RU2017259C1

RU2017259C1 - Device for automatic measurement of pressure in tubes

Info

Publication number: RU2017259C1
Authority: RU
Inventors: В.А. Коротченко; В.Э. Скворцов
Original assignee: Рязанский Радиотехнический Институт
Priority date: 1991-04-29
Filing date: 1991-04-29
Publication date: 1994-07-30

Abstract

FIELD: vacuum measurements. SUBSTANCE: device includes source of accelerating voltage, source of filament voltage, two switches, controlled unit of automatic compensation of background current, controlled inverter of ion current, source of voltage of cathode bias, controlled integrator of electron current, electron current comparator, ion charge comparator, logic matrix, timer, control unit, time interval meter, current source, three terminals to connect electrodes of tube with proper couplings. EFFECT: enhanced reliability and speed of measurements. 3 dwg

Description

Изобретение относится к вакуумметрии и может быть использовано при измерении давления в электровакуумных приборах (ЭВП). The invention relates to vacuum gauges and can be used to measure pressure in electric vacuum devices (EEC).

Известно устройство, содержащее источник накала катода, источник ускоряющего напряжения, источник напряжения смещения катода, блок компенсации фонового тока, запоминающий усилитель ионного тока и блок управления [1]. A device is known that contains a cathode glow source, an accelerating voltage source, a cathode bias voltage source, a background current compensation unit, an ion current storage amplifier and a control unit [1].

Недостатком данного устройства является слабая помехозащищенность, связанная с малым временем измерения ионного тока (доли секунды), что снижает пороговую чувствительность устройства, когда в качестве коллектора ионов используется массивный электрод ЭВП. Наличие ручной компенсации фонового тока делает невозможным использование устройства в автоматическом режиме. The disadvantage of this device is the low noise immunity associated with the short measurement time of the ion current (fraction of a second), which reduces the threshold sensitivity of the device when a massive EEC electrode is used as the ion collector. The presence of manual compensation of the background current makes it impossible to use the device in automatic mode.

Наиболее близким к заявленному устройству является устройство для измерения давления в электровакуумных приборах, содержащее источник накала катода, источник ускоряющего напряжения, источник напряжения смещения катода, интеграторы электронного и ионного тока, компаратор электронного тока, компаратор заряда и управляемый блок компенсации фонового тока [2]. Мерой давления в устройстве является заряд ионов, полученный в результате прохождения через ЭВП фиксированного электронного заряда. Closest to the claimed device is a device for measuring pressure in electric vacuum devices, containing a cathode glow source, an accelerating voltage source, a cathode bias voltage source, electron and ion current integrators, an electronic current comparator, a charge comparator and a controlled background current compensation unit [2]. A measure of the pressure in a device is an ion charge obtained by passing a fixed electron charge through an EEC.

Недостатком устройства-прототипа является зависимость времени измерения от эмиссионной способности катода контролируемого ЭВП, малый динамический диапазон (3 порядка изменения давления), что снижает точность измерения вакуума в условиях большого разброса эмиссионной способности проверяемых ЭВП, а также большие электрические погрешности схемы, так как ее чувствительность зависит от параметров интегрирующих конденсаторов как в интеграторе электронного тока, так и в интеграторе ионного тока. The disadvantage of the prototype device is the dependence of the measurement time on the emissivity of the cathode of the controlled EEC, a small dynamic range (3 orders of magnitude of pressure change), which reduces the accuracy of vacuum measurement in the conditions of a large variation in the emissivity of the tested EECs, as well as large electrical errors of the circuit, since its sensitivity depends on the parameters of the integrating capacitors both in the electron current integrator and in the ion current integrator.

Цель изобретения - повышение точности измерения давления в ЭВП и расширение области применения. The purpose of the invention is to increase the accuracy of measuring pressure in the EEC and expanding the scope.

Устройство (фиг. 1) содержит источник 1 ускоряющего напряжения, соединенный с клеммой 17 для подключения сетки ЭВП 2, источник 3 напряжения накала, управляемый блок 5 автоматической компенсации фонового тока, выход которого соединен с клеммой 19 для подключения анода ЭВП через контакты коммутатора 4 и с входом управляемого интегратора 6 ионного тока, источник 8 напряжения смещения катода, положительный полюс которого соединен с клеммой 18 для подключения катода ЭВП; управляемый интегратор 9 электронного тока, вход которого подключен к отрицательному полюсу источника напряжения смещения катода, а выход через источник 16 тока и коммутатор 7 может подключаться к входу управляемого интегратора 6 ионного тока, компаратор 10 электронного тока, вход которого соединен с выходом управляемого интегратора 9 электронного тока, компаратор 11 ионного заряда, вход которого соединен с выходом управляемого интегратора 6 ионного тока и с входом управляемого блока 5 автоматической компенсации фонового тока, таймер 13, блок 14 управления, первый вход которого соединен с выходом управляемого интегратора 6 ионного тока, а второй - с выходом управляемого интегратора 9 электронного тока, логическую матрицу 12, первый, второй, третий и четвертый входы которой соединены соответственно с выходом блока 14 управления, с выходом компаратора 11, с выходом компаратора 10 электронного тока и с выходом таймера 13, а с первого по шестой выходы соединены соответственно с управляющими входами управляемого блока 5 автоматической компенсации фонового тока и управляемого интегратора 6 ионного тока, с управляющим входом коммутатора 4, с управляющим входом коммутатора 7, с управляющим входом управляемого интегратора 9 электронного тока, с входом измерителя 15 временных интервалов и с входом таймера 13. The device (Fig. 1) contains an accelerating voltage source 1 connected to terminal 17 for connecting an EEC grid 2, a glow voltage source 3, a controlled unit 5 for automatic background current compensation, the output of which is connected to terminal 19 for connecting an EEC anode through the contacts of switch 4 and with the input of a controlled ion current integrator 6, a cathode bias voltage source 8, the positive pole of which is connected to terminal 18 for connecting the EEC cathode; a controlled electron current integrator 9, the input of which is connected to the negative pole of the cathode bias voltage source, and the output through the current source 16 and switch 7 can be connected to the input of a controlled ion current integrator 6, an electronic current comparator 10, the input of which is connected to the output of a controlled electronic integrator 9 current, an ion charge comparator 11, the input of which is connected to the output of a controlled ion current integrator 6 and to the input of a controlled unit 5 for automatic compensation of the background current, timer 13, 14 control, the first input of which is connected to the output of the controlled integrator 6 of the ion current, and the second to the output of the controlled integrator 9 of the electronic current, the logical matrix 12, the first, second, third and fourth inputs of which are connected respectively to the output of the control unit 14, with the output of the comparator 11, with the output of the comparator 10 of the electronic current and with the output of the timer 13, and from the first to the sixth outputs are connected respectively to the control inputs of the controlled unit 5 for automatic compensation of the background current and the controlled integrator 6 ion current, with the control input of the switch 4, with the control input of the switch 7, with the control input of the controlled integrator 9 of the electronic current, with the input of the meter 15 time intervals and with the input of the timer 13.

Измерение давления осуществляется следующим образом. Pressure measurement is as follows.

На электроды ЭВП 2 подают ускоряющее напряжение (100-300 В) от источника 1 и напряжение смещения катода (20-50 В) от источника 8. Появляющийся при этом в цепи анода ЭВП фоновый ток автоматически компенсируется блоком 5 компенсации, включенным в цепь обратной связи интегратора 6 ионного тока. Включают накал катода. В процессе его разогрева электронный ток увеличивается и в момент времени t₁ (фиг. 2, 3) достигает значения l₁, соответствующего порогу срабатывания компаратора 10 электронного тока. На выходе компаратора появляется сигнал логической единицы, который поступает на вход 13 логической матрицы 12, что приводит к изменению сигналов на ее выходе и включению интегратора 9 электронного тока, интегратора 6 ионного тока, таймера 13 и памяти блока 5 компенсации. Для того, чтобы на выходе блока компенсации фиксировалось только значение фонового тока, порог срабатывания компаратора 10 электронного тока выбирается на несколько порядков ниже значения электронного тока, характерного работе ионизационного манометра.An accelerating voltage (100-300 V) from source 1 and a cathode bias voltage (20-50 V) from source 8 are applied to the electrodes of EVP 2; the background current that appears in the EVP anode circuit is automatically compensated by the compensation unit 5 included in the feedback circuit 6 ion current integrator. Turn on the glow of the cathode. In the process of heating it, the electronic current increases and at time t ₁ (Fig. 2, 3) reaches a value l ₁ corresponding to the threshold of operation of the comparator 10 of the electronic current. At the output of the comparator, a signal of a logical unit appears, which is fed to the input 13 of the logic matrix 12, which leads to a change in the signals at its output and the inclusion of an electron current integrator 9, an ion current integrator 6, a timer 13, and a compensation unit 5 memory. In order to fix only the background current value at the output of the compensation unit, the response threshold of the electronic current comparator 10 is selected several orders of magnitude lower than the value of the electronic current characteristic of the operation of the ionization manometer.

По мере накопления зарядов интеграторами 9 и 6 напряжение на их выходах увеличивается. В зависимости от соотношения электронного и ионного токов возможны два варианта работы схемы. В первом случае (фиг. 2) за время T работы таймера 13 напряжения на выходах интеграторов не успевают превысить порог срабатывания блока 14 управления и цикл накопления зарядов прекращается в момент времени t₃ после выключения таймера 13. Во втором случае (фиг. 4) за время T работы таймера 13 одно из выходных напряжений в момент времени t₂ превысит порог срабатывания блока 14 управления, что приведет к изменению выходных состояний логической матрицы 12 и отключению входов интеграторов 6 и 9 при помощи коммутатора 4. В обоих случаях блок 14 управления препятствует насыщению интеграторов 6 и 9 и обеспечивает линейность показаний во всем диапазоне измерения. Включение таймера 13 в момент времени t₃ приводит к срабатыванию коммутатора 7, в результате осуществляется аналоговое деление величины накопленных зарядов: интегратор ионного тока 6 разряжается током от источника 16, пропорциональным выходному напряжению интегратора электронного тока. Время разряда интегратора 6 пропорционально ионному заряду и обратно пропорционально электронному заряду, накопленному за время интегрирования. Компаратор 11 выключается в момент t₄ равенства "0" выходного напряжения интегратора ионного тока. Измеритель 15 фиксирует длительность импульса на 5-м выходе логической матрицы 12, которая равна промежутку времени между выключением таймера 13 и выключением компаратора 11 (t₄-t₃). Таким образом, в предлагаемом устройстве мерой давления является время разряда интегратора ионного заряда током, пропорциональным электронному заряду, накопленному за время измерения. Это время T_р определяется следующим соотношением:
T_p= R₁₆·C_e·

I_pdt

I_edt

(1) где I_p и I_e - значения электронного и ионного токов;
R₁₆ - внутреннее сопротивление источника 16 тока;
C_e - емкость конденсатора в интеграторе электронного тока.As the charges accumulate by the integrators 9 and 6, the voltage at their outputs increases. Depending on the ratio of electronic and ion currents, two options for the operation of the circuit are possible. In the first case (Fig. 2) during the time T of the timer 13, the voltages at the outputs of the integrators do not have time to exceed the threshold of the control unit 14 and the charge accumulation cycle stops at time t ₃ after the timer 13 is turned off. In the second case (Fig. 4), time t of the timer 13, one of the output voltage at time t ₂ exceeds the threshold control unit 14, which would change the output states of logic array 12 and disable the inputs of integrators 6 and 9 by means of a switch 4. in both cases, the control unit 14 pre yatstvuet saturation integrators 6 and 9 and ensures linearity of the entire measuring range. The inclusion of the timer 13 at time t ₃ leads to the operation of the switch 7, as a result, the analog division of the magnitude of the accumulated charges is carried out: the ion current integrator 6 is discharged by the current from the source 16, proportional to the output voltage of the electron current integrator. The discharge time of the integrator 6 is proportional to the ion charge and inversely proportional to the electronic charge accumulated during the integration time. The comparator 11 is turned off at time t ₄ equality "0" of the output voltage of the ion current integrator. The meter 15 captures the duration of the pulse at the 5th output of the logic matrix 12, which is equal to the time interval between turning off the timer 13 and turning off the comparator 11 (t ₄ -t ₃ ). Thus, in the proposed device, the pressure measure is the discharge time of the ion charge integrator by a current proportional to the electronic charge accumulated during the measurement. This time T _p is determined by the following relationship:
T _p = R ₁₆ · C _e

I _p dt

I _e dt

(1) where I _p and I _e are the values of the electronic and ion currents;
R ₁₆ is the internal resistance of the current source 16;
C _e is the capacitance of the capacitor in the electron current integrator.

Ионный ток линейно связан с электронным, а также с давлением газа:
I_p=K ˙P ˙I_e (2)
Полагая, что манометрическая чувствительность K не изменяется в процессе накопления зарядов, посредством соотношение (1) в виде:
T_p=K˙ P ˙R₁₆ ˙C_e (3)
Это соотношение подтверждает линейную связь времени разряда с давлением и показывает, что информативный параметр T_p не зависит от характеристик интегратора ионного тока, т. е. использование параметра обеспечивает снижение погрешности измерения.The ion current is linearly connected with the electronic, as well as with the gas pressure:
I _p = K ˙P ˙I _e (2)
Assuming that the gauge sensitivity K does not change during the accumulation of charges, by means of relation (1) in the form:
T _p = K˙ P ˙R ₁₆ ˙C _e (3)
This relationship confirms the linear relationship between the discharge time and pressure and shows that the informative parameter T _p does not depend on the characteristics of the ion current integrator, i.e., the use of the parameter reduces the measurement error.

Максимальный динамический диапазон и помехозащищенность схемы обеспечиваются следующим выбором пороговых значений напряжений и параметров цепей: порог срабатывания блока 14 управления выбирается на 10% ниже напряжения насыщения интеграторов электронного и ионного токов; чувствительность интегратора электронного тока выбирается такой, чтобы при номинальной эмиссионной способности катода проверяемого ЭВП напряжение на выходе интегратора возрастало до порога срабатывания блока 14 управления за время T работы таймера 13. The maximum dynamic range and noise immunity of the circuit are ensured by the following choice of threshold voltage values and circuit parameters: the response threshold of control unit 14 is selected 10% below the saturation voltage of the electron and ion current integrators; the sensitivity of the integrator of the electronic current is selected such that, at the nominal emissive capacity of the cathode of the tested EEC, the voltage at the output of the integrator increases to the threshold of the control unit 14 during the time T of the timer 13.

Claims

УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРАХ, содержащее источник канала катода, источник ускоряющего напряжения, источник напряжения смещения катода, управляемый интегратор электронного тока, компаратор электронного тока, управляемый интегратор ионного тока, управляемый блок компенсации фонового тока и три клеммы, причем первый вывод источника ускоряющего напряжения соединен с клеммой для подключения сетки прибора, первый вывод источника напряжения смещения катода соединен с клеммой для подключения катода, а второй вывод - соединен с измерительным входом управляемого интегратора электронного тока, выход которого соединен с входом компаратора электронного тока, выход интеграгратора ионного тока соединен с первым входом управляемого блока компенсации фонового тока, второй вывод источника ускоряющего напряжения, выводы управляемого блока автоматической компенсации фонового тока, источника канала катода и компаратора электронного тока подключены к общей шине, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения области применения в него введены источник тока, два коммутатора, компаратор ионного заряда, логическая матрица, таймер, блок управления и измеритель временных интервалов, причем входы логической матрицы с первого по четвертый соединены соответственно с выходами блока управления, компаратора ионного заряда, компаратора электронного тока и таймера, вход которого подключен к шестому выходу логической матрицы, выход управляемого интегратора электронного тока соединен с вторым входом блока управления и через источник тока с подвижным контактом первого коммутатора, неподвижный контакт которого соединен с входом управляемого интегратора ионного тока, вторым входом управляемого блока автоматической компенсации фонового тока и первым неподвижным контактом первой контактной группы второго коммутатора, подвижный контакт второй контактной группы второго коммутатора подключен к выходу управляемого интегратора электронного тока, подвижный контакт первой контактной группы второго коммутатора соединен с клеммой для подключения анода прибора, второй неподвижный контакт первой контактной группы второго коммутатора соединен с общей шиной, неподвижный контакт второй контактной группы второго коммутатора подключен к выходу источника напряжения смещения катода, первый выход логической матрицы подключен к управляющим входам управляемого блока автоматической компенсации фонового тока и управляемого интегратора ионного тока, выход которого соединен с первым входом блока управления, выходы логической матрицы с второго по четвертый соединены с управляющими входами соответственно второго коммутатора, первого коммутатора и управляемого интегратора электронного тока, пятый выход логической матрицы подключен к входу измерителя временных интервалов. DEVICE FOR AUTOMATIC PRESSURE MEASUREMENT IN ELECTRICAL VACUUM INSTRUMENTS, comprising a cathode channel source, an accelerating voltage source, a cathode bias voltage source, a controlled electron current integrator, an electronic current comparator, a controlled ion current integrator, a controlled background current compensation unit, and three terminals, the first output of the source accelerating voltage is connected to the terminal for connecting the device grid, the first output of the cathode bias voltage source is connected to the terminal for connecting cathode, and the second output is connected to the measuring input of the controlled electron current integrator, the output of which is connected to the input of the electronic current comparator, the output of the ion current integrator is connected to the first input of the controlled background current compensation unit, the second output of the accelerating voltage source, the terminals of the controlled automatic compensation unit the background current, the cathode channel source and the electronic current comparator are connected to a common bus, characterized in that, in order to increase the measurement accuracy and expand In the field of application, a current source, two switches, an ion charge comparator, a logic matrix, a timer, a control unit and a time interval meter are introduced into it, the inputs of the logical matrix from the first to the fourth being connected respectively to the outputs of the control unit, the ion charge comparator, and the electronic current comparator and a timer, the input of which is connected to the sixth output of the logic matrix, the output of the controlled integrator of the electronic current is connected to the second input of the control unit and through a current source with a movable the contact of the first switch, the fixed contact of which is connected to the input of the controlled ion current integrator, the second input of the controlled block of automatic compensation of the background current and the first fixed contact of the first contact group of the second switch, the movable contact of the second contact group of the second switch is connected to the output of the controlled electronic current integrator, mobile contact the first contact group of the second switch is connected to the terminal for connecting the anode of the device, the second fixed contact the first contact group of the second switch is connected to a common bus, the fixed contact of the second contact group of the second switch is connected to the output of the cathode bias voltage source, the first output of the logic matrix is connected to the control inputs of the controlled background current automatic compensation unit and the controlled ion current integrator, the output of which is connected to the first the input of the control unit, the outputs of the logical matrix from the second to the fourth are connected to the control inputs of the second switch, respectively, Vågå switch and controlled electron current integrator, the fifth output logic array is connected to the input of the meter slots.