Датчики

0

Вакуумметры

При вакуумных процессах давление может изменяться в широких пределах, охватывающих несколько порядков величины, значит, от измерителей вакуума требуется способность перекрывать очень широкий интервал давлений. Кроме того, устройства для автоматизированных систем должны удовлетворять требованиям, указанным в разделе J I Следует отметить, что большинство существующих вакуумметров, используемых в аппаратуре с ручным управлением этим условиям пе удовлетворяют. В частности, широко распространенные электронные ионизационные вакуумметры с накаленным катодом непригодны для автоматизированных систем, поскольку при измерениях требуют вмешательства оператора для периодической установки нулевого отсчета, коррекции тока эмиссии и переключения диапазонов измерения. Поэтому Для автоматизированного оборудования создаются специализированные приборы. Серьезные трудности при их разработке связаны с необходимостью перекрытия широкого интервала измеряемых величин в пределах одного диапазона (применять дистанционное переключение диапазонов нерационально, так как в этом случае потребуется дополнительный канал управления). В таких приборах применяются функциональные преобразователи, позволяющие значительно расширять интервал измеряемых величин.

Оптимальным является логарифмический закон преобразования, позволяющий получить одинаковую относительную точность во всем интервале.

Такое преобразование может осуществляться с помощью вакуумных или полупроводниковых диодов, обладающих зависимостью напряжения от тока, близкой к логарифмической. Таким образом удается в одной шкале перекрыть от трех до пяти порядков величины.

Для измерений в более широком интервале могут быть использованы методы кусочно-линейной аппроксимации. При этом логарифмическая зависимость представляется, как последовательность большого числа отрезков прямой. Практически это достигается автоматическим подключением с помощью коммутирующих диодов последовательно уменьшающихся сопротивлений нагрузки по мере возрастания входного тока (и, соответственно, напряжения).

На рис. 1 приведен пример схемной реализации такого устройства и его вольт-амперная характеристика. Схема применяется в серийно выпускаемом вакуумметре ВМБ-8, предназначенном для 8 автоматизированных установок. В вакуумметре используется магниторазрядный преобразователь ММ-32, не имеющий накаленного катода. Высокая токовая чувствительность преобразователя, равная

7.6- 10-3 А/Па (1 А/мм рт. ст.), позволяет применять относительно простой усилитель со стабильным нулевым отсчетом. В пределах одной 10-вольтной шкалы прибор перекрывает диапазон давлений от 1,3 10“7 до 1,3 Па (10_&—10-2 мм рт. ст.). Для работы в схемах «жесткой» автоматики вакуумметр снабжен блокировочным устройством, осуществляющим включение и выключение двух реле в произвольно выбранных точках диапазона.

Развитие вакуумной технологии и возрастающие требования к эффективности контроля над процессами вызывают потребность в применении датчиков компонентного состава газов. Для этих целей, как правило, используются малогабаритные масс-спектрометры упрощенной конструкции — измерители парциальных давлений. Приборы относятся к числу наиболее сложных датчиков, применяемых в вакуумной технике, и пока используются преимущественно в лабораторной практике. Применение их в производственных процессах ограничено высокой стоимостью и трудностью эксплуатации, требующей высококвалифицированного персонала для обслуживания и, особенно, для расшифровки показаний.

Для использования в системах жесткой автоматики или программного управления эти приборы требуют дальнейшего усложнения, а именно добавления аппаратных средств расшифровки спектров. Автоматизация расшифровки масс-спектрограмм чаще всего осуществляется сочетанием временной развертки спектра с измерением амплитуды выходного сигнала на интервалах, соответствующих определенным компонентам. В системах программного управления иногда применяется последовательная настройка прибора на отдельные компоненты. Однако следует отметить, что измерители парциальных давлений с автоматической аппаратной расшифровкой спектра пока не получили распространения из-за сложности и низкой эксплуатационной устойчивости.

В противоположность этому, управление от ЭВМ позволяет значительно упростить схему и конструкцию измерителей парциальных давлений за счет того, что управление прибором и расшифровка масс-спектрограмм могут выполняться вычислительной машиной. Так, серийный масс-спектрометр МСД-1 специально предназначен для работы в вакуумных установках, управляемых от ЭВМ. Прибор представляет собой двухканальный магнитный масс-ана-лизатор. Развертка спектра производится путем изменения ускоряющего напряжения по экспоненциальному закону. Длительность развертки 0,2—2 с. МСД-1 измеряет парциальные давления от

2.6- 10~8 до 1,3-10-3 Па (2 • 10~10—10~5 мм рт. ст.) в диапазоне массовых чисел от 2 до 150 а. е. м. с разрешающей способностью 60. Выходной сигнал прибора изменяется в интервале от 0,5 до 10 В. Закон преобразования амплитуд — логарифмический (преобразователь — на полупроводниковом диоде).

При временной развертке спектров масс расшировка их с помощью малой ЭВМ производится следующим образом.

Первоначально, на «контрольном» участке, предшествующем первому массовому пику, определяется амплитуда шумов’и уровень нулевого отсчета, по этим данным определяется порог достоверного обнаружения. В дальнейшем измерения производятся от вычисленного нулевого уровня, при этом достоверно обнаруженными считаются лишь пики, амплитуда которых превышает пороговый уровень.

Затем производится измерение амплитуды первого, опорного, пика. Момент достижения максимума этого пика берется за начало отсчета времени на данном участке спектра. В дальнейшем обнаружение и измерение массовых пиков производится путем определения максимального отсчета на интервалах, соответствующих исследуемым компонентам спектра (интервалы отсчитываются от опорного пика). Опорные пики выбираются в начале соответствующих участков спектра из числа компонент, всегда присутствующих в спектрах в данном процессе, в частности, это могут быть массовые числа: 2 (водород), 12 (осколочный ион углерода) и 28 (азот или окись углерода).

Блок-схема алгоритма расшифровки масс спектрограмм по опорным пикам приведена на рис. 2.

Применение периодической коррекции шкалы отсчетов по времени и амплитуде в ходе развертки резко повышает надежность измерений и позволяет значительно снизить требования к стабильности характеристик датчика. Скорость и точность расшифровки спектров с помощью вычислительной машины намного превышает возможности оператора.

В связи с этим внедрение систем управления на основе ЭВМ создает основу для широкого применения измерителей парциальных давлений в промышленных технологических установках.

Прочие датчики

Для оценки степени удаления газов из изделий в процессах откачки наряду с датчиками давления иногда используются измерители газового потока. Датчики потоков основаны на измерении перепада давления на элементе с известной проводимостью. Основой измерителей потока являются автоматизированные вакуумметры, не имеющие существенных отличий от описанных выше. В последнее время в автоматизированных системах (особенно, с управлением от ЭВМ) газовые потоки измеряются без дополнительных технических средств, путем использования специальных методик, например, — по характеру изменения давления при временном прекращении откачки.

Кроме того, в вакуумно-технологических процессах возникает необходимость измерения множества величин, неспецифичных для вакуумной аппаратуры (токов, напряжений, температур и т. д.). Для этого могут быть использованы датчики общего применения, удовлетворяющие требованиям раздела 1.1. К сожалению, многие датчики Государственной системы приборов (ГСП) имеют токовый выход и не рассчитаны на выдачу сигналов напряжения.

Токовые сигналы удобны для подключения стрелочных приборов, но в автоматизированных системах их применять нецелесообразно из-за трудности контроля прохождения в сложных схемах, поскольку при наличии разрыва прекращается ток во всей цепи.

Кроме того, многие датчики тока выходят из строя при размыканиях цепи нагрузки, практически неизбежных в сложных коммуникациях (различные переключения, отсоединение разъемов и т, п,). Такие датчики могут быть превращены в источники сигналов напряжения интервала 0. . ..+10 В путем подключения непосредственно к выходу нагрузки с соответствующим сопротивлением, Так> например, термопарные датчики серии ПТ-ТП, имеющие токовый выход 0… 5 мА, должны использоваться с нагрузкой 2 кОм.

Leave A Reply