СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G01L21/14 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения давления разреженных газов с помощью термопар, измеряющих температуру нагретого или охлажденного тела в условиях вакуума.

Известен способ определения давления разреженных газов [1] заключающийся в том, что спай термопары, помещенный в исследуемую газовую среду, приводят в тепловой контакт с проволочным нагревателем, пропускают через нагреватель электрический ток, измеряют генерируемую термопарой ЭДС и определяют давление разреженного газа по градуировочной зависимости

где Р давление, Е_макс максимальная ЭДС термопары при минимальном давлении, Е ЭДС термопары при измерении текущего Р, А - коэффициент, зависящий от конструктивных параметров датчика и температуры окружающей среды.

Устройство для определения давления разреженных газов (термопарный вакуумметр) представляет собой герметизированную колбу цилиндрической формы, в которую вмонтированы электрический нагреватель и термопара. Средняя часть нагревателя и спай термопары находятся в тепловом контакте благодаря металлической перемычке. Применяются термопарные датчики давления двух типов, ЛТ-2 в стеклянном корпусе и ЛГ-4М в металлическом. Рабочий ток нагревателя для каждого из датчиков определяется экспериментально по максимальной ЭДС (10 мВ) при давлении в колбе менее 10 ^-4 мм рт.ст. Диапазон измеряемых давлений находится в интервале значений 5•10^-1 10^-3 мм рт.ст.

Для расширения диапазона измерений в сторону малых давлений используют способ, основанный на применении форсированного температурного режима путем максимального увеличения рабочего тока через нагреватель. Это позволяет обнаруживать изменения ЭДС термопары при больших разрежениях газа.

Термопарные измерительные преобразователи давления разреженных газов незаменимы при дистанционных измерениях давления во взрывоопасных и агрессивных средах, где ионизация и электроразряд не допускаются.

Недостатком известных способов и устройств является большая погрешность измерения (до ±30% ) из-за нестабильности градуировочной характеристики в процессе эксплуатации. Это объясняется сильной зависимостью ЭДС, генерируемой термопарой, от электрической мощности, которая рассеивается в нагревателе, и теплопроводности самого нагревателя, которые изменяются независимо от давления. Так, непостоянство протекающего тока и его зависимость от температуры не позволяют стабилизировать выделяемую мощность и получить однозначную зависимость ЭДС термопары от давления разреженного газа. Отвод тепла от спая термопары за счет теплопроводности нагревателя из корпуса при больших разрежениях, т.е. при малых плотностях газа, становится соизмеримым с теплопередачей от термопары до стенок колбы за счет теплопроводности исследуемого газа, что создает большие погрешности измерения малых значений давления газа. Нарушение теплового контакта между нагревателем и термопарой также снижает точность контроля глубины вакуума.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения давления разреженных газов [2] заключающийся в том, что спай термопары помещают в исследуемую газовую среду, подводят тепло непосредственно к спаю термопары пропусканием через электроды постоянного тока, измеряют генерируемую термопарой ЭДС, по величине которой определяют количество тепла, отводимого от спая через исследуемую среду, и судят о давлении разреженного газа.

Устройство для измерения давления разреженного газа содержит колбу, соединенную с полостью объема эвакуированного газа, в которой размещены два электрода из различных материалов, средние части которых находятся в электрическом контакте и образуют общий спай, источник постоянного напряжения, соединенный через миллиамперметр со входными зажимами электродов, и милливольтметр, подключенный к выходным зажимам электродов.

Отвод тепла от общего спая термопары, зависящий от давления газа в измерительной колбе, определяют непосредственно по температуре, измеряемой с помощью милливольтметра.

Диапазон измерения разреженных газов обеспечивается от нескольких единиц до 10^-3 мм рт.ст.

Однако известный способ и устройство не обеспечивают высокой точности измерения давления. Это объясняется влиянием на ЭДС, генерируемую термопарой, непостоянства электрической мощности, которая рассеивается в нагретом спае термопары. С одной стороны, в спае из различных материалов выделяется или поглощается тепло за счет эффекта Пельтье, пропорциональное силе тока. С другой стороны, в электродах термопары выделяется тепло Джоуля, пропорциональное квадрату силы тока. Непостоянство силы тока приводит к перераспределению этих тепловых потоков. Кроме того, суммарное значение рассеиваемой мощности при этом изменяется. На значение ЭДС, которая генерируется термопарой, сильное влияние оказывают неизбежные изменения температуры спая, помещенного в исследуемую среду с изменяющейся температурой, и температуры, и температуры свободных концов, которая зависит от параметров окружающей среды.

Таким образом, в основу изобретения положена задача повышения точности определения давления разреженных газов с помощью подогревной термопары за счет использования для измерения температуры спая термопары только одного вида тепла и исключения влияния на результат измерения нестабильности тока, пропускаемого через спай, и непостоянства температур спая и свободных концов термопары.

Поставленная задача решается тем, что в известный способ определения давления газа, заключающийся в том, что спай термопары помещают в исследуемую среду, пропускают через электроды термопары постоянный ток, измеряют генерируемую термопарой ЭДС и определяют по значению ЭДС давление в разреженной среде, согласно изобретению, введены дополнительные операции:
вначале обесточивают электроды термопары,
вводят последовательно с термопарой компенсирующее напряжение противоположной полярности,
регулируют компенсирующее напряжение до получения нулевой разности сравниваемых напряжений,
пропускают постоянный ток через электроды термопары, при этом ток пропускают в направлении, вызывающем охлаждение спая термопары,
плавно увеличивают ток до получения максимального значения разностного напряжения,
измеряют первое значение разностного напряжения,
изменяют направление тока на противоположное, вызывающее нагрев спая термопары,
измеряют установившееся значение второго разностного напряжения противоположной полярности,
вычисляют алгебраическую разность между первым и вторым значениями разностных напряжений,
с учетом полученной разности определяют давление в исследуемой среде по формуле:

где Р измеряемое давление,
α коэффициент Зеебека,
П коэффициент Пельтье,
F площадь поверхности теплообмена термопары,
R суммарное сопротивление электродов,
DU₁ разностное напряжение при охлаждении спая,
ΔU₂ разностное напряжение при нагреве спая,
K коэффициент пропорциональности, определяемый при калибровке.

Поставленная задача решается также тем, что в устройство, содержащее измерительную колбу, соединенную с полостью объема эвакуированного газа, в которой размещены два электрода из различных материалов, средние части которых находятся в электрическом контакте и образуют общий спай, источник постоянного напряжения и милливольтметр, введены дополнительные элементы:
два реохорда,
низкоомный резистор,
операционный усилитель,
два двухполюсных переключателя.

При этом введенные элементы соединены между собой и с ранее используемыми элементами следующим образом:
одноименные входы двухполюсных переключателей соединены с выходами первого реохорда через его подвижный контакт,
разноименные входы двухполюсных переключателей соединены между собой,
выходы переключателей соединены с входными зажимами электродов,
выходные зажимы электродов через низкоомный резистор соединены с прямым и инверсным входами операционного усилителя,
к выходу усилителя подключен милливольтметр,
зажимы низкоомного резистора соединены с выходами второго реохорда через его подвижный контакт, при этом входы первого и второго реохордов подключены к выходу источника постоянного напряжения.

На чертеже представлена схема устройства для определения давления газа.

Устройство содержит источник 1 постоянного напряжения, реохорд 2 с подвижным контактом, двухполюсные переключатели 3 и 4, электроды 5 и 6 из различных материалов с общим спаем 7, измерительную колбу 8, связанную с полостью эвакуируемого объема газа, низкоомный резистор 9, реохорд 10 с подвижным контактом, операционный усилитель 11 и милливольтметр 12.

К источнику 1 напряжения через реохорд 2 с подвижным контактом подключены одноименными входами переключатели 3 и 4, при этом их разноименные входы соединены между собой. Выходы переключателей 3 и 4 соединены с входными зажимами электродов 5 и 6, средние части которых соединены между собой и образуют общий спай 7, помещенный в колбу 8. Выходные зажимы электродов через низкоомный резистор 9 соединены с входами операционного усилителя 11, к выходу которого подключен милливольтметр 12. Потенциальные зажимы резистора 9 через подвижный контакт реохорда 10 подключены к выходу источника 1 напряжения.

Способ определения давления газа осуществляется следующим образом.

Спай двух электродов из различных материалов, образующих термопару, помещают в исследуемую газовую среду, давление которой надо определить. Из-за разности температур исследуемой газовой среды, в которой расположен спай термопары и окружающей среды, куда введены свободные концы термопары, возникает термоЭДС. Последовательно с термопарой вводят компенсирующее напряжение противоположной полярности, которое регулируют до получения нулевой разности сравниваемых напряжений. Затем пропускают через электроды термопары электрический ток. При этом напряжение тока выбирают таким, чтобы вызвать охлаждение спая термопары относительно исследуемой среды. В результате поглощения теплоты Пельтье в спае его температура понижается до значения:
T₂=T₁-ΔT₁ (1)
где Т₂ температура охлажденного спая,
ΔT₁ понижение температуры спая относительно исследуемой среды.

Наряду с поглощением тепла в спае происходит и выделение тепла Джоуля в объеме электродов. Перераспределение выделяющегося тепла в основном осуществляется за счет электродов, имеющих высокую теплопроводность по сравнению с теплопроводностью разреженного газа. Поэтому можно считать, что половина тепла Джоуля из электродов переносится в холодный спай, а половина
к свободным концам термопары, где оно рассеивается в окружающую среду. Таким образом, тепло, поглощаемое холодным спаем термопары в единицу времени
(2)
где П коэффициент Пельтье, зависящий от материалов электродов,
I ток, протекающий через спай термопары,
R суммарное сопротивление электродов.

При плотности газа, соответствующей области атмосферного давления, теплопроводность газа практически не зависит от плотности, так как в передаче тепла от нагретой поверхности к холодной и наоборот участвует много молекул, что приводит к постоянству среднего по объему значения теплопроводности среды. Однако при уменьшении давления газа его плотность, т.е. количество газа или воздуха в замкнутом объеме, уменьшается и, соответственно, возрастает длина свободного пробега молекул газа. Когда средняя длина свободного пробега молекул становится величиной того же порядка, что и расстояние между охлажденным спаем термопары и более теплыми стенками измерительной колбы, теплопроводность газа определяется числом оставшихся молекул, т.е. остаточным давлением в замкнутом объеме, и практически не зависит от средней скорости движения молекул газа, т.е. от температуры. Таким образом, теплопередача к охлажденному спаю термопары определяется теплопроводностью разреженного газа и однозначно характеризует давление исследуемой среды.

Тепловой баланс охлажденного спая определяется уравнением
(3)
где η коэффициент теплопередачи от спая термопары к стенкам измерительной колбы,
F поверхность теплообмена спая термопары.

Величина тока через спай выбирается из условия получения его максимального охлаждения, когда
(4)
I_o оптимальный по охлаждению ток.

При протекании через спай оптимального тока
(5)
устанавливается в соответствии с выражением (3) максимальное понижение его температуры
(6)
В результате охлаждения спая термоЭДС уменьшается и обуславливает появление разностного напряжения
(7)
где α коэффициент Зеебека, зависящий от материалов электродов. Плавно увеличивают ток через спай до получения максимального значения DU₁.. Затем измеряют первое значение разностного напряжения ΔU₁..

Затем изменяют направление протекания тока I_o через спай на противоположное. Так как эффект Пельтье обратимый, то при изменении направления тока вместо охлаждения возникает нагрев спая до температуры
T₃=T₁+ΔT₂ (8)
где Т₃ температура разогретого спая,
ΔT₂ повышение температуры спая относительно исследуемой среды. ТермоЭДС, развиваемая подогретой термопарой, увеличивается, а разностное напряжение изменяет свой знак и увеличивается до значения
(9)
С учетом значения тока I_o из выражения (5) имеем:
(10)
Измеряют установившееся значение второго разностного напряжения ΔU₂. По значениям первого и второго разностных напряжений ΔU₁, ΔU₂ вычисляют их алгебраическую разность. С учетом значений (7) и (10) имеем:
(11)
Давление разреженного газа, которое пропорционально коэффициенту теплопередачи от спая термопары, определяют из выражения (11)
(12)
где К коэффициент пропорциональности, определяемый в процессе калибровки.

Из полученного выражения (12) видно, что давление разреженного газа определяется измеренными значениями разностных напряжений -ΔU₁ и +ΔU₂,, развиваемых компенсированной термопарой, и параметрами самой термопары α, П и R. При этом результат измерения не зависит от значения тока I_o, пропускаемого через спай термопары, температуры исследуемого газа и окружающей среды. Исключение влияния тепла Джоуля на значение теплопередачи от спая термопары через исследуемую среду делает градуировочную характеристику (12) более крутой и однозначной.

Устройство работает следующим образом.

Электроды 5 и 6 с общим спаем 7 помещены в измерительную колбу 8, которая соединена с полостью эвакуируемого объема газа. Движок реохорда 2 вначале устанавливают в нижнее положение, что исключает протекание тока через входную цепь электродов 5 и 6. В спае 7 генерируется термоЭДС, пропорциональная разности температуры газа, находящегося в колбе, и температуры внешней среды, в которой находятся свободные концы электродов 5 и 6. С помощью движка реохорда 10 компенсируется выходное напряжение электродов 5 и 6 по нулевому показанию милливольтметра 12, измеряющему усиленную разность сравниваемых напряжений. Затем перемещением движка реохорда 2 вверх плавно увеличивается ток, протекающий через спай 7, вызывая его охлаждение. Увеличивают ток через спай до получения максимального показания милливольтметра 12. Фиксируют показания милливольтметра.

Затем переключатели 3 и 4 переводят в нижнее положение, изменяя тем самым направление протекания тока через спай 7. Показания милливольтметра 12 начинают уменьшаться, становятся равными нулю и после этого возрастают, но в другой полярности. Фиксируют установившееся значение милливольтметра 12. Далее вычисляют алгебраическую разность показаний милливольтметра, соответствующих двум положениям переключателей 5, 6, и по формуле (12) определяют давление газа в колбе. Коэффициент K, входящий в формулу (12), определяют в процессе калибровки по известному давлению газа в колбе 8 и параметрам используемой термопары.

Определение разности двух показаний молливольтметра исключает влияние дрейфа нуля операционного усилителя 11, что позволяет использовать усилитель с большим коэффициентом усиления и тем самым расширить диапазон измеряемых давлений вплоть до атмосферного с погрешностью не более 0,5%

Использование: в приборостроении, для определения давления разреженных газов с помощью термопар. Сущность изобретения: спай термопары помещают в газовую среду, пропускают через него постоянный ток, измеряют ЭДС и по ней определяют давление. При этом вначале обесточивают электроды термопары, вводят последовательно с термопарой компенсирующее напряжение противоположной полярности, регулируют компенсирующее напряжение до получения нулевой разности сравниваемых напряжений, пропускают через электроды термопары постоянный ток в направлении, которое вызывает охлаждение спая термопары. Плавно увеличивают ток до получения максимального значения разностного напряжения, измеряют первое значение разностного напряжения. Затем изменяют направление тока на противоположное. Устройство, реализующее способ, содержит измерительную колбу, соединенную с полостью объема газа, в которой размещены два электрода из различных материалов, средние части которых находятся в электрическом контакте и образуют общий спай, источник постоянного напряжения и милливольтметр, а также два реохорда, низкоомный резистор, операционный усилитель и два двухполюсных переключателя, одноименные входы которых соединены с выходами первого реохорда через его подвижный контакт, разноименные входы соединены между собой, выходы переключателя соединены с входными зажимами электродов, выходные зажимы которых через низкоомный резистор соединены с прямым и инверсным входами операционного усилителя, к выходу которого подключен милливольтметр, зажимы низкоомного резистора соединены с выходами второго реохорда через его подвижный контакт, при этом входы первого и второго реохордов подключены к выходу источника постоянного напряжения. Обеспечивает повышение точности за счет исключения влияния на результат измерения нестабильности тока, пропускаемого через спай, и непостоянства температур спая и свободных концов термопары. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения давления газа, согласно которому в измеряемую газовую среду помещают спай термопары, пропускают через ее электроды постоянный ток, измеряют генерируемую термопарой ЭДС, отличающийся тем, что вначале обесточивают электроды термопары, вводят последовательно с термопарой компенсирующее напряжение полярности, противоположной ЭДС термопары, регулируют компенсирующее напряжение до полной компенсации ЭДС термопары, затем через термопару пропускают постоянный ток в направлении, соответствующем охлаждению спая термопары, плавно увеличивают ток до получения максимальной термо-ЭДС, измеряют первое значение разности термо-ЭДС и компенсирующего напряжения, затем изменяют направление постоянного тока на противоположное, вызывающее нагрев спая термопары, измеряют установившееся второе значение разности термо-ЭДС и компенсирующего напряжения, а давление P в измеряемой среде определяют согласно выражению:

где α коэффициент Зеебека;
П коэффициент Пельтье;
F площадь поверхности теплообмена термопары;
R суммарное сопротивление электродов термопары;
DU₁ первое значение разности напряжений (при охлаждении спая термопары);
ΔU₂ второе значение разности напряжений (при нагреве спая);
К коэффициент, определяемый при калибровке. 2. Устройство для определения давления газа, содержащее измерительную колбу, сообщенную с измеряемой средой, в которой размещены два электрода из различных материалов, средние части которых находятся в электрическом контакте и образуют общий спай, источник постоянного напряжения и милливольтметр, отличающееся тем, что оно снабжено двумя реохордами, низкоомным резистором, операционным усилителем и двумя двухполюсными переключателями, причем первый и второй выходы первого реохорда подключены соответственно к первому и второму входам первого переключателя и к второму и первому входам второго переключателя, выходы первого и второго переключателей соединены с соответствующими входными зажимами электродов, выходные зажимы которых через низкоомный резистор соединены соответственно с прямым и инверсным входами операционного усилителя, к выходу которого подключен милливольтметр, зажимы низкоомного резистора соединены с выходами второго реохорда через его подвижный контакт, при этом входы первого и второго реохордов подключены к выходу источника постоянного напряжения.