где т),р -чувствительность манотрона по току к давлению; Ри - измеряемое давление, воздействующее на упругий элемент манотрона с внешней стороны; рв.б - давление внутри баллона манотрона.

Для стабильной работы манотрона необходимо, чтобы случайные изменения давления внутри его баллона не сказывались на показаниях прибора. Это возможно в том случае, если выполняется условие

P«m,n»Ps.6, (2.68)

где Ритм-давление, соответствующее нижнему пределу измерений (или минимальное измеряемое манотро-ном давление).

При выполнении условия (2.68) изменение тока подвижного анода А/а.п и показания манотрона будут пропорциональны непосредственно измеряемому давлению ри

Д/а.п = и>/и. (2-69)

Внутри баллонов вакуумных манотронов при их изготовлении создается вакуум порядка 10--10"* Па. При работе манотрона из-за процессов газоотделения его деталей и диффузии газов (в первую очередь водорода и гелия) через оболочку прибора возможно ухудшение вакуума внутри баллона манотрона. Если предположить, что в процессе эксплуатации манотрона случайные неконтролируемые колебания вакуума внутри баллона прибора лежат в пределах Ю"*-10" Па и принять отношение/?и minZ/B. б равным 10, то предельное минимальное давление, которое может быть измерено вакуумным манотроном с достаточно высокой достоверностью может быть оценено значением

10-2 Па.

(2.70)

Рч min (пред)

Это значение ограничивает нижний предел измеряемых давлений в манотронах разработанных конструкций, предназначенных для измерения разрежений.

Типичные конструкции манотронов, предназначенных для измерения вакуума, изображены на рис. 2.13. Эти конструкции отличаются друг от друга видом упругого элемента. В качестве последнего в манотронах применяются плоские (рис. 2.13,а) и гофрированные (рис. 2.13,6) мембраны, сильфоны (рис. 2.13,в) и мембранные коробки (рис. 2.13,г).

Рис. 2.13. Конструкции манотронов с различными упругими чувствительными элементами

Сдвоенные диодные манотроны, изображенные на рис. 2.13, состоят из двух основных узлов: катодного и узла кинематической системы.

Узел кинематической системы содержит упругий чувствительный элемент /, подвижный анод 2, связанный с упругим элементом посредством держателя 3, фланец 4, стеклянный баллон 5 и ограничитель 6. Металлический фланец 4 соединяется со стеклянным баллоном 5 путем высокочастотной пайки стекла и металла, а с упругим элементом 1 - роликовой электроконтактной сваркой.

Катодный узел содержит катод 7 косвенного накала (подогреватель 8) и неподвижный анод 9, которые с помощью слюдяных пластин соединены в жесткий пакет. Последний укреплен между верхней и нижней опорными слюдами 12 и 13, которые соединяются между собой траверзами 14 и 15, причем нижние концы этих траверз приварены к выводам 16 стеклянной ножки манотрона. Манотрон снабжен стандартным газопоглотителем 17 и присоединительным патрубком 18. Жесткая посадка и центровка катодного узла в балло-

не манотрона обеспечивается упорными пружинами 19, которые жестко соединены с опорными слюдами 12 и 13. Электрический вывод подвижного анода на ножку манотрона осуществляется с помощью эластичной контактной пружины 11.

В маиотронах, рассчитанных на измерение вакуума, применяются высокочувствительные упругие элементы, изготовленные, как правило, из нержавеющей стали 36НХТЮ или ковара 29НК [40] малой толщины (0,06- 0,1 мм). В процессе эксплуатации и изготовления манотрона на его упругий элемент могут действовать значительные перегрузки, например давление, равное атмосферному, под действием которого может возникнуть необратимая пластическая деформация упругого элемента, сопровождающаяся изменением его геометрических размеров, что недопустимо. Для предотвращения подобного явления в высокочувствительных маиотронах, предназначенных! для измерения вакуума, устанавливаются ограничители 6 хода упругого элемента. В конструкциях манотронов, изображенных на рис. 2.13,а, б, ограничитель выполнен в виде плоского или фигурного кольца, приваренного к фланцу 4, к поверхности которого при перегрузке манотрона прилегает мембрана 1, сохраняя такое положение вплоть до снятия перегрузки. В манотроне с сильфоном (рис. 2.13,в) ограничитель 6 имеет форму фигурного цилиндра, верхняя часть которого приваривается к фланцу 4.

В маиотронах с упругим элементом в виде складывающейся коробки (рис. 2.13,г) ограничителей не требуется: при увеличении внешнего давления выше предельного коробка складывается, т. е. верхняя и нижняя ее мембраны приходят в соприкосновение друг с другом по всей поверхности.

Между патрубком и упругим элементом манотрона образуется так называемый измерительный резервуар, объем которого в большинстве случаев следует делать по возможности меньшим.

Патрубок манотрона делается обычно из ковара и с металлическими вакуумными системами легко соединяется пайкой оловянным припоем или посредством грибкового уплотнения, а со стеклянными - через специальный стеклянный переход, который предварительно напаивается на патрубок.

При сборке манотрона необходимо устанавливать параллельность электродов и по возможности строго

выдерживать расстояние da,K(n) между подвижными анодом и катодом:

d,.H(u) = da.H<H) + w„x, (2.71)

где с?а.к(:.) -расстояние между катодом и неподвижным анодом; даа - максимальный ход упругого элемента.

В , конструкциях манотронов, изображенных на рис. 2.13, контроль расстояния cfa.K(n) при монтаже обычно производится визуально. Более точный контроль этого расстояния может быть осуществлен с помощью шатографа.

Использование плоских и гофрированных мембран (рис. 2.13,а, б) целесообразно в основном для манотронов, предназначающихся для измерения низкого вакуума в диапазоне 13,3-5-10* Па. В маиотронах, предназначенных для измерения среднего вакуума в диапазоне 10~-13,3 Па, целесообразно применять высокочувствительные упругие элементы - сильфоны и мембранные коробки (рис. 2.13,6, г).

Все описанные выше конструкции манотронов могут использоваться для измерения не только вакуума, но и давлений, близких к атмосферному (например, в диапазоне 6,5-10*-1,1-10 Па), и давлений, превышающих атмосферное давление (например, О-10 Па). При. этом в маиотронах применяются более жесткие"<упругие элементы, параметры которых определяются соответствующим расчетом, причем необходимость установки специальных ограничителей хода упругих элементов обычно отпадает, а конструкция узла кинематической системы существенно упрощается.

Как показали наши исследования, консНгрукции манотронов, изображенных на рис. 2.13, обладают повышенной чувствительностью к воздействию внешних факторов и в первую очередь - к колебаниям температуры и давления окружающей среды. Это связано с тем, что баллон манотрона, непосредственно контактирующий с окружающей средой, в указанных конструкциях является основной частью главной размерной цепи преобразователя. На рис. 2.13,а штриховой линией показана главная размерная цепь манотрона, замыкающаяся на межэлектродный промежуток подвижный анод - катод (а.к (п)). Изменение размеров баллона из-за воздействия на него температуры и давления окружающей среды вызывает паразитные изменения расстояния da.к (п).

что приводит к нестабильности выходного сигнала манотрона и к дополнительной погрешности при измерении давления.

Следует отметить, что влияние внешних факторов - температуры и давления окружающей среды особенно, сильно сказывается на показаниях высокочувствительных манотронов, предназначенных, например, для измерения вакуума в общем диапазоне 10~2-10 Па (10-*-10 мм рт. ст.). При этом нижнему пределу измерений должны соответствовать особенно малые перемещения (Ат,л) подвижного анода (порядка 0,1 - 0,05 мкм). Температурные же изменения размеров баллона манотрона составляют десятые доли микрона при изменении температуры окружающей среды на 1°С.

Повышение точности измерений манотронами может быть достигнуто за счет теплового экранирования или термостатирования их баллонов. Однако этот путь снижения температурной погрешности измерения не является оптимальным, так как обычно приводит к значительному усложнению конструкции манотронного датчика давления в целом. Кроме того, при термостатировании

Рис. 2.14. Конструкция маиотроиа с базовым цилиндром и механическим тер-мокомпеисатором:

/ - базовый цилиндр; 5 -сильфон; 5 -держатель подвижного анода; 4 - подвижный анод; 5 -траверза; 6 - катод; 7 - неподвижный анод; 8 - слюдяной экран; 9 - опорные слюдяные диски катодного узла; /О - стеклянный баллон; - фланец; /2 - выводы ножки; 13 - эластичные контактные пружинки; 14 - патрубок; /5 - стеклянная ножка; /5 - газопоглотитель; 17 - подогреватель; 18 - термокомпенсатор

манотрона не решается задача снижения влияния колебаний давления окружающей среды на его показания. В связи с вышесказанным были разработаны специальные конструкции высокостабильных манотронов, в которых крепление катодного узла осуществлялось не к стеклянному баллону (как это сделано в манотронах, изображенных на рис. 2.13), а непосредственно к фланцу манотрона. Предварительно упругий элемент с подвижным анодом и катодный узел соединяются между собой в единую арматуру, которая приваривается непо-

средственно к фланцу с помощью так называемого базового цилиндра / (рис. 2.14). При этом указанная арматура оказывается отделенной от стеклянного баллона вакуумным зазором; баллон уже не входит в состав элементов главной размерной цепи, причем основная часть этой размерной цепи оказывается изолированной от окружающей среды вакуумной рубашкой, имеющей весьма низкую теплопроводность.

В конструкциях манотронов с базовым цилиндром удается существенно (~в 10 раз) снизить влияние температуры и давления окружающей среды на главную размерную цепь манотрона и тем самым повысить стабильность его выходного сигнала.

Применение в манотроне базового цилиндра не устраняет, однако, температурную нестабильность, обусловленную колебаниями температуры газа, давление которого измеряется. Для снижения температурной погрешности манотрона в этом случае нами был применен специальный термокомпенсатор [45, 46].

Конструкция манотрона, изображенная на рис. 2.14, кроме базового цилиндра снабжена таким термокомпенсатором, который представляет собой тонкостенную металлическую трубку, расположенную коаксиально сильфону манотрона. При случайном изменении температуры газа, давление которого измеряется, происходит изменение размеров как сильфона, так и термокомпенсатора, причем указанные изменения размеров сильфона и термокомпенсатора оказывают противоположное действие на положение подвижного анода в манотроне. Например, при повышении температуры газа сильфон удлиняется и смещает подвижный анод в направлении к катоду, а соответствующее удлинение термокомпенсатора при этом смещает анод в направлении от катода. При соответствующем выборе конструкции и материала термокомпенсатора удается значительно (в 4-5 раз) уменьшить температурную нестабильность показаний манотрона, обусловленную неконтролируемыми изменениями температуры газа, давление которого измеряется.

Следует отметить, что применение описанного термокомпенсатора особенно целесообразно в манотронах с сильфонами, рассчитанных на измерение атмосферного давления и давлений, близких к атмосферному, так как в этом случае температурное взаимодействие газа и сильфона значительно сильнее, чем в манотронах, предназначенных для измерения вакуума.