Способ измерения давления и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК G01L21/34 

Изобретение относится к технике измерения давления газов, и может быть использовано в вакуумной технике при измерении давления разряженных газов.

Целью изобретения является повышение чувствительности и помехоустойчивости при измерении давления газао

На фиг. 1 показана схема устройства, реализутощего предлагаемый .способ измерения давления; на фиг. 2то же 5 в котором использован синхронный детектор.

Устройство для измерения давления состоит из корпуса 1, в котором расположены реверсивный электротепловой преобразователь 2 и теплозлектрический преобразователь 3, выход которого соединен с входом блока А выделения переменной составляющей электрического сигнала теплоэлектрического преобразователя. Измерительный прибор 5 предназначен для измерения переменной составляющей сигнала .

Цепь питания реверсивного электротеплового преобразователя 2 соединена с выходом источника 6 питания первменнрго токйе Рабочая поверхность 7 реверсивного электротеплового преобразователя 2 находится в тепловом контарсте с теплоэлектрическим преобразователем 3. Теплоотводящая поверхность 8 реверсивного электротеплового преобразователя 2 находится в тепловом контакте с теплопроводным корпусом 1, но электрически изолирова.на от него диэлектрической пластиной 9,

Выход теплоэлектрического преобразователя 3 соединен с входом блока 4, выход которого соединен с зходом измерительного прибора 5,

Корпус 1 может быть выполнен из теплопроводного материала, например из металла, имеет патрубок 10 для подсоединения к вакуумной системе, давление в которой измеряется.

В качестве реверсивного эле;ктротеплового преобразователя может быть использован стандартный термоэлектрический элемент Пельтье, термоэлектрический элемент Нернста-Эттршгсгауэена или анизотропный термоэлемент

В качестве теплоэлектрического преобразователя 3 может быть использован один из стандартных преобразователей температуры р электрический сигнал - термопара, термистор, терморезистор

В случае использования в качестве теплоэлектрического преобразователя термопары один из ее спаев (горячий спай) имеет тепловой контакт с рабочей поверхностью 7 реверсивного электротеплового преобразователя 2

Vнапример, приклеен теплопроводным

клеем). Выводы второго спая термопары служат выходом термоэлектрического преобразователя 4.

В случае использования в качестве теплоэлектрического преобразователя

3термистора (терморезистора) он включается в мостовую измерительную

схему, одна из диагоналей которой подключается к источнику питания постоянного тока, а другая служит выходом теплоэлектрического преобразователя. Такая схема включения термистора является стандартной.

Выводы реверсивного элбктротеплового преобразователя 2 и теплоэлектрического преобразователя 3 выведены из корпуса с помошью герметичных вводов, выполненных по одной из стандартных конструктивных схем.

Блок 4 вьщеления переменной составляющей электрического сигнала может быть вьтолнен в виде трансформатора, одна из обмоток которого (первичная) служит входом блока 4,

а вторая - его выходом Число витков обмоток трансформатора может быть выбрано так, чтобы трансформатор был повьшающим. При необходимости значительного усиления сигнала блок 4 может быть снабжен стандартным усилителем, вход которого соединен с вторичной обмоткой трансформатора, а выход служит выходом блока 4„ Блок

4может быть вьтолнен также в виде избирательного (узкополосного) уси-яителя переменного тока.

В качестве измерительного прибора 5 может быть использован стандартный вольтметр переменного тока реагирующий на средневьшрямленное значение входного электрического сигнала,

В качестве измерительного прибора

5может быть использован также стандартный вольтметр переменного тока,

реагирующий на среднеквадратичное значение входного сигнала, например, вольтметр типа ВЗ-46, Ф584. В качестве измерительного прибора 5 может быть использован стандартный вольтметр переменного тока, реагирующий на размах колебаний входного сигнала, например для этих целей может быть использован осциллограф. В качестве источника 6 питания может быть использован стандартный генератор переменного синусоидального напряжения или стандартный гене ратор двухполярных прямоугольных импульсов. При использовании для реализации предлагаемого способа измерения давления синхронного детектирования уст ройство (фиг. 2) дополнительно содер жит синхронный детектор 1, включенный между выходом блока вьщеления переменной составляющей сигнала и входом измерительного прибора 5, в качестве которого может быть использован вольтметр постоянного тока При этом управляющий вход синхронного детектора 11 соединен с источнико 6 питания переменного тока о Измерение давления осуществляют следующим образом. Патрубок 13 корпуса 1 подключают к вакуумной системе, давление в которой необходимо измерить. Электротепловой преобразователь 2, питаемый от источника 6 питания переменного тока, циклически реверсируется, т„е. в течение одной полуволны питающего напряжения рабочая поверхность электротеплового преобразователя 2 разогревается относител но температуры среды, а в течение второй полуволны охлаждается. Воздей ствие перепада температур на теплоэлектрический преобразователь 3 приводит к появлению на его выходе термоЭДС, знак которой также изменяется синхронно с изменением знака питающего напряжения. Переменная составляющая сигнала теплозлектрического преобразователя 3 вьщеляется блоком 4 и поступает на вход измерительного прибора 5, который измеряет один из параметров переменной составляющей - средневыпрямленное значение, среднеквадратич ное значение, амплитудное значение или размах колебаний в зависимости от конкретного вьтолнеиия измеритель кого прибора. При уменьшении давления в корпусе .1 теплопроводность среды уменьшается температура электротеплового преобразователя 2 получает дополнительное приращение, пропорциональное изменению давления среды. Причем в течение одной полуволны питающего напряжения температура электротеплового преобразователя 2 получает приращение со знаком плюс, а в течение второй полуволны - со знаком минус. Соответственно изменяются параметры переменной составляющей электрического сигнала на выходе блока 4 - амплитуда, размах, средневьшрямленное и среднеквадратичное значение. Таким образом, каждому значению давления соответствуют определенные показания измерительного прибора 5. В тепловом манометре связь между мощностью, выделяемой в электротепловом преобразователе и измеряемым давлением, выражается в виде: Р 7ф ГП -i-M / где Р значение измеряемого давления; , kl - мощность, выделяемая электротепловым преобразователем (k - коэффициент Пельтье, I - ток, протекающий по электротепловому преобразователю;С - постоянная; , - разность температур между электротепловым преобразователем и окружающей средой . Выходной сигнал Ещ,,теплоэлектриеского преобразователяпропорционаен разности температурТц-Т,,, поэтоу можно записать Для случая вьтолнения источника питания в виде генератора переменого тока или синусоидальной формы ожно записать kImSin gjt СР амплитуда тока; де ы частота токво Так как мощность, выделяемая з элект.ротепловом преобразователе 2, ийменяетсй по синусоидальному закону, то температура его рабочей поверхности также иэменяется по синусоидальному закону, поэтому и выходной сигнал теплоэлектрического преобразователя 3 также изменяется в рассматриваемом случае по синусоидальному закону. ЕВЫХ E SincOt, где Е - амплитуда выходного сигнал Следовательно, значение измеряемо го давления можно определить по амплитуде Е или по размаху выход ного сигнала теплоэл.ектрического преобразователя. Кроме того, значение измеряемого давления может быть определено по средневыпрямленногту значению выходного сигнала, равному (для синусоидальной формы сигнала) или среднеквадратичному значению Аналогичные выражения могут быть згшисаны и для случая выполнения ис точника 6 питания в виде генератора напряжения прямоугольной фор№) либо какой-либо другой формы кривой. Эти ; выражения отличаются от приведенных вьппе только значениями постояншзпс коэффициентов. Таким образом, для определения давления может быть использовано средство измерения, реагирующее на средневьшрямленное, среднеквадратич ное, амплитудное значения выходного сигнала теплоэлектрического преобра зователя, либо на размах колебаний выходного сигнала. В предлагаемом способе и реализу ющих его устройствах вследствие использования реверсируемого электротеплового преобразователя, а также вследствие вьщеления переменной составляющей сигнала теплоэлектрическ го преобразователя и синхронной с реверсированием электротеплового преобразователя демодуляцией обеспе чивается возможность использования высокочувствительного полупроводникового тедпоэлектрическогопреобраз вателя, дрейф нуля которого, представляющий собой медленно изменяющийся (по сравнению с частотой реверсирования электротеплового преобразователя) сигнал постоянного тока, не оказывает влияния на результат измерения, так как этот сигнал не передается блоком вьщеления переменной составляющей и не попадает на выход устройства. Вследствие возможности использования в блоке 4 узкополосного усилителя переменного тока, а также применения демодулятора, работающего синхронно с частотой реверсирования электротеплового преобразователя, обеспечивается возможность подавлять собственные щумы теплоэлектрического преобразователя и помехи постоянного и переменного тока. Избирательное (узкополосное) усилие в сочетании с синхронной демодуляцией позволяет выделить полезный сигнал фиксированной частоты даже в том случае,- если его уровень лежит ниже уровня помех. Это позволяет повысить чувствительность и помехоустойчивость при измерении давления. Согласно предлагаемому способу в течение одной половины цикла измерения температура среды увеличивается, а в течение второй половины цикла измерения уменьшается, т.е. интегральное значение теплового воздействия измерительной системы на среду равно нулю или близко к нулю. Это дает возможность дополнительно увеличить чувствительность за счет увеличения мощности электротеплового преобразователя,, Формула изобретения 1.Способ измерения давления, включающий воздействие тепловым потоком на теплоэлектрический преобразователь, помещенный в газовую среду, и измерение его электрического сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и помехоустойчивости, тепловой поток циклически реверсируют, а давление газовой среды определяют по переменной составляющей сигнала теплоэлектрического преобразователя 2.Устройство для измерения давления, содержащее подключенный к источнику питания электротепловой

71

преобразователь и установленный в контакте с ним теплоэлектрический преобразователь, помещенные в газовую среду, а такжеизмерительный ..прибор, отличающееся тем, что, с целью повьппения чувствительности и помехоустойчивости, в не го введен блок выделения переменной составляющей электрического сигнала, электротепловой преобразователь выполнен реверсируемым, а источник питания - в виде генератора переменного напряжения, при этом выход теплоэлектрического преобразователя сое752АО8

динен с последовательно включенными блоком выделения переменной составляющей- электрического сигнала и измерительным прибором.

5 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в него дополнительно введен синхронный демодулятор, при этом выход блока выделения переменной составляющей сигtO нала соединен с входом синхронного демодулятора, управляющий вход которого соединен с выходом генератора, а выход - с входом измерительного прибора.

Изобретение может использоваться в вакуумной технике при измерении давления разряженных газов. Вследствие использования реверсируемого злектротеплового преобразователя, а также выделения переменной составляющей сигнала теплозлектрического преобразователя, синхронной с реверсированием электропроводного преобразователя демодуляцией обеспечивается возможность использования высокочувствительного полупроводникового теплоэлектрического преобразователя, дрейф нуля которого не оказывает влияния на результат измерения. Избирательное усилие в сочетании с синхронной демодуляцией позволяет выделить полезный сигнал фиксированной частоты, даже если уровень лежит § ниже уровня помех. Это позволяет повысить чувствительность и помехоусСЛ тойчивость при измерении давления. 2 с. п. и 1 3.п,ф-лы, 2 ил.

фиг.1

S/

;

J

2

11

/

ф(/22