Вакуумметр_тех.описание

12

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НОВГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ЯРОСЛАВА МУДРОГО

Институт электронных и информационных систем

Кафедра физики твердого тела и микроэлектроники

ВАКУУММЕТР ИОНИЗАЦИОННЫЙ-ТЕРМОПАРНЫЙ ТИПА

ВИТ-1А И ВИТ-1А-П

Выпускной аттестат, техническое описание и инструкция по эксплуатации

ВЕЛИКИЙ НОВГОРОД

2007

1 Техническое описание

1.1 Назначение прибора

Вакуумметр ионизационный-термопарный типа ВИТ-1А или ВИТ-1А-П предназначен для измерения давления и представляет собой комбинированную измерительную установку, состоящую из ионизационной манометрической лампы типа ЛМ-2, термопарных манометрических ламп, электронной измерительной схемы, схемы для питания нагревателя термопар и прибора, измеряющего термо-эдс.

Вакуумметр ионизационный-термопарный выполняется в двух конструктивных вариантах:

1. ВИТ-1А – переносный прибор настольного типа.

2. ВИТ-1А-П – панельный вариант, предназначенный для установки в различные стоечные устройства.

Оба варианта вакуумметра совершенно идентичны по прин­ципиальной (электрической) схеме и по всем техническим пара­метрам, за исключением габаритов.

Вакуумметр ионизационный-термопарный используется для работы в лабораторных и производственных условиях.

1.2 Технические характеристики

1 Общий диапазон давлений, измеряемых вакуумметром, от 2·10^-1 до 1·10^-7 мм рт. ст.

Давление в пределах от 2·10^-1 до 1·10^-3 мм рт. ст. изме­ряется термопарной манометрической лампой, от 1·10^-3 до 1·10^-7 мм рт. ст. ионизационной манометрической лампой. Последний диапазон разбит на 4 поддиапазона, определяю­щиеся положением переключатели МНОЖИТЕЛЬ ШКАЛЫ:

1-й поддиапазон (множитель 10³) от 1·10^-3 до 1·10^-4 мм рт. ст.

2-й поддиапазон (множитель 10²) от 1·10^-4 до 1·10^-5 мм рт. ст.

3-й поддиапазон (множитель 10) от 1·10^-5 до 1·10^-6 мм рт. ст.

4-й поддиапазон (множитель 1) от 1·10^-6 до 1·10^-7 мм рт. ст.

Градуировка вакуумметра дана по сухому воздуху с непосредственным обсчетом давления по шкале прибора в миллиметрах ртутного столба.

2 Вакуумметр термопарный рассчитан на работу с термопарными лампами ЛТ-4М и ЛТ-2. Изменение тока накала нагревателя термопарной лампы при изменении питающей сети на ± 10% от номинального значения 220 В, а также в течение 1 часа работы, не больше ± 2%.

Предел регулировки тока нагревателя термопарной лампы 95 до 150 μА.

3 Датчиком вакуумметра ионизационного является ионизационная манометрическая лампа ЛМ-2.

Измерение тока эмиссии ионизационной манометрической лампы ЛМ-2 при изменении питающей сети на 10% от номи­нального значения 220 В, а также и течение одного часа работы после включения напряжения сети 220 В, не больше ± 10%.

Предел регулировки тока эмиссии ионизационной манометрической лампы ЛМ-2 от 4 до 7 μА. Уход нуля усилителя во всем диапазоне измеряемых давлений при изменении питающей сети на ± 10% от номинального значения напряжения 220 В, а также в течение одного часа работы после включения напряже­ния сети 220 В, не превышает ± 3% от всей шкалы прибора.

4 Погрешность измерения давления термопарной части ва­куумметра (при напряжении питающей сети 220 В и температуре окружающего воздуха + 20 ± 5°С) в диапазоне от 1·10^-1 до 1·10^-2 мм рт. ст. может достигать ± (40 – 60)% от измеряемого давле­ния и в диапазоне от 2·10^-1 до 1·10^-1 и от 1·10^-2 до 1·10^-3 мм. рт. ст. до ± 100% и более.

Приведенная погрешность измерения давления ионизацион­ной части вакуумметра в диапазоне от 1·10^-3 до 1·10^-7 мм рт. ст. не более ± 15%.

Приведенная погрешность измерения:

а) Э.д.с. термопарной частью измерительного блока вакуумметра не более ± 6%;

б) токи накала термопарной частью не более ±3 %;

в) ионного тока ионизационной частью измерительного блока вакуумметра не более ± 5%.

Разброс зависимости э.д.с. от давления для термопарной лам­пы ЛТ-4М в диапазоне 2·10^-6 ÷ 1·10^-3 мм рт. ст. не более ± 20%, для термопарной лампы ЛТ-2 в диапазоне давлений от 1·10^-1 до 1·10^-2 мм рт. ст. не более ± 10%. Разброс манометрических по­стоянных ионизационных ламп ЛМ-2 не более ± 10%.

5 Вакуумметр питается от сети переменного тока напряжением 220 В ± 10% частотой 50 ± 0.5 Гц. Наличие в схеме феррорезонансного стабилизатора напряжения позволяет получить стабильное переменное напряжение для питания накала ламп вакуумметра ионизационного и селенового выпрямителя, питаю­щего нагреватель термопары, а также стабильное выпрямленное напряжение для питания анодных и сеточных цепей ионизацион­ной манометрической лампы и усилительной схемы.

Кроме того, схеме вакуумметра имеется электронно-маг­нитный стабилизатор тока эмиссии катода ионизационной мано­метрической лампы ЛМ-2. Наличие указанных стабилизаторов обеспечивает стабильную работу вакуумметра на всем диапазоне измеряемых давлений и повышает удобство эксплуатации прибора, не требуя частой подстройки нуля и регулировки тока эмиссии катода ЛМ-2 при продолжительной работе вакуумметра, а также регулировки тока нагревателя термопары.

6 Прибор соответствует требованиям МРТУ-4 после 15-ми­нутного прогрева и допускает непрерывную работу в течение не менее 8 часов, включая время прогрева.

7 Потребляемая прибором мощность не более 160 Ва.

8 По механическим и климатическим требованиям прибор относится ко II группе ГОСТа 9763 – 61.

9 Габариты прибора: ВИТ-1А: 396×261×246 мм;

ВИТ-1А-П: передняя панель 430×220×4 мм кожух прибора 390×225×211 мм.

10 Вес прибора не более 16 кг.

1.3 Описание схемы

1.3.1 Принцип действия

Вакуумметр термопарный

Электродвижущая сила, развиваемая термопарной лампой, определяется температурой ее нагревателя. Если в термопарной лампе, соединенной вакуумно-плотно с обследуемым объемом, ток накала нагревателя поддерживается постоянным, то э.д.с. термопарной лампы будет определяется давлением окружающего газа, т.к. изменение температуры нагревателя будет определяется теплопроводностью окружающего газа. Следовательно, при понижении давления теплопроводность газа уменьшается, температура нагревателя увеличится, увеличится и э.д.с. термопарной лампы. Зависимость величины термо-э.д.с. от давления приведена в приложении в виде градуировочнои кривой.

Вакуумметр ионизационный

В вакуумметре ионизационном для измерения давления газа используется ионизация газа, вызываемая потоком электро­нов из накаленного катода. Ионный ток, являющийся результа­том ионизации, усиливается усилителем постоянного тока и из­меряется прибором, включенным между анодами лампы усили­теля (6Н3П). Так как ионный ток при постоянном токе эмиссии (электронном токе) ионизационной манометрической лампы ЛМ-2 пропорционален давлению газа и известна величина, харак­теризующая чувствительность ионизационной манометрической лампы ЛМ-2 (10⁵ мкА/мм рт. ст.), то прибор усилителя отградуи­рован непосредственно в единицах давления (мм рт. ст.).

Ионизационная манометрическая лампа ЛМ-2 является трио­дом, на анод которого подается отрицательный потенциал по от­ношению к катоду, равный 25 В, а на сетку – положительный, равный 200 В (см. рисунок 1).

Рисунок 1 – Ионизационная манометрическая лампа ЛМ-2

Положительные ионы будут собираться на аноде (коллекторе) ионизационной манометрической лампы ЛМ-2, находящемся под отрицательным потенциалом относительно катода и сетки.

Ионный ток с коллектора ионизационной манометрической лампы ЛМ-2 подается на вход усилителя, собранного по баланс­ной схеме на лампе 6Н3П, и регистрируется прибором, включен­ным между анодами этой лампы. Прибор отградуирован в милли­вольтах.

1.3.2 Схема прибора

Схему вакуумметра ВИТ-1А и ВИТ-1А-П составляют:

а) феррорезонансный стабилизатор напряжения;

б) схема питания вакуумметра термопарного;

в) выпрямитель вакуумметра ионизационного;

г) электронно-магнитный стабилизатор тока эмиссии катода ионизационной манометрической лампы ЛМ-2;

д) усилитель ионного тока.

Рисунок 2 – Блок-схема прибора

Феррорезонансный стабилизатор напряжения

Феррорезонансный стабилизатор напряжения представляет собой тороидальный трансформатор (поз. 19) с группой конденсаторов (поз. 14, 15), соединенных между собой параллельно включенных последовательно с первичной обмоткой трансформатора.

Первичная обмотка трансформатора (поз. 19) имеет три отвода, при помощи которых подбирается ток первичной обмотки.

Емкость конденсатора выбрана равной 3.0 мкФ с таким расчетом, чтобы ток первичной обмотки трансформатора (поз. 19) при полной нагрузке его был порядка 0.55 – 0.6 ампера; при этом изменение напряжения на вторичных обмотках трансформа­тора при изменении напряжения питающей сети на ± 10% от номинального напряжения 220 вольт составляет не более ± 1.5%, а нагрев трансформатора не превышает 50 – 60С.

При токе в первичной обмотке, большем, чем 0.6 А, увеличи­вается нагрев трансформатора, а при токе, меньшем чем 0.55 А, ухудшается стабилизация напряжения на нагрузке. Феррорезо­нансный стабилизатор питает накальные цепи всех ламп, анод­ную цепь выпрямителя, селеновый выпрямитель.

Схема питания вакуумметра термопарного

Выпрямитель для питания вакуумметра термопарного со­бран на селеновом выпрямителе типа АВС-25-22 (поз. 12).

Выпрямитель представляет собой однофазную мостовую схе­му, в диагональ которой параллельно нагрузке включен филь­трующий электролитический конденсатор (поз. 13). Нагрузкой выпрямителя является нагреватель термопарной лампы, последо­вательно с ним включены балластные сопротивления (поз. 8 и 9), величина которых в сумме в 80 – 100 раз больше сопротивле­ния самого нагревателя.

Следовательно, изменение сопротивления самого нагревате­ля мало скажется на изменении полного сопротивления нагрузки на питающий выпрямитель, что обеспечивает стабилизацию тока нагреватели термопарной лампы при изменении вакуума во всем диапазоне измеряемых давлений.

Ток нагревателя и э.д.с. термопарной лампы измеряются од­ним и тем же прибором (поз. 2), который при помощи переклю­чателя (поз. 3) подключается либо к концам термопары (положе­ние ИЗМЕРЕНИЕ), либо в цепь нагревателя (положение ТОК НАКАЛА).

Регулировка тока нагревателя осуществляется реостатом (поз. 9) с гравировкой РЕГУЛИРОВКА ТОКА НАКАЛА в пре­делах от 95 до 150 миллиампер. Отсчет тока нагревателя производится по нижней шкале прибора термопарного вакуумметра (поз. 2) с нанесенными на нее делениями от 70 до 150 миллиампер.

2 Инструкция по эксплуатации

2.1 Подготовка к работе

Перед включением вакуумметра необходимо убедиться, что накал ионизационной манометрической лампы ЛМ-2 выключен, т. е. выключатель с гравировкой НАКАЛ ЛМ-2 поставлен вниз – против указания стрелки.

2.1.1 Вакуумметр термопарный

Работа с термопарной лампой тип ЛТ-2

В связи с тем, что термопарная лампа ЛТ-2 выпускается заводом изготовителем в запаянном и откачанном (до 10^-4 – 10^-5 мм рт. ст.) виде, можно предварительно проверить работоспособность вакуумметра термопарного путем непосредственного измерения вакуума в термопарной лампе ЛТ-2 до ее вскрытия. Это производится следующим образом: подключить кабель питания к термопарной лампе, второй конец его подключить к вакуумметру; поставить реостат РЕГУЛИРОВКА ТОКА НАКАЛА в крайнее левое положение, переключатель ТОК НАКАЛА – ИЗМЕРЕНИЕ в положение ТОК НАКАЛА.

Включить штепсельную вилку в сеть 220 Вольт. Включить тумблер ТЕРМОВАКУУММЕТР и тумблер СЕТЬ 220 В, при этом должна загореться сигнальная лампа (слева на панели).

Реостатом РЕГУЛИРОВКА ТОКА НАКАЛА установить по •нижней шкале прибора термовакуумметра ток порядка 110 мил­лиампер.

Если ток накала регулируется и при установке переключате­ля ТОК НАКАЛА – ИЗМЕРЕНИЕ в положение ИЗМЕРЕНИЕ стрелки прибора отклоняется, то вакуумметр и термопарная лам­па работоспособны.

После проверки на работоспособность необходимо подобрать рабочий ток нагревателя термопарной лампы (с запаянной термопарной лампой), для этого поставить переключатель ТОК НАКАЛА – ИЗМЕРЕНИЕ в положение ИЗМЕРЕНИЕ и реостатом РЕГУЛИРОВКА ТОКА НАКАЛА установить стрелку измеритель­ного прибора на конец шкалы. Перевести переключатель ТОК НАКАЛА – ИЗМЕРЕНИЕ в положение ТОК НАКАЛА и по ниж­ней шкале измерительного прибора отсчитать ток накала в мил­лиамперах – это и будет рабочий ток нагревателя чанной тер­мопарной лампы ЛТ-2.

Измерение давления с термопарной лампой ЛТ-2 производит­ся следующим образом: отрезать запаянный конец трубки термопарной лампы ЛТ-2 и соединить термопарную лампу вакуумно-плотно с обследуемым объемом. Поставить переключатель ТОК НАКАЛА – ИЗМЕРЕНИЕ в положение ТОКА НАКАЛА и рео­статом РЕГУЛИРОВКА ТОКА НАКАЛА установить рабочий ток нагревателя данной термопарной лампы (подобранный указан­ным выше способом).

Поставить переключатель ТОК НАКАЛА – ИЗМЕРЕНИЕ в положение ИЗМЕРЕНИЕ и сделать отсчет в милливольтах.

Отсчет в милливольтах перевести в единицы давления (мм рт. ст.) по градуировочной кривой термопарной лампы ЛТ-2, прилагаемой к инструкции.

Работа с термопарной лампой ЛТ-4М

Измерение давления при помощи термопарной лампы ЛТ-4М производится следующим образом: соединить вакуумно-плотно термопарную лампу с обследуемым объемом; подключить кабель питания к термопарной лампе, второй конец кабеля подключить к вакуумметру; поставить реостат РЕГУЛИРОВКА ТОКА НАКА­ЛА в крайнее левое положение; включить штепсельную вилку и сеть 220 Вольт; включить тумблер ТЕРМОВАКУУММЕТР и тум­блер СЕТЬ 220 В, при этом должна загореться сигнальная лампа; поставить переключатель ТОК НАКАЛА – ИЗМЕРЕНИЕ в по­ложение ТОК НАКАЛА; установить по нижней шкале прибора ра­бочий ток нагревателя, указанный на баллоне данной термопар­ной лампы ЛТ-4М; перевести переключатель ТОК НАКАЛА – ИЗ­МЕРЕНИЕ в положение ИЗМЕРЕНИЕ и сделать отсчет в милли­вольтах. Отсчет в милли­вольтах перевести в единицу давления (мм рт. ст.) по градуировочной кривой термопарной лампы ЛТ-4М, прилагаемой к инструкции.

2.1.2 Вакуумметр ионизационный

Для измерения давления в обследуемом объеме ионизационная манометрическая лампа ЛМ-2 должна быть вакуумно-плотно соединена с этим объемом.

Так как завод-изготовитель выпускает ионизационные мано­метрические лампы ЛМ-2 в запаянном виде, имеющими степень откачки порядка 10^-5 мм рт. ст., то можно проверить работо­способность вакуумметра путем непосредственного измерения ва­куума в самой ионизационной манометрической лампе ЛМ-2 до его вскрытия

После такой проверки необходимо ионизационную маномет­рическую лампу вскрыть – обрезать конец стеклянной трубки манометрический лампы. Баллон ионизационной манометрической лампы ЛМ-2 изготавливается из молибденового стекла и, следовательно, ионизационная манометрическая лампа может быть не­посредственно припаяна к вакуумной системе только из того же стекла. Во всех других случаях ионизационная манометрическая лампа может быть присоединена к обследуемому объему с по­мощью какого-либо надежного перехода (высокочастотный спай стекла ионизационной манометрической лампы с медной или коваровой трубкой или качественно-вакуумного уплотнения).

Установить ионизационную манометрическую лампу ЛМ-2 не­обходимо в вертикальном положении – цоколем вниз или вверх.

ПРИМЕЧАНИЯ: Вакуумметр проградуирован по сухому воздуху. При использовании вакуумметра для измерения давления других га­зов или их смесей необходимо производить специальную градуировку ионизационных манометрических ламп.

Перед включением вакуумметра ионизационного необходимо убедиться (при помощи термопарного, магнитного или другого какого-либо вакуумметра), что давление в обследуемом объеме не выше, чем 10^-3 мм рт. ст.

Включение ионизационной манометрической лампы ЛМ-2 при давлении выше, чем 10^-3 мм рт. ст. может привести к прежде­временному выходу ее из строя.

Длительная работа ионизационной манометрической лампы ЛМ-2 при давлениях 10^-3 ÷ 10^-4 мм рт. ст, сокращает срок ее службы.

2.2 Методика работы с прибором

1 Присоединить кабель к ионизационной манометрической лампе ЛМ-2, соединенный вакуумно-плотно с обследуемым объ­емом, другой конец кабеля соединить с вакуумметром.

2 Поставить правый верхний переключатель в положение ПРОГРЕВ, средний переключатель под прибором – в положение УСТАНОВКА НУЛЯ, переключатель под прибором М24-12 – в положение ИЗ­МЕРЕНИЕ.

3 Включить сеть (переключателем СЕТЬ 220 В), при этом должна загореться сигнальная лампа, расположенная рядом с переключателем. Дать вакуумметру в течение 2 – 3-х минут про­греться.

4 Отрегулировать усилитель ионного тока. Для этого необхо­димо поставить переключатель под прибором вакуумметра иони­зационного в положение ИЗМЕРЕНИЕ, переключатель шкалы – в положение «10³» и потенциометром РЕГУЛИРОВКА НУЛЯ установить стрелку измерительного прибора на нуль шкалы.

5 Вакуумметром термопарным проверить давление в отка­чиваемой системе. Если давление ниже чем 10^-3 мм рт. ст. то можно подготовить вакуумметр ионизационный к измерению дав­ления. Для того необходимо поставить переключатель МНО­ЖИТЕЛЬ ШКАЛЫ в положение «10^-3» переключатель под при­бором – в положение ЭМИССИЯ.

6 Переключателем НАКАЛ ЛМ-2 включить накал иониза­ционной манометрической лампы ЛМ-2. В это время должна за­гореться сигнальная лампа, находящаяся рядом с переключате­лем, а стрелка прибора установится на середине шкалы – возле риски с индексом «А».

7 После прогрева сетки ионизационной манометрической лам­пы ЛМ-2 в течение 10 – 15 минут надо, правильно установить ток эмиссии ионизационной манометрической лампы ЛМ-2; для этого необходимо верхний правки переключатель перевести из положения ПРОГРЕВ в положение ИЗМЕРЕНИЕ и потенциометром РЕГУЛИРОВКА ЭМИССИИ перевести стрелку прибора на риску с индексом «А», что соответствует току эмиссии 5 миллиампер.

ПРИМЕЧАНИЕ. Не следует регулировать эмиссию при прогреве сетки ЛМ-2.

8 Произвести калибровку чувствительности усилителя. Для этого необходимо поставить переключатель шкалы в положение КАЛИБРОВКА и потенциометром КАЛИБРОВКА установить стрелку измерительного прибора на конец шкалы, предварительно установив переключатель под прибором ЭМИССИЯ – ИЗМЕРЕ­НИЕ в положение ИЗМЕРЕНИЕ.

ПРИМЕЧАНИЕ. Ток эмиссии должен быть установлен точно 5 миллиампер (риска «А»).

9 После того как стрелка прибора установлена на нуль шка­лы, правильно установлена калибровка прибора, прогрета сетка ионизационной манометрической лампы и правильно установлена величина тока эмиссии ионизационной манометрической лампы ЛМ-2, равная 5 миллиампер, можно производить измерение давления в ис­следуемом объеме.

Для этого необходимо:

а) установить переключатель под измерительным прибором в положение ИЗМЕРЕНИЕ;

б) переключатель шкалы установить в такое положение, при котором отсчет по измерительному прибору будет достаточно хо­рошим. Давление в измеряемом объеме равно отсчету по изме­рительному прибору, умноженному на соответствующий множи­тель переключатели шкалы.

ПРИМЕР. Если стрелка измерительного прибора показывает 6·10^-7 мм рт. ст. при этом переключатель шкалы находится в положении 10², то давление в измеряемом объеме будет 6·10^-7×10² = 6·10^-5 мм рт. ст.. Если стрелка прибора показывает 2·10^-7,а переключатель шкалы поставлен в положение 10³, то давление в измеряемом объеме будет: 2·10^-7×10³ = 2·10^-4 мм рт. ст. и т. д..

ВНИМАНИЕ! Если при вакууме порядка 10^-5 ÷ 10^-7 мм рт. ст. наблюдается зашкаливание стрелки влево, то для устранения этого явления достаточно включить между выводами коллектора ЛМ-2 и коллекторным проводником шланга, соединяющего ЛМ-2 с прибором, сопротивление любого типа порядка 100 – 500 Ом или «дроссель», представляющей собой 10 – 15 витков медного провода (марки ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0.5 – 0.8 мм), намотанного на обычный карандаш.

Рисунок 3 – Градуировочная кривая лампы ЛТ-2