Введение к работе
Актуальность проблемы: Разработка первичных преобразователей и исследование особенностей их работы в различных режимах представляют одну из важнейших задач современного промышленного производства. Получение информации о состоянии контролируемого объекта в полном объёме с высокой степенью надёжности и достоверности позволяет активно вмешиваться в управление технологическим процессом.добиваясь тем самым значительного повышения уровня автоматизации промышленного производства.
Существующие теоретические представления о работе альфа-ионизационного преобразователя в области пониженных давлений явно недостаточны и оказываются справедливыми в узких диапазонах введенных ограничений и упрощений:
dE/dX = const; L < R; T = const; I * f(U).
Хотя представления о физических процессах, протекающих в объеме преобразователя давления, существенно упрощены, описание рабочих характеристик при различных условиях их эксплуатации вызывает значительные трудности. Не существует анализа работы альфа-ионизационного преобразователя в режимах детектирования температуры, влажности и т.д.. Поэтому расчет и проектирование конструкции альфа-ионизационного преобразователя, предназначенного для решения конкретной практической задачи, оказывается весьма приближенным и не отвечает всем требованиям современного промышленного производства. В связи с чем выше перечисленные проблемы, возникающие при расчете и конструировании альфа-ионизационных преобразователей, представляются в высокой степени актуальными, а их решение практически полностью удовлетворит существующие запросы промышленного производства и значительно расширит область их практического применения.
Целью диссертационной работы является разработка конструкции альфа-ионизационного преобразователя, работающего в области пониженных давлений в широком интервале рабочих температур; исследование физических процессов, протекающих в рабочем объеме и определяющих' его рабочие и метрологические характеристики; создание математической модели, обеспечивающей надежную оценку основных конструктивных и метрологических параметров преобразователя; оценка возможности работы
предлагаемого преобразователя в составе комплекта электронной манометрической аппаратуры (КЭМА).
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
-
Лналив имеющихся конструктивных рошений плі.фа-ионизационных преобразователей давления и существующих представлений о физических процессах, протекающих в их рабочем объеме.
-
Исследование особенностей конструкции и работы однокамерного альфа-ионизационного преобразователя давления, а также способов расчета его рабочих и метрологических характеристик.
-
Исследовании работы альфа иониоациошюго преобразователи давления в режиме детектирования давления, влажности и температуры контролируемой газообразной среды.
-
Разработка конструкции альфа-ионизационного преобразователя давления, работающего в области пониженных давлений в широком интервале рабочих температур, с пониженным уровнем фонового тока и ослабленными флуктуациями рабочего тока. Исследование его рабочих и метрологических характеристик.
-
Разработка математической модели предлагаемой конструкции преобразователя, обеспечивающей надежную оценку его метрологических и рабочих параметров.
-
Исследование работы предлагаемого преобразователя в составе комплекта электронной манометрической аппаратуры как возможной области практического его применения.
Методы исследования. При решении задач исследования использовались методы физического эксперимента, теоретической и прикладной метрологии и численные методы анализа.
Достоверность и надежность полученных в работе экспериментальных и теоретических результатов определяется их сопоставлением и соответствием расчетных данных экспериментально полученным. А также определяется целым комплексом методических приемов, в которые входят: статистическая обработка результатов измерения и определение их статистических характеристик при доверительной вероятности 0,95; использование контрольно-задающего оборудования с высокими метрологическими характеристиками; контрольные измерения рабочих характеристик ИП на
:.i
специализированных стендах ЦАГИ им.Н.Е. Жуковского, имущих специальное метрологическое обеспечение. Научная новизна.
-
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 в области введенных ограничений и допущений.
-
Положив в основу уравнение потерь энергии Бете и Блоха с учетом аппроксимации Гейгера, в работе выполнен расчет энергии алъ-фа-частицы, теряемой ею на произвольном участке пути, что позволило оценить влияние геометрических параметров преобразователя на вид его выходных характеристик.
-
Исследование работы однокамерного альфа-ионизационного преобразователя в режимах детектирования давления, температуры и влажности контролируемой газообразной среды (ГС) позволило не только определить чувствительность преобразователя к изменению оцениваемого параметра, но и установить степень влияния основных дестабилизирующих факторов на устойчивость его рабочих характеристик.
-
В работе предлагается принципиально новая конструкция альфа-ионизационного преобразователя давления («-Щ) с расщепленным анодом , которая по своим конструктивным особенностям относится к многокамерным, сохраняя, в то же самое время, основные черты однокамерных. При этом, благодаря высокой прозрачности электродной системы, преобразователь обладает пониженным уровнем фонового тока и незначительными флуктуациями ионизационного тока.
-
Приведенные в работе соотношения, описывающие потери энергии альфа-частицами на произвольном участке пути, и функциональные зависимости I(P,N,U,T); ц(Р,Т); «(P.U) положены в основу математической модели преобразователя. Данная математическая модель позволила связать величину ионизационного тока с геометрическими параметрами преобразователя, получить исчерпывающую информацию о величине рабочего диапазона, чувствительности преобразователя и линейности его рабочей характеристики. Это решило проблему инженерного расчета такого вида преобразователей.
б. Высокая точность (±1%) и высокая стабильность рабочих характеристик обеспечивают пригодность преобразователей данного типа для контроля давления в аэродинамических трубах, что значительно расширяет область практического применения исследованных в работе альфа-ионизационных преобразователей давления.
Практическая ценность работы. На основании проведенного исследования процессов электропереноса в газообразных средах предложена принципиально новая модель альфа-ионизационного преобразователя давления, способного работать в области пониженных давлений (0.01 - 100) мм.рт.ст. в широком интервале рабочих температур с достаточно высокой точностью (±1%).
Предложенная в работе математическая модель такого преобразователя практически полностью решила проблему инженерного расчета таких преобразователей.
Тщательные многократные испытания опытной партии разработанных преобразователей в различных лабораториях научных центров России (ИПГ им.К.Федорова, ЦАГИ им.Е.Жуковского, СФМЭИ) показали, что практически полное совпадение градуировочных параметров ( Сх, Ni, б ) всех поверяемых альфа-ионизационных преобразователей (в.пределах ±37.) указывает на незначительный разброс их метрологических характеристик, обеспечивающий стабильность инструментальной погрешности. При изготовлении партии таких преобразователей нет необходимости в индивидуальной тарировке отдельно взятого преобразователя, что значительно увеличивает технологичность изготовления таких преобразователей за счет исключения ряда технологических операций.
Кроме того, проведенные испытания показали не только принципиальную пригодность преобразователей такого типа для замены ПЖ-45 и ИМИ-47 в комплектах манометрической электронной аппаратуры, но и для контроля давления в аэродинамических трубах,что значительно расширяет область практического применения исследованных в работе а-ИПД.
Основные положения, выносимые на защиту: 1. Описание процесса электропереноса в слабоионизированных газах при заданных геометрических параметрах ионизационного преобразователя давления в рамках обобщенной математической модели разрядного промежутка.
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 её пробега.
3. Принципиально новая конструкция й-ИПД, 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.
-
Способы расчета ионизационного преобразователя, работающего в области пониженных давлений в основе которых лежит его математическая модель.
-
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 работе преобразователей в ЦАГИ им.Жуковского показали принципиальную пригодность их для аэродинамических труб.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на XI Всесоюзной конференции "Динамика разреженных газов" (г.Ленинград 8-13 июля 1991 г.); на Международной конференции "Датчик - 93" (г.Барнаул 1993г.); на III Харьковской вакуумной конференции (г.Харьков 1993г.); на научном семинаре кафедры "Электронных приборов" МЭИ (г.Москва апрель 1994 г.)
Публикации. Общее количество публикаций по теме диссертационной работы составляет 10 научных работ опубликованных в тезисах докладов трех научно-технических конференций, в сборниках научных трудов СФ МЭИ, а также в научно-технических отчетах кафедры измерительной техники ИМЗИ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 175 страницах машинописного текста, иллюстрированного 46 рисунками, 24 таблицами, списка цитируемой литературы из 140 наименований и двух приложений.
