость показаний от рода газа или пара, давление которого измеряется.

Для технических измерений наибольшее распростра­ нение получили теплоэлектрические, ионизационные и магнитные электроразоядные вакуумметры. Грузопорш­ невые, U-образные, компрессионные, радиометрические, термомолекулярные и мембранно-емкостные манометры чаще используются в качестве образцовых приборов при градуировке рабочих вакумметров. Принцип действия теплоэлектрического измерителя малых давлений осно­ ван на зависимости теплопроводности газа от давления, а сам измеритель состоит из манометрического преобра-

173

зователя (ламп типов ЛТ-2, ЛТ-4М, МТ-6, МТ-7) и из­ мерительного блока. Теплоэлектрический манометриче­ ский преобразователь представляет собою проводник, нагреваемый пропусканием тока и помещенный внутри стеклянного (ЛТ-2) или металлического (ЛТ-4М) бал­ лона. Существуют две возможности для измерения дав­ ления с помощью теплоэлектрического вакуумметра: 1) при постоянном токе производят измерение разности

щиеся в тепловом контакте платиновый проводник-подо­ греватель и хромел'ь-копелевая термопара. Лампа имеет два ввода подогревателя и два вывода термопары. Лампа ЛТ-4М устроена аналогично, но имеет металлический баллон. Эти лампы применяются в термопарном вакуум­ метре типа ВТ-2, а также в термопарной части иониза­ ционно-термопарного вакуумметра типа ВИТ-2. Измери­ тельный блок вакуумметра обеспечивает питание мано­ метрической лампы и измерение тока подогревателя и термо-э.д. с, термопары. Один из самых простых спосо-

174

бов стабилизации тока подогревателя состоит в том, что последовательно с подогревателем в цепь источника тока устанавливается резистор, имеющий величину сопротив­ ления, в 100 раз большую величины сопротивления по­ догревателя. В этом случае изменение сопротивления подогревателя не может изменить существенно величи­ ны тока, протекающего через него. Термопарные лампы могут быть использованы и в режиме постоянства термо-э. д. с., при этом ток может регулироваться как вручную, так и автоматически. В манометрах сопротив­ ления (МТ-6, МТ-7) мерой температуры является сопро­ тивление проводника, нагреваемого током. МТ-6, напри­ мер, предназначена для работы в режиме постоянной разности температур, равной 220°С, имеет сопротивление 116,5 Ом. МТ-6 используется в вакуумметре типа ВСБ-1, где она включена в одно из плеч моста. Величину про­ текающего тока измеряют высокоомным вольтметром, /включенным параллельно преобразователю, причем со­ противление преобразователя автоматически поддержи­ вается постоянным.

Ионизационные манометры, к которым относятся электронные ионизационные манометры, магнитные электроразрядные манометры и радиоизотопные мано­ метры, используются для измерения малых давлений в области высокого и сверхвысокого вакуума. Действие этих приборов основано на использовании ионизации газа. Электронный ионизационный манометр состоит из манометрического преобразователя (лампы типов ЛМ-2, ИМ-4, ИМ-7Л, ИМ-9, ИМ-11 и ИМ-12) и измерительного блока, обеспечивающего питание преобразователя и из­ мерение необходимых параметров. Манометрический преобразователь в простейшем виде представляет собой трехэлектродную конструкцию, в которой анод, выпол­ ненный в виде редкой цилиндрической сетки и имеющий высокий потенциал (100—200 В), создает сильное уско­ ряющее поле для электронов, эмиттированных нагретым катодом. Электроны ионизируют молекулы разреженно­ го газа, образующиеся ионы собираются коллектором, расположенным за анодом и имеющим отрицательный потенциал (20—100 В).

На рис. 2-49 показано устройство трехэлектродной манометрической лампы типа ЛМ-2, состоящей из коаксиально расположенных вольфрамового катода 3, ред­ кой цилиндрической сетки 2 , выполняющей роль анода,

175

й Цилиндрического ионного коллектора 1. Сетка 2 имеет форму двойной спирали с двумя выводами для прогрева при обезгаживании путем пропускания электрического тока. Схема включения ионизационного манометрическо­ го преобразователя приведена на рис. 2-50. Для такого случая, делая ряд допущений, можно считать, что дав­ ление в манометрическом датчике связано с отношением ионного тока к электронному следующим уравнением:

/и//к=КР,

где /и — ионный ток; /к— электронный ток (ток эмиссии);

К — чувствительность ионизационного манометра; Р —давление.

1—- коллектор ионов; 2 — сетка, имеющая два вывода; 3 — ка- тод-вольфрамовая нить.

Это уравнение показывает, что отношение ионного тока к электронному пропорционально давлению с коэф­ фициентом пропорциональности К, зависящим только от конструкции и потенциалов на электродах манометра.

Для повышения точности и расширения пределов из­ мерения используются более сложные конструкции, например магнетронная, инверсно-магнетронная, с до­ полнительным кольцом перед коллектором, с модуля­ цией ионного тока и т. д. С манохметрической лампой ЛМ-2 работают вакуумметры типов ВИ-3 и ВИТ-2. Из­ мерительный блок вакуумметра обеспечивает рабочие напряжения на электродах лампы ЛМ-2 (анодное на­ пряжение 200 В, напряжение на коллекторе 25 В),

176

стабилизацию тока эмиссии (ток катода 5 мА) й измере­ ние тока ионного коллектора с помощью лампового микроамперметра, выполненного по мостовой схеме. Ионный ток коллектора является мерой давления. По­ этому использование лампы-преобразователя улучшен­ ной конструкции позволяет расширить диапазон измере­ ния в сторону более низких давлений. Так, лампа ИМ-12 в комплекте с вакуумметром типа ВИ-12 позволяет из­ мерять давления 10_3—ИИ8 Н/м2. Для обезгаживания манометрической лампы в вакуумметре предусматри­ вается специальный режим прогрева. Вакуумметр ВИ-12 позволяет прогревать анод лампы ИМ-12 двумя способа­ ми— пропусканием электрического тока и электронной бомбардировкой. Для обезгаживания электронной бом­ бардировкой предусмотрена возможность подачи на кол­ лектор и анод постоянного напряжения 1500 В, а эмис­ сионный ток регулируется до 10 мА.

Магнитный электроразрядный манометрический преобразователь представляет двухэлектродную систе­ м у -ан о д и холодный катод (катод в виде двух парал­ лельных пластин, находящихся между полюсами маг­ нита). Для создания самостоятельного разряда на пре­ образователь подается высокое напряжение (единицы киловольт) через ограничительный резистор, имеющий сопротивление величиной 105—107 Ом. Магнитное поле служит для увеличения пути свободного электрона, дви­ жущегося под действием электрического поля в резуль­ тате сложной траектории движения. По пути электроны, сталкиваясь с молекулами газа, ионизируют их. При бомбардировке катода ионами возникает «вторичная» эмиссия. Возрастание тока приводит к уменьшению разности напряжений на электродах за счет увеличен­ ного падения напряжения на ограничительном резисторе. Устанавливается динамическое равновесие, при котором число зарядов, образующихся в объеме преобразователя в единицу времени, равно электрическому току во внеш­ ней цепи. Ток разряда при постоянном напряжении и постоянном магнитном поле определяется только давле­ нием. Пределы измерения, определяемые зависимостью разрядного тока от давления (эта зависимость является функцией напряженности магнитного поля и приложен­ ной разности потенциалов, конструктивных особенностей и размеров электродов), достигнутые в настоящее время, составляют 102—10-11 Н/м2. Благодаря непостоянству

электрического разряда градуировочные характеристи­ ки магнитных преобразователей имеют большой разброс. Так, вакуумметры ВМ-1 и ВМБ-2, работающие с мано­ метрическим преобразователем типа ММ-8, имеют по­ грешность измерения 30—50%. Для расширения пре­ делов измерения в сторону более низких давлений используются двухкамерные магнитные манометрические преобразователи типа ММ-13М4, входящие в комплект вакуумметра ВМБ-3. Дальнейшее расширение нижнего предела позволяет осуществить инверсно-магнетронный вакуумметр типа ВИМ-1 с манометрическим преобразо­ вателем ММ-14М. К преимуществам магнитных электроразрядных манометров относятся высокая чувствитель­ ность и отсутствие нагреваемых деталей, что облегчает получение сверхвысокого вакуума, а также нет харак­ терного для других преобразователей взаимодействия накаленного катода с газами.

Радиоизотопный ионизационный манометр состоит из манометрического преобразователя в виде герметичной камеры, внутри которой помещены анод и коллектор ионов, и измерительного блока. Источником ионизации служит a-излучение радиоактивного вещества. Мерой давления является ток положительных ионов. Между анодом и коллектором прикладывается разность потен­ циалов для направления ионов на коллектор. Измерю тельный блок содержит источник питания (выпрями­ тель) и электрометрический усилитель для измерения тока ионного коллектора. В комплекте радиоизотопного вакуумметра типа ВР-3 используется манометрический преобразователь типа ПМР-2.

Все вышеописанное стандартное оборудование пред­ назначено для контроля различных величин малых дав­ лений. В целях автоматизации производственных про­ цессов, связанных с откачкой и наполнением, применяет­ ся нестандартное оборудование, несущее не только функции контроля величин малых давлений, но и функ­ ции автоматического управления. Например, трубка ионно-газового лазера имеет оптимальный режим рабо­ ты при определенном давлении. В процессе работы происходит жестчение газа и давление в трубке падает. Уменьшение давления в трубке отрицательно сказы­ вается на основных параметрах (падает мощность из­ лучения, сокращается срок службы и т. д.) и даже может привести к полному выходу трубки из строя. Для

178

поддержания оптимального режима необходимо все вре­ мя добавлять газ, сохраняя одно и то же давление. Компенсация расхода газа в работающей трубке осу­ ществляется пополнением газа из вспомогательного объема, соединенного с основным объемом трубки с по­ мощью электромагнитного клапана. На рис. 2-51 пока­ зана электрическая схема блока управления, получив­ шая условное название ГИГ (генератор инертного газа). Схема представляет собой вакуумметр на базе тепло­ электрического измерителя малых давлений, собранный по мостовой схеме на резисторах R 13, Ru(RK, R22) и R внешней цепи. В качестве одного плеча моста (R внеш­ ней цепи) использован манометрический преобразова­ тель типа МТ-7 (манометр сопротивления). В диагональ моста включен измерительный прибор, проградуирован­ ный в величинах давления. Питание мостовой измери-

Рис. 2-51. Электрическая схема блока управления ГИГ.

тельной схемы осуществляется постоянным током через транзистор Та, причем снимаемое напряжение зависит от нагрузки, что позволяет получить линейную шкалу измерителя давления. Для управления электромагнит­ ным клапаном (дозатором), с помощью которого осу­ ществляется соединение основного объема трубки с вспо­ могательным (в результате чего происходит пополнение газа в основном объеме), используется тиристор Д 16. Работой тиристора управляет запускающая схема, вы­ полненная в виде запертого блокинг-генератора на тран­ зисторе Т3. Положительное напряжение питания мосто­ вой измерительной схемы поступает через резистор R2

идиод Дб в базовую цепь транзистора Т2. Резистор R2 одновременно служит нагрузкой однополупериодного. выпрямителя, образованного вспомогательной обмоткой

идиодом Дв- В результате работы этого выпрямителя

происходит запирание диода Д в на время открытия диода Д$, т. е. на время, равное половине периода. Ба­ зовая цепь транзистора Т2 дополнительно соединена с источником питания коллектора через ограничитель­ ный резистор /?7. Таким образом, транзистор Т2 пред­ ставляет собой ключ, отпиранием которого в режиме 50-герцевой модуляции управляет мостовая измеритель­ ная схема. Изменением коллекторной нагрузки тран­ зистора Т2 устанавливается порог срабатывания схемы (переход блокинг-генератора из запертого состояния в режим непрерывных колебаний). В автоматическом режиме (переключатель В2 замкнут) этот переход осу­ ществляется в результате открытия диода Ди, что при­ водит к шунтированию базовой цепи транзистора бло­ кинг-генератора низкоомным сопротивлением. В качест­ ве управляющего напряжения для отпирания диода Д и используется падение напряжения на манометрическом преобразователе МТ-7. Эта схема позволяет не только контролировать величину давления, но и автоматически поддерживать его на заданном уровне. При достижении заданного уровня давления, полученного в результате открытия электромагнитного клапана, мостовая измери­ тельная схема выключает блокннг-генератор, блокинггенератор перестает отпирать тиристор, который в свою очередь выключает питание магнитного клапана, и кла­ пан закрывается. Сигнализация открытия клапана осуществляется зажиганием лампы накаливания Л и включенной в токовую цепь тиристора Д\ъ-

180