Теплоэлектрический вакуумметр

 

Использование: изобретение относится к теплоэлектрическим вакууметрам и может быть использовано для измерения давления разреженных газов. Целью изобретения является расширение диапазона рабочих температур теплоэлектрического вакууметра. Сущность изобретения: вакуумметр содержит первичный преобразователь 1, включающий два терморезистора - первый 3, чувствительный к давлению разреженного газа, и второй 2, являющийся датчиком температуры, подключенные первыми выводами к общему проводу, а вторыми - к первым выводам первого и второго постоянных резисторов 6, 5, к первым выводам первого и второго электронных ключей 8, 9 соответственно, вторые выводы электронных ключей соединены с первыми выводами третьего и четвертого постоянных резисторов 7, 4 соответственно, первый 3 терморезистор своим вторым выводом подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя 10, неинвертирующий вход которого соединен со вторым выводом второго 2 терморезистора, а его выход подключен ко вторым выводам второго 2 терморезистора, а его выход подключен ко вторым выводам первого, второго, третьего и четвертого постоянных резисторов, а также ко входам первого 11 и второго 12 устройств выборки-хранения, которые своими выходами соединены соответственно через пятый и шестой постоянные резисторы 13, 14 с инвертирующим и неинвертирующим входами второго операционного усилителя 17, неинвертирующий вход которого через седьмой резистор 15 соединен с общим проводом, а выход через восьмой резистор 16 соединен с инвертирующим входом, причем управляющие входы первого и второго ключей 9, 8, а также первого 11 устройства выборки-хранения соединены с первым выходом управляющего генератора 18, второй выход которого соединен с управляющим входом второго 12 устройства выборки-хранения, а выходом вакууметра является выход второго операционного усилителя 17. 1 ил.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения давления разреженных газов.

Принцип работы теплоэлектрических вакуумметров заключается в регистрации изменения теплоотдачи принудительного нагреваемого электрическим током элемента в окружающую среду в зависимости от давления разреженного газа. Для достижения приемлемых метрологических характеристик в приборах данного типа требуется принятие специальных мер по устранению погрешности измерения, вызванной изменением температуры окружающей среды и нестабильностью источника питания.

Известен вакуумметр, работающий по методу поддерживания постоянной температуры нити и использующий для компенсации указанных выше источников погрешности дополнительный преобразователь, предварительно откачанный до определенного давления и запаянный. Постоянство температуры нити обеспечивается автоматически путем изменения напряжения, питающего преобразователь [1].

Недостатком этого устройства-аналога является возможность эффективного устранения влияния температуры окружающей среды и нестабильности источника питания лишь в некотором ограниченном диапазоне измерения, определяемом давлением, до которого откачен дополнительный преобразователь.

Известен также измеритель вакуума, изготовленный по микроэлектронной технологии с применением принципов микромеханики, чувствительный элемент которого включает два тонкопленочных платиновых резистора [2]. Один из резисторов размещен на тонкой мембране и обладает чувствительностью к давлению разреженного газа, второй находится на кремниевом основании и служит для измерения температуры. Оба резистора включены в одну из ветвей моста, вторая ветвь составлена из постоянных резисторов. Эффективная температурная компенсация требует включения в схему последовательно с измерением температуры дополнительного постоянного резистора.

Недостатком данной схемы является то, что подбор номинала дополнительного резистора возможен для определенной разности температур окружающей среды и чувствительного элемента.

В качестве прототипа выбран теплоэлектрический вакуумметр, который с целью расширения температурного диапазона его работы содержит основную температурную компенсацию, поддерживающую постоянной температуру перегрева чувствительного элемента относительно температуры окружающей среды, и дополнительную, путем вычитания из выходного сигнала напряжения, снимаемого с датчика температуры [3]. Для этого в схему устройства введен аналоговый умножитель напряжения, а резистор температурной компенсации выполнен в виде цепочки из трех резисторов: постоянного, с линейной и квадратичной температурными зависимостями. Окончательная настройка схемы производится путем экспериментального подбора коэффициента передачи вычитающего устройства для определенного типа датчика.

Недостатком этого вакуумметра являются необходимость введения дополнительного устройства умножения аналоговых напряжений, выполнение резистора температурной компенсации в составном виде и экспериментальный подбор коэффициента передачи в канале температурной компенсации.

Целью изобретения является расширение диапазона рабочих температур теплоэлектрического вакуумметра.

Сущность предлагаемого технического решения состоит в том, что в известном вакуумметре, содержащем первичный преобразователь, включающий два терморезистора - первый, чувствительный к давлению разреженного газа, и второй, являющийся датчиком температуры, подключенные первыми выводами к общему проводу, а вторыми - к первым выводам первого и второго постоянных резисторов соответственно, предусмотрены следующие отличительные особенности: в него введены третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой постоянные резисторы, два электронных ключа, два устройства выборки-хранения, управляющий генератор и два операционных усилителя, при этом вторые выводы первого и второго терморезисторов подключены к первым выводам первого и второго электронных ключей соответственно, соединенных своими вторыми выводами с первыми выводами третьего и четвертого постоянных резисторов соответственно, первый терморезистор своим вторым выводом подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен со вторым выводом второго терморезистора, а его выход подключен ко вторым выводам первого, второго, третьего и четвертого постоянных резисторов, а также ко входам первого и второго устройств выборки-хранения, которые своими выходами соединены соответственно через пятый и шестой постоянные резисторы с инвертирующим и неинвертирующим входами второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого через седьмой резистор соединен с общим проводом, а выход через восьмой резистор соединен с инвертирующим входом, причем управляющие входы первого и второго ключей, а также первого устройства выборки-хранения соединены с первым выходом управляющего генератора, второй выход которого соединен с управляющим входом второго устройства выборки-хранения; выходом вакуумметра является выход второго операционного усилителя; выходом вакуумметра является выход второго операционного усилителя.

На чертеже представлена электрическая схема теплоэлектрического вакуумметра.

Возможность осуществления изобретения подтверждается приведенным ниже принципом предлагаемого устройства. Теплоэлектрический вакуумметр состоит из первичного преобразователя 1, включающего два терморезистора 2 и 3, постоянных резисторов 4, 5, 6, 7, 13, 14, 15, 16, электронных ключей 8 и 9, операционных усилителей 10 и 17, устройств выборки-хранения 11 и 12, управляющего генератора прямоугольных импульсов 18. Терморезисторы 2 и 3 с номиналами сопротивлений R_t и R_p соответственно подключены первыми выводами к общему проводу, а вторыми - к постоянным резисторам 5 и 6 с номиналами R2 и R3. Параллельно резистору 5 включены соединенные последовательно резистор 4 номиналом R1 и электронный ключ 8. Аналогичная последовательная цепь, состоящая из резистора 7 R₄ и ключа 9, включена параллельно резистору 6. таким образом, резисторы R1, R2, R3, R4, P_p, P_t и ключи 8 и 9 образуют мост, к измерительной диагонали которого подключен операционный усилитель 10 так, что точка соединения резисторов 3, 6 и ключа 9 соединена с его инвертирующим входом, а точка соединения резисторов 2, 5 и ключа 8 - с неинвертирующим. Выход усилителя 10 подключен к точке соединения резисторов 4, 5, 6, 7, а также к входам устройств выборки-хранения 11 и 12. Выходы устройств выборки-хранения соединены с входами вычитающего усилителя на базе операционного усилителя 17 и постоянных резисторов 13, 14, 15 и 16.

Терморезисторы первичного преобразователя 1 изготовлены из одного материала с температурным коэффициентом сопротивления "a". Номинал резистора R_t имеет линейную зависимость от температуры окружающей среды Т_ср, а его разогрев измерительным током пренебрежимо мал: R_t = R_t0 (1 + а·Т_ср) (1) где R_t0 - номинал R_t при Т_ср = 0^oC.

Второй терморезистор измерительного преобразователя R_p выполнен с высокой степенью тепловой изоляции от корпуса, и его номинал определяется температурой окружающей среды и рассеиваемой на нем мощностью электрического тока P.

R_p = R_p0 (1 + а · (Т_ср + Т_доп)) (2) где P_p0 - номинал R_p при Т_ср = 0^oC и отсутствии дополнительного разогрева, Т_доп - температура дополнительного разогрева.

Общие тепловые потери нагреваемого электрическим током чувствительного элемента характеризуются его тепловым сопротивлением и обусловлены несколькими механизмами: интенсивностью передачи тепла от резистора R_p в окружающий газ, его тепловым контактом с корпусом преобразователя и потерями на тепловое излучение. Температура дополнительного разогрева терморезистора и рассеиваемая на нем мощность электрического тока связаны зависимостью: Т_доп = к · р (3) где k - тепловое сопротивление.

В случае когда ключи 8 и 9 разомкнуты, выходное напряжение U₁ усилителя 10 установится таким, что мост окажется сбалансированным за счет разогрева резистора R_p (исходя из требования равенства напряжений на входах находящегося в линейном режиме операционного усилителя): R_p/R3 = R_t/R2 (4) Выполнение равенства (4) обеспечивается подбором номиналов R2 и R3 для предварительно измеренных R_р0, R_t0. Температура дополнительного разогрева при этом примет следующее значение:
Решая уравнения (1) - (5) относительно U₁, получаем:

В случае когда ключи 8 и 9 замкнуты, их сопротивления в замкнутом состоянии пренебрежимо малы по сравнению с номиналами R1 и R4, а частота коммутации ключей выбрана такой, что изменение температуры и давления газа за период незначительны, выходное напряжение U₂ усилителя 10 определяется выражением:

Напряжения U₂ и U₁ запоминаются соответственно устройствами выборки-хранения 11 и 12, синхронизацию которых с ключами 8 и 9 осуществляет генератор 18 так, что период выборки устройства 11 соответствует замкнутому состоянию ключей 8 и 9, а период выборки устройства 12 - разомкнутому. Выполнив дополнительное условие

обеспечивающее постоянство R_p независимо от состояния ключей 8 и 9 и произведя вычитание напряжений с выхода устройств выборки-хранения с помощью разностного усилителя, собранного на операционном усилителе 17 и резисторах 13, 14, 15 и 16, получаем на выходе:

Изменения температуры окружающей среды приводят к изменениям номиналов резисторов R_р и R_t по причине их температурной чувствительности, последующим изменениям рассеиваемой на них мощности электрического тока и как следствие к изменению температуры перегрева Т_доп резистора R_р. Присутствие номинала резистора R_t в выражениях (6) и (7) соответствует указанным выше механизмам температурной нестабильности напряжений U₁ и U₂, тогда как разница U₁ - U₂ в соответствии с выражением (9) при выполнении дополнительного условия (8) от этих механизмов свободна.

Следовательно, предложенное в изобретении техническое решение обеспечивает достижение поставленной цели - расширения диапазона рабочих температур теплоэлектрического вакуумметра. Температурная компенсация выходного напряжения во всем диапазоне измеряемых давлений осуществляется, таким образом, двояко: путем включения в схему терморезистора R_t, отслеживающего температуру газа, а также путем измерения разности двух напряжений запитки сбалансированного измерительного моста при разных значениях общего сопротивления комбинации его постоянных резисторов.

Использование высокостабильного источника питания для запитки первичного преобразователя, а также подбор коэффициента преобразования канала вычитания в предложенной схеме не требуется.

Формула изобретения

Теплоэлектрический вакуумметр, содержащий первичный преобразователь, включающий два терморезистора первый, чувствительный к давлению разреженного газа, и второй, являющийся датчиком температуры, подключенные первыми выводами к общему проводу, а вторыми к первым выводам первого и второго постоянных резисторов соответственно, отличающийся тем, что в него введены третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой постоянные резисторы, два электронных ключа, два устройства выборки-хранения, управляющий генератор и два операционных усилителя, при этом вторые выводы первого и второго терморезисторов подключены к первым выводам первого и второго электронных ключей соответственно, соединенных своими вторыми выводами с первыми выводами третьего и четвертого постоянных резисторов соответственно, первый терморезистор своим вторым выводом подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с вторым выводом второго терморезистора, а его выход подключен к вторым выводам первого, второго, третьего и четвертого постоянных резисторов, а также к входам первого и второго устройств выборки-хранения, которые своими выходами соединены соответственно через пятый и шестой постоянные резисторы с инвертирующим и неинвертирующим входами второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого через седьмой резистор соединен с общим проводом, а выход через восьмой резистор соединен с инвертирующим входом, причем управляющие входы первого и второго ключей, а также первого устройства выборки-хранения соединены с первым выходом управляющего генератора, второй выход которого соединен с управляющим входом второго устройства выборки- хранения, а выходом вакуумметра является выход второго операционного усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1