Способ снижения погрешности измерения вакуума манометрическим преобразователем сопротивления Российский патент 2023 года по МПК G01L21/12 

Изобретение относится к технике измерения давления газов в областях от высокого вакуума до атмосферного давления и может быть использовано при создании вакуумметров с пределами измерения от 10^-5 мм рт. ст. до 760 мм рт. ст.

Манометрические преобразователи сопротивления построены на зависимости сопротивления нагревательного элемента от давления газа в баллоне преобразователя. На погрешность измерения давления влияет зависимость показаний вакуумметра от температуры окружающей среды.

Известен способ измерения давления (прототип), в котором для компенсации флуктуаций температуры баллона и напряжения питания в манометре сопротивления используют включение дополнительного манометрического преобразователя, откачанного до хорошего вакуума (10^-6 Торр) и запаянного, в соседнее плечо моста с измерительным преобразователем, соединенным с объемом, в котором измеряется давление [1]. Недостатком этого способа является то, что степень компенсации зависит от измеряемого давления. Ухудшение компенсации возрастает с увеличением давления. Снижение погрешности измерения от изменения температуры окружающей среды возможно только при давлении в измерительном преобразователе близком к давлению в отпаянном преобразователе. При таком способе измерения давления («режим постоянного напряжения» [1, стр. 62]) информационным параметром, по которому определяется давление, является разность токов измерительного и компенсационного преобразователей. На фиг. 1 представлены расчетные зависимости информационных параметров при использовании одинаковых измерительного и компенсационного преобразователей типа ПМТ-2 от давления воздуха при температурах баллона 20 и 30°С. На фиг. 2 представлена расчетная зависимость погрешности измерения давления воздуха этим способом от давления воздуха при изменении температуры баллона от 20 до 30°С. Можно заметить, что минимальная погрешность измерения давления оказывается не ниже 0,083 и растет при увеличении давления.

В патенте на теплоэлектрический вакуумметр [2] предлагается способ расширения температурного диапазона компенсации погрешности в манометре сопротивления, обусловленной изменением температуры окружающей среды. Суть его заключается в периодическом проведении двух отсчетов информационного параметра, связанного с давлением газа. Первый отсчет производится при одном значении токов через компенсационный и измерительный терморезисторы, второй отсчет производится при другом значении токов через компенсационный и измерительный терморезисторы. Каждый отсчет запоминается в оперативной памяти. Затем один отсчет вычитается из другого, и разность служит мерой давления. Таким образом, по мнению авторов, исключается влияние температуры окружающей среды на результат измерения. Другими словами, как бы измеряются две разности температур терморезистора и температуры окружающей среды при разных токах через измерительный терморезистор, затем они вычитаются, температура окружающей среды сокращается и остается разность температур терморезисторов, функционально связанная с давлением газа. В приведенных расчетах в формуле 3, считается, что тепловое сопротивление измерительного терморезистора величина постоянная. Однако это не так. Оно зависит от давления газа. Поэтому компенсация температурной погрешности будет эффективной в окрестности одного значения давления. Кроме этого на информационный параметр температура окружающей среды влияет через температуру вакуумно-плотной оболочки терморезистора, которая зависит также от мощности, выделяемой измерительным терморезистором. А поскольку при первом и втором отсчетах эта мощность разная, то и температура оболочки будет изменяться, что также обусловит не полную компенсацию влияния изменения температуры окружающей среды.

Целью изобретения является снижение погрешности измерения давления манометром сопротивления, обусловленной изменением температуры окружающей среды. Сущность предлагаемого технического решения состоит в том, что последовательно электрически соединяются измерительный манометрический преобразователь сопротивления, отпаянный и откачанный до высокого вакуума такой же манометрический преобразователь сопротивления и отпаянный и заполненный до атмосферного давления такой же манометрический преобразователь сопротивления. На измерительном преобразователе поддерживается постоянное напряжение за счет регулирования напряжения на концах электрической цепи, состоящей из трех последовательно включенных манометрических преобразователей сопротивления. В качестве информационного параметра используется дробь, в числителе которой отношение разности напряжения на манометрическим преобразователе с давлением ниже 10^-5 Торр и напряжения на измерительном преобразователе к их сумме, а в знаменателе сумма двух слагаемых, одно из которых отношение разности напряжения на измерительным преобразователе и напряжения на преобразователе с атмосферным давлением к их сумме, а второе - отношение разности напряжения на манометрическим преобразователе с давлением ниже 10^-5 Торр и измерительным преобразователем к их сумме. Информационный параметр f(p), определяющий давление Р, рассчитывается с помощью следующего соотношения

где U_изм - напряжение на измерительном преобразователе, соединенном с объемом, в котором измеряется давление газа;

U_вак - напряжение на манометрическом преобразователе сопротивления, откачанном до высокого вакуума и отпаянного;

U_атм - напряжение на манометрическом преобразователе сопротивления, заполненном до атмосферного давления и отпаянном.

Суммарное напряжение U=U_изм+U_вак+U_атм регулируется таким образом, чтобы напряжение U_изм оставалось неизменным.

На фиг. 3 представлены расчетные зависимости информационных параметров по предлагаемому способу измерения давления от давления при температурах баллона ПМТ-2 20 и 30°С. На фиг. 4 представлена расчетная зависимость погрешности измерения давления от изменения температуры баллона ПМТ-2 от 20 до 30°С от давления в диапазоне от 10^-3 - 1 Торр. На фиг. 5 представлена расчетная зависимость погрешности измерения давления от изменения температуры баллона ПМТ-2 от 20 до 30°С от давления в диапазоне от 1 - 750 Торр. Сравнение расчетных зависимостей погрешности измерения давления для прототипа (фиг. 2) от давления и предлагаемого способа (фиг. 4, 5) показывает, что предлагаемый способ измерения давления обеспечивает меньшую погрешность во всем диапазоне измеряемых давлений.

Следовательно, предложенное техническое решение обеспечивает достижение поставленной цели.

Литература

1. Востров Г.А., Розанов Л.Н. Вакуумметры. Л.: Машиностроение, 1967, 236 с.

2. Лупина Б.И. Патент на изобретение RU 2 104507 С1. Теплоэлектрический вакуумметр. Опубликован 10.02.1998 г.

Изобретение относится к технике измерения вакуума и может быть использовано при создании вакуумметров с пределами измерения от 10^-5 до 760 Торр на основе манометрических преобразователей сопротивления. Целью изобретения является уменьшение погрешности измерения, обусловленной изменением температуры окружающей среды. Сущность предлагаемого технического решения состоит в том, что последовательно электрически соединяются измерительный манометрический преобразователь сопротивления, соединенный с объемом, в котором измеряется давление газ, отпаянный и откачанный до высокого вакуума, такой же манометрический преобразователь сопротивления и отпаянный и заполненный до атмосферного давления такой же манометрический преобразователь сопротивления. На измерительном преобразователе поддерживается постоянное напряжение за счет регулирования напряжения на концах электрической цепи, состоящей из трех последовательно включенных манометрических преобразователей сопротивления. В качестве информационного параметра используется дробь, в числителе которой отношение разности напряжения на манометрическим преобразователе с давлением ниже 10^-5 Торр и напряжения на измерительном преобразователе к их сумме, а в знаменателе сумма двух слагаемых, одно из которых отношение разности напряжения на измерительном преобразователе и напряжения на преобразователе с атмосферным давлением к их сумме, а второе - отношение разности напряжения на манометрическом преобразователе с давлением ниже 10^-5 Торр и измерительном преобразователе к их сумме. Информационный параметр f(P), определяющий давление Р, рассчитывается с помощью следующего соотношения

где U_изм - напряжение на измерительном преобразователе, соединенном с объемом, в котором измеряется давление газа; U_вак - напряжение на манометрическом преобразователе сопротивления, откачанном до высокого вакуума и отпаянного; U_атм - напряжение на манометрическом преобразователе сопротивления, заполненном до атмосферного давления и отпаянном. Суммарное напряжение U=U_изм+U_вак+U_атм регулируется таким образом, чтобы напряжение U_изм оставалось неизменным. Предлагаемый способ измерения давления снижает погрешность измерения давления газа. 5 ил.

Способ измерения вакуума с помощью манометрического преобразователя сопротивления с использованием дополнительного манометрического преобразователя, заполненного газом до фиксированного значения давления, для компенсации погрешности, вызванной изменением температуры окружающей среды и изменения питающего напряжения, отличающийся тем, что с целью снижения погрешности измерения последовательно с измерительным преобразователем включаются преобразователь с атмосферным давлением и манометрический преобразователь с давлением ниже 10^-5 Торр, напряжение на измерительном преобразователе поддерживается постоянным за счёт регулирования общего напряжения на трёх последовательно включенных манометрических преобразователях, а в качестве информационного параметра используется дробь, в числителе которой отношение разности напряжения на манометрическим преобразователе с давлением ниже 10^-5 Торр и напряжения на измерительном преобразователе к их сумме, а в знаменателе сумма двух слагаемых, одно из которых отношение разности напряжения на измерительным преобразователе и напряжения на преобразователе с атмосферным давлением к их сумме, а второе - отношение разности напряжения на манометрическим преобразователе с давлением ниже 10^-5 Торр и измерительным преобразователем к их сумме.