автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Основы разработки, конструирования и расчета альфа-ионизационного преобразователя давления, работающего в области пониженных давлений

На правах рукописи

ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ, КОНСТРУИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА АЛЬФА-ИОНИЗАЦИОННОГО' ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ, РАБОТАЮЩЕГО В ОБЛАСТИ ПОНИЖЕННЫХ ДАВЛЕНИЙ.

Специальность: 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-1996

Работа выполнена на кафедре Электронные приборы Московского энергетического института (Технического университета)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

ФИНАТЬЕВ Ю.П.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор Макаров В.Н. кандидат физико-математических наук, доцент Головчанский Е.М.

Ведущая организация - Научно - производственная фирма

инженерной продукции ИНПРО

Защита диссертации состоится " № " им.и_ 1996 ]

в аудитории в /Г часов о-У минут на заседании Диссертации ного Совета Д.053.16.13 Московского энергетического институ ( технического университета ).

Отзывы ( в двух экземплярах, заверенные печатью ) просим на] равлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.1< Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в научно - технически библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан "_" 1996 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета к.т.н., доцент

И.Г.Бур!

- а -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы: Разработка первичных преобразователей и исследование особенностей их работы в различных режимах представляют )дну из важнейших задач современного промышленного производства. Поучение информации о состоянии контролируемого объекта в полном объеме с высокой степенью надёжности и достоверности позволяет активно шешизаться в управление технологическим процессом.добиваясь тем са-<ым значительного повышения уровня автоматизации промышленного произ-юдства.

Существующие теоретические представления о работе альфа-иониза-даонного преобразователя в области пониженных давлений явно недостатки и оказываются справедливыми в узких диапазонах введенных огра-:ичений и упрощений:

dE/dX = const; L < R; T = const; I * f(U).

Хотя представления о физических процессах, протекающих в объеме реобразователя давления, существенно упрощены, описание рабочих ха-актеристик при различных условиях их эксплуатации вызывает значи-ельные трудности. Не существует анализа работы альфа-ионизационного реобразователя в режимах детектирования температуры, влажности и .д.. Поэтому расчет и проектирование конструкции альфа-ионизационно-о преобразователя, предназначенного для решения конкретной практи-еской задачи, оказывается весьма приближенным и не отвечает всем ребованиям современного промышленного производства. В связи с чем ыше перечисленные проблемы, возникающие при расчете и конструировали альфа-ионизационных преобразователей, представляются в высокой гепени актуальными, а их решение практически полностью удовлетворит /ществующие запросы промышленного производства и значительно расши-<1Т область их практического применения.

Целью диссертационной работы является разработка конструкции тьфа-ионизационного преобразователя, работающего в области понижен-jx давлений в широком интервале рабочих температур; исследование фи-(ческих процессов, протекающих в рабочем объеме и определяющих его 1бочие и метрологические характеристики; создание математической мо->ли, обеспечивающей надежную оценку основных конструктивных и метро-)гических параметров преобразователя; оценка возможности работы

предлагаемого преобразователя в составе комплекта электронной мано метрической аппаратуры (КЭМА).

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие

задачи:

1. Анализ имеющихся конструктивных решений альфл-иониэационны преобразователей давления и существующих представлений о физически процессах, протекающих в их рабочем объеме.

2. Исследование особенностей конструкции и работы однокамерног альфа-ионизационного преобразователя давления, а также способов рас чета его рабочих и метрологических характеристик.

3. Иссл>*доисШие работы ¿ипфо ионизационного преобразователя дав ления в режиме детектирования давления, влажности и температуры конт родируемой газообразной среды.

4. Разработка конструкции альфа-ионизационного преобразовател давления, работающего в области пониженных давлений в широком интер вале рабочих температур, с пониженным уровнем фонового тока и ослаб ленными флуктуациями рабочего тока. Исследование его рабочих и метро логических характеристик.

5. Разработка математической модели предлагаемой конструкщ преобразователя, обеспечивающей надежную оценку его метрологических рабочих параметров.

6. Исследование работы предлагаемого преобразователя в состаЕ комплекта электронной манометрической аппаратуры как возможной облас ти практического его применения.

Методы исследования. При решении задач исследования использовг лись методы физического эксперимента, теоретической и прикладной мет рологии и численные методы анализа.

Достоверность и надежность полученных в работе экспериментами! и теоретических результатов определяется их сопоставлением и сооч ветствием расчетных данных экспериментально полученным. А также опр« деляется целым комплексом методических приемов, в которые входяч статистическая обработка результатов измерения и определение их стг тистических характеристик при доверительной вероятности 0,95; испол! зование контрольно-задающего оборудования с высокими метрологические характеристик^:; контрольные измерения рабочих характеристик ЯП {

специализированных стендах ЦАГИ им.Н.Е. Жуковского, имеющих специальное метрологическое обеспечение.

Научная новизна.

1. Проведено систематическое исследование конструктивных особенностей и современных представлений о работе альфа-ионизационных преобразователей в широкой области их практического применения. Установлено, что существующие теоретические представления справедливы только з области введенных ограничений и допущений.

2. Положив в основу уравнение потерь энергии Беге и Блоха с учетом аппроксимации Гейгера, в работе выполнен расчет энергии аль-Е)а-частицы, теряемой ею на произвольном участке пути, что позволило уценить влияние геометрических параметров преобразователя на вид его зыходных характеристик.

3. Исследование работы однокамерного альфа-ионизационного преобразователя в режимах детектирования давления, температуры и влажности сонтролируемой газообразной среды (ГС) позволило не только определить ¡увствительность преобразователя к изменению оцениваемого параметра, ю и установить степень влияния основных дестабилизирующих факторов ¡а устойчивость его рабочих характеристик.

4. В работе предлагается принципиально новая конструкция аль-за-ионизационного преобразователя давления (ос-ИЩ) с расщепленным шодом , которая по своим конструктивным особенностям относится к шогокамерным, сохраняя, в то же самое время, основные черты однока-герных. При этом, благодаря высокой прозрачности электродной системы, феобразователь обладает пониженным уровнем фонового тока и незначи-'ельными флуктуациями ионизационного тока.

5. Приведенные в работе соотношения, описывающие потери энергии шьфа-частицами на произвольном участке пути, ■ и функциональные зави-:имости I (Р, N. и, Т); д(Р,Т); й(Р,11) положены в основу математической юдели преобразователя. Данная математическая модель позволила связать величину ионизационного тока с геометрическими параметрами пре-|бразователя, получить исчерпывающую информацию о величине рабочего ;иапазона, чувствительности преобразователя и линейности его рабочей арактеристики. Это решило проблему инженерного расчета такого вида реобразователей.

6. Высокая точность (±17.) и высокая стабильность рабочих харак теристик обеспечивают пригодность преобразователей данного типа дл контроля давления в аэродинамических трубах, что значительно расширя ет область практического применения исследованных в работе альфа-ио низационных преобразователей давления.

Практическая ценность работы. На основании проведенного исследо вания процессов электропереноса в газообразных средах предложен принципиально новая модель альфа-ионизационного преобразователя дав ления, способного работать в области пониженных давлений (0.01 - 100 мм.рт.ст. в широком интервале рабочих температур с достаточно высоко точностью (±17.).

Предложенная в работе математическая модель такого преобразова теля практически полностью решила проблему инженерного расчета гаки преобразователей.

Тщательные многократные испытания опытной партии разработаннь преобразователей в различных лабораториях научных центров России (ИИ им.К.Федорова, ЦАГИ им.Е.Жуковского, СШЭИ) показали, что практическ полное совпадение градуировочных параметров ( Сх, N1,6) всех пове ряемых альфа-ионизационных преобразователей (в.пределах ±3%) указывг ет на незначительный разброс их метрологических характеристик, обес печиващий стабильность инструментальной погрешности. При изготовле нии партии таких преобразователей нет необходимости в индивидуально тарировке отдельно взятого преобразователя, что значительно увеличи вает технологичность изготовления таких преобразователей за счет иен лючения ряда технологических операции.

Кроме того, проведенные испытания показали не только принципу альную пригодность преобразователей такого типа для замены ПМИ-45 ИМИ-47 в комплектах манометрической электронной аппаратуры, но и д; контроля давления в аэродинамических трубах,что значительно расширяв область практического применения исследованных в работе сс-ВД.

Основные положения, выносимые на защиту: 1. Описание процесса электропереноса в слабоионизированных газг при заданных геометрических параметрах ионизационного преобравовате; давления в рамках обобщенной математической модели разрядного проме жутка.

2. Способы повышения чувствительности рабочих характеристик ионизационных преобразователей к изменению контролируемого параметра и расширению рабочего диапазона измеряемых давлений, в основе которых лежит неоднородность потерь энергии «-частицей на длине ее пробега.

3. Принципиально новая конструкция к-ВД, основной отличительной особенностью которого является наличие расщеплённого анода, что позволяет значительно снизить уровень фонового тока, уменьшить флуктуации ионизационного тока и обеспечить требуемую точность измерения контролируемого параметра.

4. Способы расчета ионизационного преобразователя, работающего в области пониженных давлений в основе которых лежит его математическая модель.

5. Результаты экспериментального исследования и математического моделирования рабочих характеристик преобразователя.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке комплекса навигационной аппаратуры управления аэростатом, что позволило повысить точность определения высотного положения объекта, а также результаты испытаний предложенных в заботе преобразователей в ЦАГИ им.Жуковского показали принципиальную :ригодность их для аэродинамических труб.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докрывались и обсуждались: на XI Всесоюзной конференции "Динамика разнеженных газов" (г.Ленинград 8-13 июля 1991 г.); на Международной конференции "Датчик - 93" (г.Барнаул 1993г.); на III Харьковской ва-суумной конференции (г.Харьков 1993г.); на научном семинаре кафедры 'Электронных приборов" МЭИ (г.Москва апрель 1994 г.)

Публикации. Общее количество публикаций по теме диссертационной )аботы составляет 10 научных работ опубликованных в тезисах докладов 'рех научно-технических конференций, в сборниках научных трудов СФ 1ЭИ, а также в научно-технических отчетах кафедры измерительной тех-[ики СЗМЭИ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, яти глав, заключения, изложенных на 175 страницах машинописного екста, иллюстрированного 46 рисунками, 24 таблицами, списка цитируе-ой литературы из 140 наименований и двух приложений.

С0ДЕР1АНИЕ РАБОТУ

Во введении обоснована актуальность проблемы, связанная с уменьшением уровня фонового тока, флуктуации ионизационного тока,а также эффективностью сбора ионов в рабочем объёме ионизационного преобразователя и особенностью расчета рабочей характеристики;сформулированы цель и 8адачи работы; , показана научная новизна и практическая ценность результатов исследования; приведено краткое содержание работы.

Первая глава носит обзорный характер, посвящена изложению и анализу литературных данных по существующим конструкциям альфатронов за последние десятилетия, приводится классификация их по конструктивным особенностям, из которых наглядно видно, что рассматриваемые преобразователи представляют собой систему электродов, помещенную в частично ионизованную ГС, отличающиеся количеством и формой электродов, геометрией расположения их в пространстве, видом и мощностью ионизатора.

Дается обзор теоретического описания работы таких преобразователей, где указывается на недостаточную полноту и завершенность теоретического описания работы альфатронов, обусловленные введением ограничений и предположений:

- ионизационная способность «-частиц не зависит от их координаты, т.е. (1Е/с1х=соп51;

- ионизационная камера работает в режиме глубокого насыщения;

- линейный размер камеры ионизационного преобразователя (ИП) выбирается, исходя из соотношения Ь<<И, где Я-длина пробега а-частицы; и др.

Также описываются проблемы электрометрии - измерения токов малой величины (менее 10~9А) и точностные параметры альфатронов,определяемые аппаратурной погрешностью, влиянием флуктуации ионизационного тока и особенно заменой истиной зависимости 1(р) на линейную часть характеристики 1(Р).

В конце главы сформулированы задачи дальнейшего исследования. Во второй главе рассматриваются современные представления о процессах электропереноса в частично ионизированных ГС, лежащие в основе работы и расчета ИП.

Проводимость ГС представляет собой сложный динамический процесс, который в случае простейаэй ионизационной камеры, имеющей вид плоско-

го конденсатора, может быть описан системой дифференциальных уравнений типа:

Г <1 (12П1

N - « щпг - -|11- (П1 Е) - -

¿х dx2

с! с12П2

N - « П1П2 - - (П2 Е) - 02 - (1)

] dx с!х2

4 Л Я (ГЦ - П2) = -

dx

с1П1 dП2

о = Ч ( Е (Д1 щ + (12 П2) - 01--В2-].

^ ¿х dx

Здесь N - мощность ионизатора; щ, пг - концентрации положительных и отрицательных зарядов; щ, Ц2 - подвижности простейших электрических зарядов,01 и Бг - их коэффициенты диффузии; - коэффициент рекомбинации заряженных частиц и величина их элементарного заряда; Е,^ -напряжённость электрического поля и плотность ионизационного тока в разрядном промежутке.

В литературе существует большое количество различных эмпирических, полуэмпирических выражений, сконструированных многими авторами, в той или иной степени решающие эту систему уравнений. К ним относятся:

Г11 = П2 ( и/с< )1/2; 3 = Ч п Е ( щ - Ц2 ) I

I (б2 - 1 )1/2

— = - , (2)

1Н б2 агс^(б2 - 1) I = 1н ( 1 - а/и ) и т.д., где б-параметр среды; а-экспериментально определяемый"коэффициент.

Но все они имеют свои недостатки, а именно, наличие в них произвольных констант, параметров,допущений, требующих предварительной оценки, что резко снижает область их практического применения.

Наиболее удачным решением этой системы является уравнение, связывающее основные параметры электропереноса: коэффициента рекомбина-

ции ионов сс, их подвижность ц и мощность ионизатора N.

3 - N ч с! С1 - ехр(-ц*Е / <1 /Та)] (3)

Значения перечисленных параметров оцениваются достаточно сложно и для определения их проводят специальные исследования.

Для расчета коэффициента рекомбинации а в воздухе с учетом влияния внешнего поля в некоторых работах используется метод статистических испытаний (метод Монте-Карло). Он хоть не углубляет наших представлений о физической природе процессов рекомбинации, но обеспечивает получение достаточно точного эначения коэффициента рекомбинации.

Величина мощности ионизатора N определяет уровень ионизационного тока в объёме ИП. В свою очередь мощность ионизатора определяется соотношением:

1 dE

N = — *-, (4)

£ <1Х

где г - удельная энергия образования одной пары ионов в эВ; с1Е/с!х - потери энергии альфа-частицей на единице пути в эВ, которые определяются уравнением Бете и Блоха:

с1Е 4 к е4гх2 2 ш V2

N Z In- , (5)

dX m v2 I

где E - энергия альфа-частицы; v и zie - соответственно скорость и заряд её; ш и е - масса и заряд электрона; N,Z,I - концентрация, атомный номер и средний потенциал ионизации атомов тормозящей среды.

Принято считать, что на начальных участках пробега а-частицы (L<<R), её ионизационная способность с некоторой погрешностью может быть принята постоянной, т.е. dE/dx=const. В результате ДЕ = const Е0 Р Дх (6)

Для более точного описания зависимости dE/dx=f(х) следует отказаться от условия L<<R и воспользоваться полным уравнением Бете и Блоха. В этом случае нахождение энергии теряемой «-частицей в объёме ИП сводится к интегрированию уравнения (5) в пределах от xi до хг

рХг а

ДЕ(х) = -In bv2(x) dx. (7)

^Xl vz(x)

(8)

Используя аппроксимацию зависимости скорости движения альфа-частиц от пройденного расстояния в виде

У(Х) = у0 (1 - х/ю1/п , п » 1,2.3,... интегрирование даёт систему уравнений для расчета рхг а Р -1п Ьу02(1-х/Ю2/п-с1х.

ДЕ(х) = XI"

(9)

у02(1-х/Ю2/п

Не трудно видеть, что зависимость ДЕ(х) полностью определяется видом функции У(х).

гУ2 с1у 2 Ру2 1п у

У(х) =

1п с

УГ

,2/п

П У!0

,2/п

¿У

(10)

Таким образом,использованные в работе соотношения (8-10) позволяют рассчитать величину энергии, теряемой «-частицами на произвольном участке траектории их движения, и тем самым определить уровень ионизационного тока при различных давлениях контролируемой ГС. Точность получаемых решений составляет порядка 107..

Такие параметры,как диапазон измеряемых давлений, линейность выходной характеристики, чувствительность и т.п.,определяются геометрическими размерами преобразователя. Исследование этого вопроса в работе проводилось с помощью математической модели разрядного промежутка. Для вычисления среднего' пробега <Дх> альфа-частиц в объёме ИП и теряемой ими при этом энергии <ДЕ> используется метод статистических испытаний, в предположении, что координаты и углы вылета альфа-частиц равномерно распределены в некоторых интервалах.

1 п 1 п -

< Дх > =—ЕДх(1); < ДЕ > »—£ ДЕ(1). (И) п 1-1 п '"п

При значениях п более 1000 точность результатов достигает 1%.

Т.о. изложенные выше теоретические представления" позволяют провести полный расчет ИП, определить основные его параметры:

- диапазон измеряемых давлений;

- чувствительность ИП к изменению давления;

- линейность рабочей характеристики;

- основные геометрические размеры преобразователя;

- мощность радиоактивного элемента и др.. Третья глава посвящена исследованию работы однокамерного ИП ] различных режимах детектирования (давления,температуры,влажности): расчету рабочих характеристик ИП с помощью его математической модел] (ММ) и сопоставлению их с экспериментально полученными.

При исследовании работы преобразователя в режиме детектировали! давления зависимости ионизационного тока от величины приложенное напряжения I(U) и от давления ГС I CP) определялись с помощью ММ. Величина ионизационного тока находится по соотношению

I(U,P) = N(P)qdU - exp(-n(P)*U/d |/k(P)*a(P) )] (12) где a*P0*Ro

ДЕ(х) = -V(x) , N(P) = ДЕ(х)*А/е (13)

vo2

Для облегчения расчетов представленные соотношения были заменены аппроксимирующим их уравнением, впервые приведенного Пантюховым С.Т.

А*Е0 г х х2 х3

IH = 0.8*q

+ 0.2*--0.2*-

(14)

И R2 R3

Далее в работе оценивается влияние температуры ГС на величину тока ] на вид характеристик однокамерного Ш 1(Р),1(Ю, считая,что И(Т) = к[(1-х/Ит)1/31п се2/3(1-х/^т)-1п се2/3] (15) Р0 ¡?о Т ■

где --* — ,

Р То

длина пробега альфа-частицы при нормальных условиях; Кт- дли» пробега альфа-частицы в условиях рассматриваемого опыта. Так было показано,что при сильном охлаждении преобразователя, особенно при повышенных давлениях, камера может выйти из режима насыщения ] потерять линейность своей рабочей характеристики.

Исследуя работу ИП в режиме детектирования влажнЬсти ГС в работа кратко излагаются механизмы изменения ионизационного тока с роста влажности ГС. Эти механизмы основанны на изменении поперечного сечения, взаимодействии ионов с молекулами ГС, изменении подвижности носителей электрического заряда и др. Но все они оказываются довольн< сложными, обладают узким диапазоном детектирования и т.д.

Говоря о зависимости тока от влажности ГС, важно оценить величи-у изменения ионизационного тока преобразователя за счет изменения одвижности ионов с ростом влагосодержания ГС. С этой целью в работе спользуется уравнение Ланжевена

II = 13,876 / ^ай, (16)

де М-масса иона;

«-среднее значение поляризуемости , которое находится как й = ( £ - 1 )/4 Л п, де г-диэлектрическая проницаемость влажного воздуха; п-число поляризующихся молекул воздуха в единице объёма.

Проведенные исследования показали, что подвижность элементарного она с ростом относительной влажности ГС убывает практически по ли-ейному закону. При изменении относительной влажности воздуха на 1007. одвижность иона уменьшается всего на 10?..

Таким образом, описание влагометрических характеристик ИП с по-ощыо усредненных параметров, характеризующих подвижность ионов во лажной среде, дает не только представление о механизме изменения ио-изационного тока с ростом влагосодержания ГС, но и позволяет оценить стойчивость рабочих характеристик ИП к изменению влажности контроли-уемой среды.

Для экспериментального исследования рабочих характеристик Ш1Д в, азличных газообразных средах в широком диапазоне давлений и темпера-ур была разработана экспериментальная установка, с помощью которой роведено экспериментальное изучение зависимостей 1(Р) - рис.1, (и)-рис.2 и т.д.

Иотн.ед ) А # N --» 4 ---3

4 / \ Ч ^ 2 "- I

500

1000

1500

2.3,4 - и - (100,200,300.400) Б

Рис.1.

2000

р MM.PT.CT.

М010А/СМ2 3

---- 2 I

100 200 300 1КВ)

1,2,3 - Р - (200, 500, 1000) мм.рт.ст.

Рис.2.

Статистическая обработка результатов измерения давления с помощью однокамерного преобразователя показала, что:

- случайная погрешность отдельных результатов измерения составляет 2-3% при доверительной вероятности 0,95;

- среднее арифметическое значение случайной погрешности результатов измерений порядка 0,4% и не зависит от диапазона измерений;

- для обеспечения необходимого соотношения между систематическое ошибкой и средним арифметическим значением случайной погрешности необходимо произвести около семи измерений.

Сопоставление теоретически полученных результатов с результатам экспериментального исследования однокамерного Ш говорит о хорошем и> согласии не только в качественном,но и в количественном отношении.

В четвертой главе приводятся результаты исследования повышена чувствительности преобразователя к изменению контролируемого параметра ГС, расширения диапазона измеряемых давлений. Предлагается принципиально новая конструкция «-ЖЩ, отличительной особенностью которо! является повышенная чувствительность и значительно пониженный уровеш фонового тока. Проводится расчет зависимости ионизационного тока он давления для ИП с несколькими рабочими объёмами. Оценено влияние геометрических параметров преобразователя на вид его рабочих характеристик, а также эффективность параметров разработанного а-ИПД.

В работе было проведено исследование зависимости ионизационны) потерь энергии «-частицами от давления и пройденного ими пути,причем, критерием чувствительности ионизационных потерь ос-частицы к изменении давления на различных участках её траектории служит величина ¥(х,Р)

¥(х,Р) = [а/у02(1-хР/1?оРо)]*[1п Ьу02(1-хР/^Ро)- 1] (17) Изменяя давление в пределах од- Таблица 1

ного рабочего диапазона, изменяется и чувствительность преобразователя, что не может не сказаться на линейность рабочей характеристики, а следовательно, на точностных параметрах.

Результаты расчета изменения относительной чувствительно-

N П/П Р мм.рт.ст ¥(х,Р)/¥(х,Р=50)

Ь=1см Ь=2см 1,=3см

1 50 1,000 1,000 1.000

2 100 1.018 1.039 1.061

3 150 1.038 1.082 1.131

4 200 1.059 1.128 1.210

5 250 1.080 1.179 1.300

6 300 1.103 1.234 1.410

сти внутри одного рабочего диапазона приведены в табл. 1., из которой видно, что при уменьшении расстояния, проходимого альфа-частицей в рабочем объёме преобразователя, стабильность работы и чувствительность значительно повышаются.

Конструкция разрабатываемого преобразователя должна обеспечивать:

- эффективность использования энергии «-излучения;

- линейность рабочей характеристики;

- получение наибольшего объёма информации о давлении ГС;

- равномерности электрического поля в рабочем объёме ИП и др. Более полно этим требованиям отвечает, предложенная в работе, конструкция многоэлектродной ионизационной камеры с расщепленным анодом, расчетная схема которого приведена на рис.3.

шнпнпиипш/ш/ти/

4

1^2 ч \ X! / \/)<3! -1 - ИЗ—

1Й2 й-

Рис.3, где 1- источник альфа-излучения с цилиндрической излучающей поверхностью;

2 - расщепленный анод;

3 - коллектор; 4 - ме-4 таллический герметич-.

ный корпус.

/////////////////////////////// Такая конструкция ИП соединяет в себе как бы две ионизационные камеры, каждая из которых имеет рабочее расстояние К<1?. В результате нестабильность чувствительности преобразователя к изменению давления внутри одного объёма удается свести к минимуму, т.к. потери энергии х- частицами на единице пути могут быть приняты постоянными.

Обе камеры работают практически параллельно на один общий коллектор, поэтому все «-частицы проходят в объёме ИП расстояние 21, что /величивает эффективность работы ионизационной камеры почти в 2 раза. Наличие заземленного металлического корпуса ИП позволяет организовать еще один вспомогательный объём с достаточно высокой напряженностью электрического поля. Он служит для собирания вторичных электронов вы-5иваемых из металлического корпуса преобразователя «-частицами.

Предлагаемая система двух рабочих и одного вспомогательного объемов в разработанном ИП обеспечивает повышенную чувствительность его

к изменению давления, позволяет значительно понизить уровень фоновоп тока и уменьшить флуктуации ионизационного тока, несущего основну* информацию о плотности контролируемой ГС.

Расчет зависимости ионизационного тока от давления для предложенной конструкции выполняется с помощью ММ, в основу которой положенно уравнение Бете и Блоха и аппроксимация типа Гейгера для зависимости у(х). В результате величина тока насыщения может быть найден, из соотношения:

1н=(А/е)*3*0.8*Ео»хСр./1?. (18)

Воспользовавшись моделированием пути пробега «-частицы в объём> преобразователя в работе удалось определить оптимальные размеры пред латаемой конструкции и влияние их на вид рабочих характеристик ИП Результаты машинного эксперимента, приведенные в таблицах 2, 3 и рис 4, 5 показывают, что зависимости 1(Р) при определенных значениях дли ни и рпдиуса ионизационной каморы теряот линейность сьоей рабочей ха рактеристики.

Таблица 2

с1/2(см) 1У2(см) Хпр(СМ) Хср(см)

А 1.5 1.5 2.12 1.69

В -"- 3.0 3.35 1.97

С 4.0 4.27 1.99

д -"- 5.0 5.22 2.17

Е -"- 7.5 7.65 2.60

р 10.0 10.10 2.67

в -"- 15.0 15.08 3.15

I.30 01Н и.

Я

У

' л*

100

РИС.4

400

600

Р, мы м П

Таблица 3

с1/2 (см) Ь/2(см) Хпр(см) Хср(см)

А 0.5 '5 5.025 1.043

В 1.0 5.099 1.829

С 1.5 5.22 2.220

£> 2.0 5.385 2.824

Е 3.0 5.831 3.863

Р 5.0 7.071 5.558

Б 7.5 9.014 8.045

Рис.5

Р. ММ 11Т.ГТ.

Таким образом рассмотренная ММ ИП позволяет не только оценить влияние геометрических параметров на рабочие характеристики, но и оценить величину рабочего диапазона давлений.

Конструкция разработанного й-Щ и его экспериментальные рабочие характеристики представлены на рис.6 и рис.7.

Рис.6

Исследуя метрологические параметры сс-ИПД было установление, что:

- максимально возможная чувствительность преобразователя при нормальном давлении составила 5*1(Г12А/мм.рт.ст.;

- максимально возможная погрешность, с учетом внешних влияющих факторов (температуры .влажности .химического состава ГС и т.д.), определяется, как

п

5мах = 50сн.+ Е б^.доп.. 1-1

»' 10

10' 10' Рис.7

10* 10' Р. Па

и составила не более 0,87МУ., что почти на порядок лучше существующих вакууметров, работающих в этом же диапазоне давлений. ] пятой главе рассматривается работа й-ИВД в составе комплекта )лектронной манометрической аппаратуры КЭМА, предназначенного для гонтроля давления атмосферы.

Здесь в осноь:;е\< представлены результаты по исследованию й-КЗМА,

отличающиеся от КЭМА заменой первичных преобразователей ПМИ-45 ПШ-47 на а-ИЦД. В результате такой замены удается обеспечить следую щие параметры электронной системы:

- диапазон измеряемых давлений 6-0,1 мм.рт.ст.;

- пределы изменения выходного напряжения 0-6 В;

- пределы изменения ионизационного тока 1*10_11-1*10~12А;

- погрешность измерения не хуке IX.

Для подтверждения метрологических . характеристик разработанног й-КЭМА, были проведены исследования его в специализированной лабора тории центрального аэрогидродинамического института имен проф.Н.Е.Жуковского (ЦАГИ).

Семь комплектов а-КЭМА были поставлены на испытания, которы проводились с помощью вакуумного градуировочного стенда ВГС в диапа зонах давлений 0,5-5 мм.рт.ст.. В результате проведенных исследовани удалось подтвердить линейность рабочих характеристик всех поверенны й-ионизационных преобразователей, при этом градуировочные коэффициен ты совпадают в пределах ±37., что указывает на незначительный разбрс их метрологических характеристик, обеспечивая,тем самым, стабильност инструментальной погрешности.

Таблица 4 В результате при изготовле

нии партии таких преобразс вателей нет необходимости индивидуальной тариров!-отдельно взятого преобразс вателя, что значителы увеличивает технологичное! изготовления таких преобрг зователей за счет исключ< ния ряда технологичесю операций.

В работе также приведены результаты многократных испытаний « КЭМА (табл.4.), свидетельствующие о хорошей повторяемости и стабшн ности результатов.

В заключении сделаны основные выводы по результатам проведение работы.

Диапазон давлений мм рт.ст С, мкм.рт. ст./В 6,7. N1 Дата

0.8-5 1034 0.3 0.083 10.01.92

0.8-5 1034 0.5 0.134 13.01.92

0.8-5 1047 0.12 0.148 13.01.92

0.8-5.7 1018 0.3 0.075 10.01.92

0.9-5 1025 0.7 0.055 27.12.91

0.8-5 800 0.3 0.081 05.01.92

0 - 5 793 0.5 0.044 05.01.92

0-2.6 456 1.2 0.866 14.01.92

В приложениях приведены акты о внедрении результатов диссертаци-нной работы на промышленных предприятиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе анализа существующих конструктивных решений и теорети-еских представлений о работе альфатронов проведено экспериментальное теоретическое исследование ионизационных способов измерения пони-енных давлений, что позволило предложить принципиально новую конс-рукцию «-Ш1Д. Особенностью этой конструкции является наличие расщеп-энного анода в сочетании с двумя рабочими объёмами, имеющими общий зллектор, в результате чего удалось значительно снизить уровень фо-эвого тока и заметно ослабить флуктуации ионизационного тока в рабо-IX объёмах преобразователя. Предложенный преобразователь отличается юстотой конструкции, стабильностью рабочих и метрологических харак-фистик и слабой зависимостью потерь энергии альфа-частиц от прой-(нного расстояния в объёме преобразователя.

Разработанная математическая модель исследуемого преобразовате-: позволила провести анализ влияния геометрических параметров данно-| преобразователя на его рабочие и метрологические характеристики, а гае оценить величину рабочего диапазона давлений.

Было установлено, что работая в диапазоне давлений 0,01-100 .рт.ст., предлагаемый в работе преобразователь, имеет максимальную вствительность (5*10~12 А/мм.рт.ст.) и обеспечивает точность изме-ния контролируемого параметра порядка 1% , что на порядок лучше су-:твующих вакууметров, работающих в этом же диапазоне давлений. .

Приведены результаты градуировок опытной серии образцов, разра-ганного альфа-ионизационного преобразователя, на вакуумном градуи-зочном стенде (ВГС) в ЦАГИ им.Жуковского. Результаты градуировки сазали, что точность практически всех экспериментальных преобразо-гелей не хуже 17., причем наблюдается незначительный разброс их мет-югических характеристик. Поэтому при иигогоил'нии партии таких на 'метров нет необходимости в индивидуальной подстройки отдельно взя-■о преобразователя.

Испытания показали принципиальную пригодность разработанного ЛД для измерения давления в аэродинамических трубах, что значи-ьно расширяет область их практического применения.

ш -

Результаты данной работы нашли применение при разработке комплекса навигационной аппаратуры управления аэростатом, что позволилс повысить точность определения высотного положения объекта.

Также, полученные в диссертационной работе результаты нашли применение при создании аппаратуры контроля параметров верхних слоев атмосферы на Сафоновском заводе "ЩРОМЕТПРИБОР".

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:

1. Чернышёв В.А., Демичев В.В., Зенова Е.В. Математическая модел] альфа-ионизационного преобразователя давления // Тез.докл. Всесоюзно] конф. по динамике разреженных газов. Л.,1991.- С.128.

2. Чернышёв В.А., Зенова Е.В. Оценка величины горизонтального барометрического градиента с помощью измерения скорости ветра // Сб. на-учн.тр./ СФ МЭИ.- 1992.- Вып.З.- С.193-195.

З.Чернышёв В.А., Зенова Е.В. Альфа-ионизационный преобразователь давления газообразных сред // Тез.докл. Международн.конф. "Датчик-93".-Б.- 1993.- С.98.

4. Чернышёв В.А., Зенова Е.В., Демичев В.В. Вакууметры на основе альфа-ионизационного преобразователя давления // Тез.докл. III Харькове кой вакуумной конф.- Харьков,1993,- С.185.

5. Зенова Е.В. Математическая модель альфа-ионизационного преобразо вателя давления газов // Сб.научн.тр./СФ МЭИ.-Вып.6.-1994.- С.40-42.

6. Чернышёв В.А., Зенова Е.В., Демичев В.В. Ионизационный преобразо ватель давления газов // Сб.научн.тр./СФ МЭИ.- Вып.б.- 1994. С.139-141.

7. Финатьев Ю.П., Зенова Е.В. Конструктивные особенности ионизацион ных преобразователей давления газообразных сред (альфатронов) / Сб.научн.тр./ СФМЭИ.- 1995.- Вып.8.- С.245-247.

8. Чернышев В.А., Зенова Е.В. Ионизационные способы контроля парамет ров газообразных сред (альфа-ионизационный преобразователь давле ния)// Тез.докл. Международной конференции по радиационной физике химии неорганических материалов.- Томск,1996.- С.247-248.

Подписано к печати Л— orf, J6 О

Печ. л. Тираж W*-' Заказ Л»^

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.