Sposób oceny stanu próżni w próżniowej komorze gaszeniowej

RZECZPOSPOLITA
PO LSK A
(12) OPIS PATENTOW Y (19) PL (11) 155548
(13) B1
(21)Numer zgłoszenia: 266317
Urząd Patentow y
R zeczypospolitej Polskiej
(54)
(51) IntCl5:
G01M 3/32
(22) Data zgłoszenia: 17.06.1987
G01L 21/30
Sposób oceny stanu próżni w próżniowej komorze gaszeniowej
(73) Uprawniony z patentu:
Politechnika Warszawska, Warszawa, P L
(43)
Zgłoszenie ogłoszono:
22.12.1988 BUP 26/88
(72) Twórcy wynalazku:
Karol Lityński, Warszawa, PL
Zbigniew Wichrowski, Warszawa, PL
PL
155548
B1
(45)
O udzieleniu patentu ogłoszono:
31.12.1991 WUP 12/91
Sposób oceny stanu próżni w próżniowej komo
rze gaszeniowej umieszczonej w osiowym polu
magnetycznym przez pomiar prądu wyładowania
jarzeniowego, znamienny tym, że komorę (K) umieszcza się w zdeformowanym osiowym polu magnetycznym skoncentrowanym w obszarze wyładowania jarzeniowego, po czym pomiędzy rozwarte
mechanicznie elektrody wykonawcze (Es, Er) komory przykłada się wysokie stałe napięcie (Upob)
generując prąd emisji polowej wspomagający inicjację wyładowania, natomiast po ustaleniu się
natężenia pola magnetycznego i prądu emisji, pomiędzy stałą elektrodą wykonawczą (Es) a odizolowany elektrycznie od elektrod wykonawczych metalowy ekran (Ee) przykłada się impuls wysokiego
napięcia (Upom) inicjując w tym obwodzie wyła
dowanie jarzeniowe, po czym po ustaleniu się amplitudy tego impulsu (Upom) mierzy się średnią wartość prądu wyładowania, będącego miarą próżni
we wnętrzu komory.
Sposób oceny stanu próżni w próżniowej komorze gaszeniowej
Zastrzeżenie
patentowe
Sposób oceny stanu próżni w próżniow ej kom orze gaszeniowej um ieszczonej w osiowym polu
m agnetycznym przez pom iar p rąd u w yładow ania jarzeniow ego, znamienny tym, że kom orę (K)
umieszcza się w zdeform ow anym osiowym polu m agnetycznym skoncentrow anym w obszarze
wyładow ania jarzeniow ego, po czym pom iędzy rozw arte m echanicznie elektrody wykonawcze (Es,
Er) kom ory przykłada się wysokie stałe napięcie (Upob) generując p rą d emisji polowej w spom agający inicjację w yładow ania, natom iast po ustaleniu się natężenia pola m agnetycznego i prądu
emisji, pom iędzy stałą elektrodą w ykonaw czą (Es) a odizolow any elektrycznie od elektrod wykonawczych m etalow y ekran (Ee) przykłada się impuls wysokiego napięcia (Upom) inicjując w tym
obwodzie wyładowanie jarzeniow e, po czym po ustaleniu się am plitudy tego im pulsu (Upom)
mierzy się średnią w artość prądu w yładow ania, będącego m iarą próżni we w nętrzu kom ory.
* * *
Przedm iotem w ynalazku jest sposób oceny stanu próżni w próżniow ej kom orze gaszeniowej,
pozw alający na prognozow anie okresu jej spraw ności, a więc na określenie dopuszczalnego czasu
użytkow ania czy m agazynowania.
Próżniow e kom ory gaszeniowe są szeroko rozpow szechnionym i podzespołam i energetyki
profesjonalnej, pracującym i w charakterze styczników lub bezpieczników w ysokoprądowych.
K om ora gaszeniowa składa się z pary elektrod, um ieszczonych we w nętrzu próżnioszczelnej
obudow y. Jedna z elektrod jest nieruchom a, zaś druga dzięki zastosow aniu połączenia m ieszkowego ma możliwość wykonyw ania ograniczonego ruchu wzdłuż sym etrii kom ory. Próżnioszczelna
obudow a w ykonana jest częściowo z m ateriału izolacyjnego w celu elektrycznego odseparow ania
elektrod wykonawczych. Ponieważ w czasie rozw ierania znajdujących się p o d napięciem elektrod
dochodzi do rozpylenia pewnej ilości m etalu, kom ora w yposażona jest w jeden lub kilka ekranów
kondensacyjnych, przeciw działających nałożeniu warstwy m etalicznej na izolacyjne elem enty obudowy. Jednym z param etrów określających przydatność kom ory do pracy jest ciśnienie panujące w
jej w nętrzu. Powszechnie przyjm uje się, że ciśnienie gazu w próżnioszczelnej obudow ie pow inno
być niższe niż 10-2 Pa. Przekroczenie tej w artości może utrudnić lub naw et uniemożliwić zgaszenie
łuku elektrycznego pow stającego w obszarze m iędzyelektrodowym w m om encie rozw arcia tych
elektrod. W celu określenia jakości k om ory pod kątem panującego we w nętrzu ciśnienia mierzy się
p rąd w yładow ania jarzeniow ego we wzajemnie skrzyżowanych stałych polach, elektrycznym i
m agnetycznym , wytworzonych we w nętrzu kom ory, gdyż p rąd w yładow ania jest proporcjonalny
do koncentracji gazu w objętości kom ory, jest więc tym sam ym m iarą panującego w niej ciśnienia.
W stosow anych rozw iązaniach dla oceny stanu próżni układ zasilająco pom iarow y składa się z
obw odu elektrycznego i m agnetycznego. D o zasilania kom ory zastosow ano tran sfo rm ato r wysokonapięciow y z pełnookresow ym prostow nikiem i filtrem pojem nościow ym na uzwojeniu w tórnym. K atodę stanow ią rozw arte m echanicznie elektrody wykonaw cze kom ory, a anodę - metalowy
ekran, przeciwdziałający napylaniu w arstw y metalicznej na w ew nętrzną powierzchnię izolatora. W
obw ód pom iarow y włączony jest szeregowy rezystor ograniczający p rąd w yładow ania. Stałe
osiowe pole magnetyczne w ytw arzano za pom ocą zwojnicy współosiowej z kom orą.
Ten sposób oceny stanu próżni znajduje zastosow anie do określenia jakości kom ory w celu jej
bezpośredniego użycia. N atom iast konieczność prognozow ania czasu spraw ności i przydatności
kom ory wym aga pom iaru ciśnienia o dw a do trzech rzędów wielkości niższego, tj. na poziom ie
10-4Pa. Stwarza to określone trudności pom iarow e wynikające z fak tu , że elem enty kom ory nie są
projektow ane pod kątem optym alizacji konstrukcji jonow ego przetw ornika ciśnienia z zim ną
k ato d ą, podczas gdy wym agana granica dolnego zakresu pom iarow ego zbliża się tu do wartości
osiąganych przez typowe próżniom ierze z zim ną katodą. Przykład rozw iązania tego problem u jest
przedstaw iony w Simens Review vol. 45 no 2, 1978, N. K uhl, K. W iehl "Device for M easuring the
155 548
3
Internal Pressure of Vacuum In te rru p te r". D o określenia ciśnienia w ykorzystano tu po m iar p rądu
wyładowania w układzie diody płaskiej utworzonej przez rozsunięcie elektrod wykonawczych.
W yładow anie przebiega w skrzyżow anych polach elektrycznym i m agnetycznym . W obecności
stałego pola m agnetycznego im pulsowy przebieg napięcia zasilającego przyłożonego na elektrody
wykonawcze doprow adza do w yładow ania w o b szarze m iędzyelektrodowym kom ory. Przebieg
im pulsu jest rejestrow any na ekranie oscyloskopu z pam ięcią. M iarą ciśnienia jest pom ierzona
w artość prądu w impulsie. D olny zakres pom iarow y osiąga w artość około 5 • 10_5Pa, co czyni ten
sposób pom iaru przydatnym do prognozow ania okresu użytkow ania kom ór gaszeniowych.
W yładow anie jarzeniow e inicjuje się tu pom iędzy elektrodam i wykonaw czym i, z których
jedna jest ruchom a. Z m iana położenia tej elektrody m a niekorzystny wpływ na pow tarzalność
wyników pom iaru. P o nadto, przez p om iar całkow itego im pulsu w yładow ania nie m a możliwości
wyelim inowania wypływ u prądu pojem nościow ego na wynik pom iaru, ja k również wpływu stanu
powierzchni elektrod. Bra k pow tarzalności zapłonu w zakresie niskich ciśnień oraz niekorzystny
wpływ tła ogranicza dolny zakres pom iarow y m etody.
Isto ta wynalazku polega na tym , że tw orzy się dwa obw ody elektryczne, z których jeden służy
do generacji prądu emisji polowej przez przyłożenie pom iędzy rozw arte m echanicznie elektrody
wykonawcze kom ory stałego wysokiego napięcia pubudzającego w spom agającego zaistnienie
wyładowania jarzeniow ego, a drugi obw ód służy do wywołania tego wyładow ania przez przyłożenie pom iędzy stałą elektrodą w ykonaw czą a odizolow any elektrycznie od elektrod wykonawczych
m etalow y ekran im pulsu wysokiego napięcia. W yładow anie jarzeniow e inicjuje się po ustaleniu się
natężenia zdeform ow anego osiow ego pola m agnetycznego, w którym umieszcza się kom orę oraz
po ustaleniu się p rąd u emisji polow ej. M iarą próżni we wnętrzu kom ory jest średnia w artość prądu
w yładow ania, który jest m ierzony po ustaleniu się am plitudy im pulsu pom iarow ego. Z anik tego
im pulsu przerywa wyładowanie w kom orze.
Rozwiązanie według w ynalazku pozw ala na ocenę stanu próżni w szerokim zakresie ciśnień
10- 1/ 5 • 10_8Pa ze szczególnym uwzględnieniem możliwości prognozow ania długoterm inow ej
sprawności kom ór gaszeniowych. Zastosow anie dwóch niezależnych obw odów pozw ala na uzyskanie pow tarzalności zapłonu przez wytworzenie odpowiedniej koncentracji elektronów , których
źródłem jest prąd emisji polowej z jednoczesnym wyeliminowaniem jego niekorzystnego wpływu
na wynik, jak o że p rąd ten nie jest funkcją ciśnienia gazu w kom orze a jego w artość zależy tylko od
różnicy potencjałów i odległości m iędzy elektrodam i. N atom iast w ykorzystanie zjawiska emisji
polowej um ożliwia przesunięcie dolnego zakresu pom iarow ego o co najm niej rząd wielkości w
stronę niskich ciśnień. P o nadto, m iarą ciśnienia nie jest tu całkow ity prąd płynący w impulsie, a
p rąd płynący w zadanym przedziale czasow ym , po ustaleniu się zarów no w arunków zasilania ja k i
samego im pulsu pom iarow ego. Początkow y prąd wyładowania jarzeniow ego jest ściśle związany
ze stanem powierzchni elektrod i pojem nością m iędzyelektrodow ą, dopiero w następnej fazie
wyładow ania zaznacza się decydujący wpływ zjawisk w przestrzeni m iędzyelektrodowej, których
intensywność jest bezpośrednio zw iązana z ciśnieniem we w nętrzu próżnioszczelnej obudowy.
Również zastosow anie zdeform ow anego osiowego pola m agnetycznego pozw ala na przesunięcie
jego m aksim um w odpow iedni o b s z a r kom ory, co pozw ala na zawężenie obszaru w yładow ania i
prow adzi do popraw y jego stabilności w całym zakresie pom iarow ym .
Ponadto, zastosow any niezależny obw ód pobudzający jest źródłem o małej mocy, w związku z
czym wzrost tem peratury gazu w kom orze spow odow any prądem emisji polowej jest m inim alny i
nie pow oduje w zrostu ciśnienia w stopniu zakłócającym wyniki pom iaru. Z aletą rozw iązania jest
również to, że wyeliminowany został wpływ na w artość prądu sygnału pom iarow ego wynikający z
niewielkiej nawet zm iany położenia ruchom ej elektrody wykonawczej.
Przedm iot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładzie w ykonania zilustrow anym na
rysunku, na którym fig. 1 przedstaw ia schem at blokowy urządzenia realizującego sposób oceny
stanu próżni w kom orze, a fig. 2 - przebiegi czasowe sygnałów zasilających i pom iarow ych.
Kom orę K umieszcza się w osiowym polu m agnetycznym wytworzonym za pom ocą elektromagnesu Em. Pole m agnetyczne posiada zdeform ow any przez nabiegunnik N, osiowy rozkład
natężenia indukcji m agnetycznej, której m aksim um w ypada w obszarze w yładowania. O bw ód
w yładow ania i pom iaru p rąd u w yładow ania składa się z w ysokonapięciow ego zasilacza im pulsowego Z 1, szeregowego rezystora ograniczającego Rsz, kom ory K, układu pom iaru p rąd u
-
4
155 548
wania UPPW oraz układu sterującego US. Napięcie pom iarow e Upom z zasilacza Z1 o am plitudzie
kilku kilow oltów jest dołączane na czas około 100 ms i w tym okresie w ytw arza stałą polaryzację
elektrod, stałej Es i elektrody ekranującej Ee. D ruga z elektrod wykonawczych, elektroda ruchom a
E r nie wchodzi w skład obw odu pom iarow ego i jest m echanicznie odseparow ana od elektrody
nieruchom ej Es. Ze względów praktycznych pożądane jest, aby nieruchom a elektroda wykonawcza
Es posiadała potencjał masy stanow iska pom iarow ego. Z adaniem rezystora szeregowego Rsz jest
ograniczenie prądu wyładow ania i niedopuszczenie do przejścia wyładow ania jarzeniow ego w
łukowe. U kład sterujący US zapewnia czasowy przebieg wysokiego napięcia oraz skorelow any z
nim impulsowy przebieg cyklu pom iarowego.
Układ wspom agający zapłon służy do dostarczenia sw obodnych nośników ładunku elektrycznego niezbędnych do inicjacji w yładow ania jarzeniow ego, szczególnie w zakresie niskich ciśnień i
składa się z zasilacza wysokiego napięcia Z2 połączonego przez rezystor ograniczający Ro z
ruchom ą elektrodą wykonawczą Er. O bw ód zam yka się przez obszar m iędzyelektrodow y i stałą
elektrodę wykonawczą Es.
W ysokie napięcie pobudzające Upob z zasilacza Z2 rzędu kilku kilow atów podaw ane jest
poprzez rezystor ograniczający Ro na rozw arte elektrody wykonawcze Es, Er. Ze względu na duże
natężenie pola elektrycznego, w obwodzie pobudzania zapłonu płynie p rąd wywołany p o lową
emisją elektrodów . W artość natężenia tego p rąd u pow inna być na tyle duża, aby zapew nić
pow tarzalny zapłon wyładow ania w zakresie niskich ciśnień, a z drugiej strony m oc wydzielona w
kom orze K na skutek przepływu prądu nie pow inna wpływać w sposób istotny na tem peraturę gazu
we wnętrzu kom ory K.
Ocena stanu próżni polega na pom iarze średniej w artości prądu w pewnym odstępie czasu
t 2- t 3 od zapłonu wyładow ania jarzeniow ego w ustalonych w arunkach natężenia osiowego pola
magnetycznego H i napięcia pobudzającego Upob.
Ustalenie się natężenia pola m agnetycznego H i prądu emisji polowej następuje w czasie t 1- t 2.
Po czasie t 2 zostaje włączone wysokie napięcie obw odu pom iarow ego Upom i w rezultacie następuje
zapłon wyładowania jarzeniow ego iwył. Czas t 2- t 3 jest niezbędny na ustalenie się wartości pom iarowego impulsu napięciowego Upom. Pom iar prądu wyładowania odbywa się w przedziale t 3- t 4 ,
po czym po czasie t5 następuje koniec im pulsu napięcia pom iarow ego Upom i przerw anie wyłado
wania iwył. Czas trw ania zapłonu t 2- t 5 nie przekracza 100 ms.
Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 100 egz.
Ce na 3000 zł