Устройство для измерения давления

(Щ 6208 3 ОБРЕТЕНИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ Дополнител ое к вт. свна-вуЦМ, Кл. 840/18-1 00 заявки нрнсоеаннен Государственный комнтетСовета Мннистров СССРно деаам нзобретеннйн открытнй(088.8) 0878.бюллетень ЭЙ 31 5) Дата опубликования оннсанна 04077 1 Авто нзоб Г.Баженов, В.Е.Зуравлев, Г.И,Иурэи Д П Подругии и В В Филимонов(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЮВЛЕНИЯ Эится к технв частностивакуумных с оэдуктролекна ециумиНери ков они дав пС с в ой(22) Заявлено 14.04.76 (2 Изобретение откос икеизмерения давления, кдатчикам давления в истмах,Известны различные типы датчи бдавления, например термопарные изационные, датчики парциальноголения и т.д. (11 .В термопарных манометрах используется зависимость теплопроводности 10газа от давления. Иониэационные манометры основаны на пропорциональностиудельной иониэацни газа его плотности. И термопарные и ионизационныеманометры имеют невысокую точностьизмерения, Кроме того, их недостатками являются необходимость периодической градуировки и зависимость показаний от состава газа,Наиболее близким по технической фсущности к предлагаемому являетсякислородный датчик парциального давления, представляющий собой потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку (ТЭЯ) с измерителем ЭДС, причем . о 5рабочая камера ячейки соединяется свакуумной системой газовым трактом 21,Внутренний электрод твердоэлектролитной ячейки контактирует с атмосферой вакуумной системц. Наружный электрод омывается окружающим в хом. ЭДС, образовавшаяся на эле дах потенциометрической твердоэ тролитной ячейки, пропорциональ логарифму отношения разности па альных давлений кисЛорода в вак ной камере и окружающем воздухе выражается известным уравнением ста. Датчик имеет аналитическую дуировочную характеристику, выв нув иэ уравнения Нернстао - парциальное давление кислорода в вакуумной камере Рсп - атмосферное давление окружающего воздуха С онцентрация кислородй ввоэдухет8 62Датчик позволяет определять общее" давление вакуумной системы, если из вестна концентрация кислорода в ней.Известное устройство обладает высокой точностью измеения парциального давления кислорода. Оно может быть также применено при измерении полных давлений в тех случаях) если вакуумная система не содержит горючих. газов и газов, диссоциирующих при,высокой температуре с образованием кислорода ( Нг О, СОг ), и известна кон- центрация кислорода. При этом точност измерения давления определйется точностью, с которой .определена концентрация кислорода. Таким образом, точность в большинстве случаев недостаточна.Цель изобретения - повышение точности и расширение пределов измерения давления.1Указанная цель достигается теЬ, что в устройство для измерения давления, содержащее потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку с измерителем ЭДС, рабочая камера которой соединена с вакуумной системой газовым трактом, введен натекатель газа в, виде дозирующей 1 вердоэлектролитной ячейки с источником тока, подключенный к рабочей камере потенциометрической твер- доэлектролитной ячейки, а газовый тракт выполнен в виде трубки, размещенной между рабочй камерсй твеР- доэлектролитной ячейки и вакуумной системой.Диаметр трубки газового тракта определяется следующим соот ошениемЮ 0854 фтвердозлектролитной ячейки среды сизвестным содержанием кислорода, при,чем давление поддерживается равнымдавлению в вакуумной системе, Благодаря этому ЭДС измерительной ячейкиявляется мерой давления вакуумной сис 5 темы.Иа чертеже схематически представлено предлагаемое устройство.Для конкретности в качестве источника газа с известной концентра- Ю цией кислорода и одновременно натеь , кателя используется дозирующая твердоелектролитная ячейка 1 с источником тока 2. Ячейка 1 газовым трактомсоединена с входом потенциометриче ской твердоэлектролитной ячейки 3, которая через трубку 4 соединена с ва"куумной системой 5. ЭДС ячейки 3 измеряется измерителем 6.Измерение давления осуществляетсяследующим образом.Ячейка 1 под действием тока от источника тока 2 дозирует кислород,который поступает в измерительнуюячейку 3. На электродах ячейки 3 воз,- никает ЭДС, измеряемая измерителем 6,которая в соответствии с закономНернста равна. Вт , РОВпю (4) 30где М - газовая постояннаяуТ - рабочая температура ячейкиуи - число зарядов в ионизиро 35ванной молекуле кислородаР - число Фарадея;ФР " парциальное давление кисглорода в сравнительнойсреде - воздухе;Р , парциальное давление кисглорода. в вакуумной системе,Парциальные давления кислородаРо и Р) можно выразить черезполные давления и объемные концен- трации 56 н г 40 Рб Рат Со2 гЯ50,.(3) есь Ратм - атмосфе Р - авлени р пе В ка быть ис электро тока. Дей основааемого устройстваи в рабочей камере б 5 ствие предл но на созда. 3 - диаметр соединительнойтрубки;Р - минимально возможное давминление вакуумной системою; Ро - давление при нормальныхусловиях;2 о - коэФФициент диФФузии принормальных условиях; н - выбранный или нормированный предел погрешности длвсего диапазона давлений, ьСо - максимальная разность концентраций в вакуумной системе,и рабочей камере тведоэлектролитной ячейки; СО -. концентрация кислорода врабочей камере ТЭЯу Со - минимально возможная концентрация кислорода в вакуумной системе; А - козФфнциент вязкости .честве натекателя газа можетпользована дозирующая твердолитная ячейка с источником рное давление; д е в вакуумной системе, которое прак тическое равно давлению в ячейке, так как она соединена с системой газовым трактомтрубкой- концентрация кислородав воздухе в объемных долях (эту концентрацию можно без большой ошибки считать постоянной и принять равной 0,207)у)Сс - концентрация кислорода )гв рабочей камере ТЭЯ 3в объемных долях, равная, в связи с тем, чтодоэируется чистый кислород, единице.Подставив значения Ро и Р иэвыражений (2) и (3) в выражение (1),Ог И Ополучаютат Р т,соЗаменив постоянные коэффициейтычисленными значениями, после несложных преобразований получают при терпературе ТЭЯ 3 Т1008 КЕ.Р 0,207 Р 1Соотношение (4 а) позволяет оп еделить давление в вакуумной системе.Кроме рассмотренного случая, когдадозируется чистый кислород, возможнадозировка газа с другой, не обяза,тельно известной концентрацией кислорода (например воздуха).Применение натекателя газа с из"вестной концентрацией кислорода значительно расширяет область применения устройства и позволяет использовать его для измерения давления вакуумных систем независимо, от составаостаточных газов,Кроме того, благодаря тому, чтоконцентрация кислорода в смеси, используемой для натекателя, может бытьзадана весьма точно, повышается точность измерения. Как показали испытания, при измерении малых давлений.(по 1,10 мм рт .ст.) погрешность измерения не превышает,+ 5% отн.Поскольку количественно концентрации кислорода в рабочей камеретвердоэлектролитной ячейки 3 и вакуумной системе 5 не равны между собой,в выходной трубке 4 будет иметь местовзаимная диффузия компонентов газарабочей камеры и вакуумной системы,что приводит к изменению концентрации кислорода в рабочей камере ТЭЯ 3..и,как следствие к погрешности измерения.Диффузию против потока газа (противодиффузию) можно сделать как угодно малой применяя выходную соединительную трубку соответствующей длиныи диаметра или изменяя расход газачерез рабочую камеру ТЭЯ 3. Однакоувеличение длины трубки и расхода га"за неизбежно вызовет перепад давления между рабочей камерой ТЭЯ 3 ивакуумной системой, Ниже показанавоэможность выбора оптимального варианта расчетным методом.Изменение концентрации кислорода,в рабочей камере ТЭЯ 3 может быть сиэвестнсй степенью приближения определено по .формуле,ьС (Со -.Со )ахР (- э ), (5Ог ОгОг 20854 6)где СО - концентрация кислородав рабочей камере ТЭЯ 3;СО - концентрация кислородагв вакуумной системе;Ч - скорость потока в трубке;Э - коэффициент диффузии;5 - длина трубкиКоэффициент диффузии в областинормальных температур равен1,) 13 о Р(б)1 О,где Эо - коэффициент диФфузии принормальных условиях;о - давление при нормальныхуслови ях- давление газа в соединительной трубке 4.Средняя по сечению трубки скоростьпотока газа, выходящего иэ рабочейкамеры ТЭЯ 3РУ(7 У20, где 9 - поток газа (объемный расход, приведенный к единичному давлению);д - внутренний диаметр трубки 4;Изменение концентрации кислородав рабочей камере. приводит к погрешности измерения, равной, как следуетиэ формулы (4),вср,, у . есо 0. ьоу, (8)Ъ С 02 сРешая совместно уравнения (5)-(8)введя обозначениеф щ,4 аЕЯДг(9) Величина Ф играет роль некоторого газодинамичесйого параметрапотока газа в выходной трубке 4.Течение газа по трубопроводам вустановках низкого вакуума происходит в большинстве случаев в вязкост ном режиме. Пропускная способностьтрубопровода круглого сечения при,вязкостном режиме течения равны. М (11)4 йеС50где )О - коэффициент вязкости.Перепад давления в выходной трубке 4или подставляя выражение (11) и применяя обозначения уравнения (9), получают(,421 Увеличение давления врабочей камере ТЭЯ 3 вследствие перепада давления приводит к погрешности измерв;620854 Составитель Н,ШвырковаРедактор т.иванова Текред а.адатнрев Ко екто И. Гоксич Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул, Проектная, 4 Заказ 4 б 46/39 Тираж 1112 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий 113035 Иосква ЖРа ская наб. 4 5